无序合金微弹簧及其制备方法与曝光台技术

本发明专利技术公开了一种无序合金微弹簧及其制备方法与曝光台。弹簧结构为螺旋型，整体尺寸在百微米量级到毫米级别；材料为Ni-Nb基无序合金材料，杨氏模量大于180GPa，弹性极限大于2%。制备方法，1）制备一个PMMA光刻胶圆柱；2）将光刻胶圆柱夹持到曝光台上进行X-ray曝光；3）进行显影，得到显影后的制备弹簧的PMMA模具；4）用镍和铌金属在真空下氩气保护熔炼而成的靶材；5）通过磁控溅射制备无序合金薄膜层；6）释放得到无序合金微弹簧。本发明专利技术将X-ray光刻工艺与磁控溅射技术结合，突破了传统机械工艺制备亚毫米螺旋微型弹簧的尺寸瓶颈，填补了MEMS器件中无序合金螺旋微弹簧的空缺，拓展了3D金属微器件的加工思路，微弹簧表面平整光滑，形状理想。

【技术实现步骤摘要】
无序合金微弹簧及其制备方法与曝光台
本专利技术属于微纳米
，涉及一种无序合金微弹簧及其制备方法与曝光台。
技术介绍
弹簧作为一种基础机械零件，几乎在人们所能接触到的领域都有着广泛的应用和不可或缺的地位。然而随着近几十年来微纳米技术迅猛发展，利用MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)技术制备的微传感器、微机械光学器件、微执行器、微型构件等微器件在各个领域取得令人瞩目的成就，器件微型化的趋势日渐显著，各领域对于微弹簧的需求日益迫切，如何将传统的机械弹簧微型化成为一项重要的课题。传统意义上的弹簧数百年来得到了充分的研究，拥有相对完善的制备工艺，制备工艺一般分为冷加工和热加工，通常有冷卷成形、热卷成形、淬火、回火处理、去应力过火等步骤，然而这些成熟的机械制备方法只适用于通常尺寸的弹簧且对材料的塑形有一定要求，无法制备亚毫米级别的高倔强系数微弹簧。目前微弹簧在微机电系统中的应用模式还没有系统的总结和归纳，已报道的微弹簧一般由MEMS工艺制备，例如LIGA或者UV-LIGA技术、硅基微机械加工技术和表面牺牲层技术等，上述方法通常只能制备平面结构弹簧，且材料的选择有限，无法制备出具有优异机械性能的螺旋微弹簧。随着弹簧尺寸的缩小，其抗压、储能能力亦会随之下降，选择一种强度比金属高且不易碎的材料制备弹簧可有效改善弹簧的力学性能。N1-Nb基无序合金强度高，硬度高，耐腐蚀，耐摩擦，它既有金属和玻璃的优点，又克服了它们各自的弊病。无序合金的强度高于钢，硬度超过高硬工具钢，具有比较好的韧性和刚性，是制备微弹簧的理想材料，但利用其制备微弹簧需要克服传统工艺无法加工微尺寸弹簧的技术难题。
技术实现思路
本专利技术的目的是填补现有技术的空缺，提供无序合金微弹簧及其制备方法与曝光台。具有高倔强系数和弹性极限的无序合金微弹簧，结构为螺旋型，整体尺寸在百微米量级到毫米级别，弹簧丝直径大于等于10 Um ;材料为N1-Nb基无序合金材料，杨氏模量大于180GPa，弹性极限大于2%。所述具有高倔强系数和弹性极限的无序合金微弹簧制备方法，步骤如下:1)利用机械加工或者注塑方法，制备一个PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)光刻胶圆柱； 2)将光刻胶圆柱夹持到曝光台上进行X-ray曝光，控制曝光参数来调节微弹簧的节距和弹黃丝的直径； 3)对曝光过的光刻胶圆柱进行显影，得到显影后的制备弹簧的PMMA模具； 4)用纯度分别超过99.9%的镍和铌金属在高于3*10_3 Pa的真空下氩气保护熔炼而成的靶材；5)利用磁控溅射仪器和制得的靶材制备无序合金薄膜层，控制溅射时间来控制溅射厚度，溅射时使PMMA模具匀速地绕自身轴旋转，保证无序合金薄膜层的厚度均匀性； 6)先用甲基丙烯酸甲酯溶液对带有无序合金薄膜层的模具浸泡24小时，再用丙酮浸泡12小时，最后用无水乙醇浸泡清洗，释放得到直径一大一小的二个无序合金微弹簧。步骤2)中，所述的曝光台包括光刻胶圆柱、带样品夹的旋转电机、掩膜板、步进电机、掩膜板夹具座、夹具，光刻胶圆柱夹持在带样品夹的旋转电机上，可匀速转动，掩膜板利用夹具固定在掩膜板夹具座上，步进电机刚性联接掩膜板夹具座，可驱动掩膜板直线运动，掩膜板中心透光小孔与光刻胶圆柱中心处等高。所述的X-ray曝光方法，将光刻胶圆柱夹持到带样品夹的旋转电机上进行X-ray曝光，X-ray透过掩膜板中心小孔射到光刻胶圆柱上，旋转电机以Cil的角速度匀速转动，步进电机以P的速度带动掩膜板匀速移动，曝光剂量大小决定T曝光的深度，成型后弹簧丝的直径与中心透光小孔的直径相当。用于制备无序合金微弹簧的曝光台，包括光刻胶圆柱、带样品夹的旋转电机、掩膜板、步进电机、掩膜板夹具座、夹具，光刻胶圆柱夹持在带样品夹的旋转电机上，可匀速转动，掩膜板利用夹具固定在掩膜板夹具座上，步进电机刚性联接掩膜板夹具座，可驱动掩膜板直线运动，掩膜板中心透光小孔与光刻胶圆柱中心处等高。本专利技术的有益效果:将同步辐射光源x-ray光刻工艺与磁控溅射技术结合，突破了传统机械工艺制备螺旋微型弹簧的尺寸瓶颈，填补了 MEMS器件中无序合金螺旋微弹簧的空缺，拓展了通过改进现有成熟传统微加工技术来制备复杂三维结构的新思路，制备出的微弹簧表面平整光滑，几何形状理想。采用N1-Nb基无序合金材料作为材料的微弹簧具有优异的机械性能，强度高，硬度高，耐腐蚀能力是普通304不锈钢的一万倍，倔强系数和弹性极限分别达到一般晶态金属材料微弹簧的2倍和4倍以上，有望在微机械、精密装配、光学、航空航天、MEMS等高
获得广泛应用。【附图说明】图1是一种具有高倔强系数和弹性极限的无序合金微弹簧制备方法流程图； 图2a是掩膜板及驱动装置示意图； 图2b是光刻胶圆柱及旋转装置示意图； 图2c是一种用于无序合金微弹簧制备的曝光过程示意图； 图3是无序合金微弹簧的制备过程示意图； 图中:光刻胶圆柱1、带样品夹的旋转电机2、掩膜板3、步进电机4、掩膜板夹具座5、夹具6。【具体实施方式】本专利技术结合同步辐射光源X-ray光刻工艺和磁控溅射技术，提出了一种具有高倔强系数和弹性极限的无序合金微弹簧及制备方法，在光学工程、精密仪器、汽车工业、生物医学、军事等诸多领域中都有着十分广阔的应用前景。以下结合附图对本专利技术做进一步的说明。具有高倔强系数和弹性极限的无序合金微弹簧，结构为螺旋型，整体尺寸在百微米量级到毫米级别，弹簧丝直径可小到10 Um左右；材料为N1-Nb基无序合金材料，杨氏模量大于180GPa，弹性极限大于2% ;微弹簧具有优异的机械性能，强度高，硬度高，耐腐蚀能力是普通304不锈钢的一万倍，倔强系数和弹性极限分别达到一般晶态金属材料微弹簧的2倍和4倍以上。上述具有高倔强系数和弹性极限的无序合金微弹簧制备方法流程如图1所示，其主要步骤包括:(I)制备一个PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)光刻胶圆柱；(2)对光刻胶圆柱进行同步辐射X-ray曝光；(3)显影得到微弹簧模具；(4)制备N1-Nb基无序合金靶材，用纯度超过99.9%的镍和铌金属按照一定比例在高于3*10_3 Pa的真空下氩气保护熔炼得到；(5)磁控溅射制备无序合金薄膜层；(6)溶解光刻胶释放得到微弹簧。如图2a、2b、2c所示，用于制备无序合金微弹簧的曝光台，包括光刻胶圆柱1、带样品夹的旋转电机2、掩膜板3、步进电机4、掩膜板夹具座5、夹具6，光刻胶圆柱I夹持在带样品夹的旋转电机2上，可匀速转动，掩膜板3利用夹具6固定在掩膜板夹具座5上，步进电机4刚性联接掩膜板夹具座5，可驱动掩膜板3直线运动，掩膜板3中心透光小孔与光刻月父圆柱I中心处等闻。X-ray曝光方法:将光刻胶圆柱夹持到带样品夹的旋转电机上，X-ray透过掩膜板中心小孔射到光刻胶圆柱上靠近端点处一点，旋转电机以icl的角速度匀速转动，步进电机以P的速度带动掩膜板匀速移动，角速度ill和移动速度P满足以下关系:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有高倔强系数和弹性极限的无序合金微弹簧，其特征在于，结构为螺旋型，整体尺寸在百微米量级到毫米级别，弹簧丝直径大于等于10?um；材料为Ni?Nb基无序合金材料，杨氏模量大于180GPa，弹性极限大于2%。

【技术特征摘要】
1.一种具有高倔强系数和弹性极限的无序合金微弹簧，其特征在于，结构为螺旋型，整体尺寸在百微米量级到毫米级别，弹簧丝直径大于等于10 Um ;材料为N1-Nb基无序合金材料，杨氏模量大于180GPa,弹性极限大于2%。2.一种如权利要求1所述具有高倔强系数和弹性极限的无序合金微弹簧制备方法，其特征在于，步骤如下: 1)利用机械加工或者注塑方法，制备一个PMMA光刻胶圆柱； 2)将光刻胶圆柱夹持到曝光台上进行X-ray曝光，控制曝光参数来调节微弹簧的节距和弹黃丝的直径； 3)对曝光过的光刻胶圆柱进行显影，得到显影后的制备弹簧的PMMA模具； 4)用纯度分别超过99.9%的镍和铌金属在高于3*10_3 Pa的真空下氩气保护熔炼而成的靶材； 5)利用磁控溅射仪器和靶材在PMMA模具上溅射无序合金薄膜层，控制溅射时间来控制溅射厚度，溅射时使PMMA模具匀速地绕自身轴旋转，保证无序合金薄膜层厚度均匀； 6)先用甲基丙烯酸甲酯溶液对带有无序合金薄膜层的模具浸泡24小时，再用丙酮浸泡12小时，最后用无水乙醇浸泡清洗，释放得到直径一大一小的二个无序合金微弹簧。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述的曝光台包括光刻胶圆柱(I)、带样品夹的旋转电机(2)、...

【专利技术属性】
技术研发人员：张冬仙，史斌，胡晓琳，伊福廷，王波，蒋建中，章海军，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：