[发明专利]微型气动/液压驱动器及其加工方法

说明书

本发明公开了一种具有褶皱薄膜的微型气动/液压驱动器及加工方法，其中，驱动器包括基底和薄膜，所述薄膜通过沉积方式直接形成在所述基底的表面上且包括贴合部和非贴合部，所述贴合部与所述基底的表面粘合，且所述非贴合部与所述基底的表面形成腔体，所述非贴合部包括可伸展或压缩变形的褶皱结构，所述腔体在流体介质的压力作用下，使得所述非贴合部膨胀并根据所述褶皱结构伸展输出所需变形或位移。本发明的驱动器位移较大、许用驱动气压较高、变形形貌可控，同时驱动器设计与微加工工艺有良好的兼容性，可以实现低成本、高一致性、小尺寸、高密度的微驱动器加工，且便于与同种器件或其他微纳器件及系统进行进一步集成。

技术领域

本发明涉及MEMS(Micro-electromechanical Systems，微机电系统)、微型医疗器械、微型机器人、微型光学器件、神经假体等技术领域，尤其涉及一种微型气动/液压驱动器及其加工方法。

背景技术

在MEMS系统中使用的微驱动器受限于驱动原理(压电、静电、电热、电致伸缩、相变等)、材料(硅、压电陶瓷、记忆合金等)及加工工艺(光刻、沉积及刻蚀等，仅能加工厚度有限的平面结构)等限制，通常具有较小的位移，较脆弱的结构，同时要求对驱动器施加高电压或高温，因此，在需要较大位移、或对电、热等变化较为敏感的领域应用受限。

微型气动/液压驱动器具有体积小，功率密度高，设计自由度高，无需施加电压及不发热等优点，在MEMS等微小系统领域拥有广泛的应用潜力，尤其是在需要较大位移变形，且对电压及温度敏感的生物医疗应用中具有突出价值。

完全由刚性材料制作的微型气动/液压驱动器加工困难且布置自由度较低，相比而言，柔性材料制作的微型气动/液压驱动器具有更高的加工兼容性，更高的设计自由度及良好的可靠性。现有的微型柔性气动/液压驱动器多使用超弹性材料(PDMS、硅橡胶及热塑性弹性体等具有类似橡胶机械性能的材料)作为驱动器的主要结构材料。用超弹性材料制作的微型气动/液压驱动器具有位移大、结构简单可靠、柔软耐用、加工设计简单的优点，但其较软的材料性质限制了这类气动器件的操作气压，导致其力输出较低。其另一缺点在于过于柔软的材料特性导致器件膨胀后通常近似球形，驱动器产生位移的区域及位移方向难以控制。此外这类材料与微加工工艺的兼容性较差，难以使用常规微加工工艺(光刻、刻蚀、沉积等)在对其进行精细加工，也难以在其上进一步集成其他微器件及系统。

由金属、高分子树脂等非超弹性材料制成的薄膜具有较高的刚度及良好的微加工工艺兼容性，可以提高微气动器件的工作气压，控制器件变形形貌并改善加工工艺兼容性。但这类材料由于其高的弹性模量及较小的延展率，所加工成的薄膜难以直接产生较大的伸展变形，因此薄膜需要具有一定的三维折叠结构，通过将折叠结构展开的方式获得较大的伸展变形。(与本发明相关)常用的折叠结构包括风箱结构及褶皱结构。其中风箱结构可以通过在高度方向(位移方向)进行多层堆叠实现较大的位移，但其较高的高度也导致加工困难，无法与常规微加工工艺兼容。相比而言，褶皱结构近似于平面结构，更易于使用微加工工艺实现。通过增加褶皱的深宽比及褶皱层数，褶皱结构也可以获得较大的变形量。

在已有文献及专利及文献存在以下几种褶皱薄膜微结构加工方法：

第一种方案使用SU-8负性光刻胶及硅等不可溶解的材料，使用光刻、深硅刻蚀(DRIE)及3D打印等方法，加工成不可牺牲的褶皱模子，随后需要将不可牺牲模子使用铸造倒模工艺转换为可溶性材料如PEG等形成的可牺牲模子，在可牺牲模子上完成褶皱薄膜制备后，使用溶剂移除可牺牲模子。其中倒模过程操作性较差，精度较低，难以实现褶皱周期较小，褶皱深宽比较高的可牺牲模，进而限制了加工小尺寸大位移的褶皱薄膜驱动器等能力。此外铸造倒模方式与微加工工艺兼容性较差，限制了与其他微加工工艺制备的器件或系统进行集成的能力。