[发明专利]一种基于深刻蚀技术的微小金属零件制备及装配方法

说明书

技术领域

本发明涉及微机械加工技术，特别涉及基于深刻蚀技术的零件制备方法及基于对准键合技术的转移装配方法。

背景技术

自20世纪80年代以来，微机电系统(MEMS)发展迅速，其应用领域逐步扩大，如微型机械、微传感器、微驱动、微加速度计等研究已经涉及到航空航天、军事、生物医学工程等领域。仅作为例子，作为微执行器和传动结构中重要部件的微型齿轮，已成功通过LIGA和精密机械加工技术制造并组装得到微齿轮行星减速器。

目前，微型零件加工的材料可分为：硅和硅化物、金属和有机聚合物。应用硅材料加工得到的各种MEMS零器件已经广泛用于汽车、航天等领域，但硅材料本身非常脆、易碎，因此并不适合大冲击、大载荷等的应用；此外，在震动和摩擦的环境下，硅基器件也容易失效。正因为如此，利用金属，这一传统机械加工中最重要的材料，加工制备微型零件，是较理想的选择。金属不仅具有很好的杨氏模量和弹性，而且具备良好的延展性、导电性和很高的断裂韧度。随着金属材料刻蚀技术的研究发展，使得利用金属材料加工微型小零件成为可能。

伴随着机械零件的微小型化，微型零件的低成本、批量制造及装配技术成为微细加工领域的重要研究方向。微机械零件的加工技术，仍局限于传统微机械加工技术，如利用微细电火花加工技术、微精细机械加工技术，不仅对设备要求高，而且单次单件的加工方式，加工成本高，可重复性低；虽然在MEMS技术领域，利用LIGA技术，成功制备出微齿轮等微机械零件，但该方法并不是直接对金属材料进行加工，而是通过在硅、玻璃等基底上通过光刻等方法制备出零件模块，再通过电镀得到金属件。虽然实现了微机械零件的并行加工，单批次制备的零件一致性好，但LIGA技术对设备要求高，在一定程度上增加了微零件制造成本；此外，可电镀的材料种类有限，且电镀材料的均匀性和工艺稳定性较差；电镀金属不如金属体材，如电镀金属孔隙率多，在一定程度上影响了微机械零件的机械性能。

无论是通过微机械加工技术还是LIGA技术制备出零件，需要单件逐个装配，而微尺度下的表面效应使得微小机械零件的拾取和放置过程难度加大，且单件逐个装备容易误装、漏装。也有一些研究人员通过利用零件有效功能结构表面处理，如静电力、范德华力和表面张力的影响，实现零件自装配，且定位精度高，但装配精度与结合点尺寸成正比，要达到高精度对准就要消耗较大的面积，待装配零件的尺寸难以进一步缩小；装配方向性差；无法实现三维精度的对准。

发明内容

基于现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于深刻蚀技术的微小金属零件制备及装配方法，本发明利用金属(钛、钼、钨等)深刻蚀技术加工制备零件，并通过对准键合技术实现零件的转移装配。

1.在第一基片上，通过刻蚀、电镀或者传统机械加工技术，如精细电火花、激光切割等，得到固定结构的零件部件1；

2.复合基片制备：利用介质层/中间层键合技术，制备由零件层、中间层、支撑层组成的复合基片；

3.在复合基片的零件层上，通过刻蚀得到零件部件2；

4.在第一基片或复合基片上，包覆(喷涂、CVD等)一层介质层材料；

5.第一基片和复合基片对准键合，实现零件部件2和部件1套准装配；

6.按零件大小，将键合片划成小片；

7.零件释放，通过湿法、干法刻蚀技术去除复合基片的中间层，及步骤4包覆的介质层材料，得到一定公差配合的微机械零件；

上述步骤1、步骤3中刻蚀所需的掩膜材料可以是有机聚合物或无机物，所述的有机物例如聚对二甲苯(Parylene)、光刻胶，所述的无机物包括金属(如Ni、Al)和半导体化合物(如二氧化硅、氮化硅等)。定义掩膜图形的方式可以为光刻、丝网印刷、激光、刻蚀(包括湿法腐蚀和干法刻蚀)等；

上述步骤4中，提到的介质层材料可以为光刻胶、高聚物。

上述步骤3中，复合基片的零件层和支撑层可以为金属(钛、钼、钨等)、玻璃等材料；复合基片的中间层可以为光刻胶、Parylene、polymer、PMMA、压敏胶、热敏胶等聚合物。

上述步骤7中，提到的零件结构释放，可以是先中间层释放，使得复合基片零件层脱离支撑层，再键合层释放；可以是先键合层释放，再中间层释放；也可以是中间层和键合层同时释放。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明的零件制备、装配和释放，可广泛应用于MEMS微型零、器件的制备，如开关、齿轮、弹簧等；

该方法适用于圆片级的制备与装配，可以实现大批量零件并行加工及装配，效率高、装配精度高、一致性高、成本低；