[发明专利]一种基于石墨烯包覆镓基合金液滴的微流体惯性开关制造方法

说明书

本发明公开一种基于石墨烯包覆镓基合金液滴的微流体惯性开关制造方法，属于微机电系统微加工技术领域。该方法首先，制造石墨烯包覆的镓基合金液滴。其次，依次制作含有固定电极的玻璃盖片、含有微通道的PDMS基片。最后，将玻璃盖片和PDMS基片的表面进行氧等离子体处理，并将石墨烯包覆的镓基合金液滴放入微通道中，完成二者的键合。本发明制造的微流体惯性开关是利用具有高润滑性和高导电性的石墨烯对镓基合金液滴进行包覆，可以有效避免镓基合金的氧化层对开关中微通道表面的粘附，同时仍然可以保持液滴的良好导电特性。

技术领域

本发明属于微机电系统(MEMS)微加工技术领域，涉及一种基于石墨烯包覆镓基合金液滴的微流体惯性开关制造方法。

技术背景

微惯性开关是一种通过感知阈值加速度来实现开关通断的精密器件，因其体积小、功耗低、响应速度快等优点，被广泛应用于武器系统、汽车以及手势识别等领域。目前，微惯性开关主要分为“固-固”接触型和“固-液”接触型两大类。“固-固”接触型微惯性开关即传统机械式微惯性开关，在电极接触时存在接触磨损、信号跳变、接触电阻大等问题，影响了开关的使用性能。为了克服“固-固”接触型微惯性开关存在的问题，近年来，“固-液”接触型微惯性开关受到了国内外学者的关注。

“固-液”接触型微惯性开关又称为微流体惯性开关，大多数利用液态金属液滴作为开关的运动电极，当感知到的加速度大于开关阈值时，液态金属液滴在惯性力驱动下沿着开关中的微通道运动，从而接通开关上的固定电极实现开关的闭合。现有的液态金属液滴材料主要包括汞和镓基合金两种。2011年，韩国浦项科技大学Yoo等人研制了一种基于汞液滴的微流体惯性开关，可实现加速度达到阈值后的一次性导通。然而，汞剧毒且易挥发，基于环境和健康方面考虑，其使用范围受到一定限制。镓基合金低毒性且蒸汽压低，但极易被氧化生成一层薄的氧化层，这层氧化层容易粘附在微通道表面，从而影响开关的使用性能。2016年，南京理工大学沈腾等人研制了一种基于镓铟合金的微流体惯性开关，为了防止镓铟合金的氧化层粘附在微通道表面，在微通道表面上覆盖了一层聚四氟乙烯薄膜。

发明内容

本发明提出一种基于石墨烯包覆镓基合金液滴的微流体惯性开关制造方法，主要包括制作石墨烯包覆的镓基合金液滴、制作含有固定电极的玻璃盖片、制作含有微通道的聚二甲基硅氧烷(PDMS)基片以及键合玻璃盖片和PDMS基片四个步骤。其中，利用具有高润滑性和高导电性的石墨烯对镓基合金液滴进行包覆，可以有效避免镓基合金的氧化层对开关中微通道表面的粘附，同时仍然可以保持液滴的良好导电特性。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于石墨烯包覆镓基合金液滴的微流体惯性开关制造方法，包括以下步骤：

步骤1：制作石墨烯包覆的镓基合金液滴。

利用微量进样器抽取一定体积的镓基合金，将其滴落在铺满石墨烯粉末的培养皿中，通过晃动培养皿使镓基合金液滴在石墨烯粉末中充分滚动，即可在镓基合金液滴表面包覆一层致密均匀的石墨烯。

步骤2：制作含有固定电极的玻璃盖片。

首先，在玻璃片上依次磁控溅射一层铬薄膜和一层金薄膜，其中铬薄膜作为粘附层用于提高金薄膜与玻璃片之间的结合强度；接着，利用匀胶机在金薄膜上旋涂一层正性光刻胶，旋涂完成后依次进行前烘、曝光、显影和后烘；然后，依次对金薄膜和铬薄膜进行湿法腐蚀；最后，去除金薄膜表面剩余的正性光刻胶。

步骤3：制作含有微通道的PDMS基片。

首先，利用光刻工艺，在硅片表面制作出SU-8负性光刻胶结构，得到SU-8模具；接着，利用浇注成型工艺，将SU-8模具上的微通道结构复制到PDMS基片表面；然后，由于PDMS表面具有一定的粘性，为了防止镓基合金液滴表面包覆的石墨烯被粘到PDMS微通道表面，将PDMS表面微通道结构以外的区域覆盖上聚酰亚胺(PI)薄膜，利用化学气相沉积方法在微通道侧壁和底部沉积一层聚对二甲苯(Parylene)薄膜作为防粘层。