專利名稱：微機電系統的永磁體微結構集成的制造方法
技術領域：
本發明涉及的是一種微加工技術領域的制造方法，具體是一種微機電系統的 永磁體微結構集成的制造方法。
技術背景基于電磁作用原理的微驅動器是微機電系統(MEMS)常用的驅動部件之一， 各種電磁MEMS器件如電磁微馬達、電磁微執行器、電磁驅動的微泵、電磁型微開 關、磁敏微傳感器、電磁驅動微系統等受到了廣泛重視和系統研究，這一類微器 件和微系統被統稱為磁性MEMS 。在眾多的磁性MEMS器件和系統中，磁性材料發揮著關鍵作用。包括軟磁和永 磁材料，為了適應器件和系統微型化的整體要求，必須以微結構的形成適當地融 入器件之中，這樣，傳統的磁性材料加工制造技術就難以滿足磁性MEMS設計和制 造的要求，特別是永磁體微結構的集成制造技術尤其不同，為此，研究人員開發 了一系列永磁體微結構成型加工工藝。經對現有技術的文獻檢索發現，在現有的 加工工藝中，常用的精密機械單個加工工藝、掩模電鍍工藝和干法薄膜沉積再圖 形化工藝都存在一定的缺點。經對現有技術的文獻檢索發現，Yu. I. Rozenberga等在Journal of Magnetism and'Magnetic Materials (磁學與磁性材料雜志)第305巻(2006) 第 357 - 360頁發表的論文"Resin-bonded permanent magnetic films with out-of-plane magnetization for MEMS applications"(垂直磁化的樹月旨粘結 永磁體薄膜及其在微機電系統中的應用)，提出了將永磁體粉末與粘結樹脂的混合物通過絲網印刷制作成永磁體微結構，在一定程度上解決了批量加工和制造成 本的問題，永磁體微結構的磁性能也能夠在一定范圍內適當調節，但是，絲網印 刷工藝的加工尺寸和位置控制精度都不高，與微加工集成制造工藝不能夠匹配， 僅適合平面尺寸比較大的永磁體微結構成型制造，所以在集成制造的MEMS器件中 很少得到應用。 發明內容本發明為了克服適用于MEMS器件的永磁體微結構低成本高精度集成制造所 存在的困難，提出了一種微機電系統的永磁體微結構集成的制造方法，使其既能 夠實現與常規集成制造工藝相當的高精度，又能夠較大范圍內適當調節永磁體的 磁性能，同時具有相對低成本批量加工能力。本發明是通過以下技術方案實現的首先在平整的基體表面借助光刻方法制 作一次性平面型微模具，然后將新鮮配制的粘結劑與磁粉均勻混合的膏狀混合物 通過擠壓填充一次性微模具的空隙處，使填充物略高出微模具上表面，再在永磁 體磁場中固化，接著對固化后的復合結構采用研磨方法磨削掉平面微模具表面以 上的部分，使永磁體層達到設定的厚度，最后選擇性去除一次性平面微模具，形 成結構尺寸和位置都可以精確控制的永磁體微結構(陣列)。本發明所采用的相應步驟的進一步技術措施如下第一步在平整的基體表面借助光刻方法制作一次性平面型微模具。 本發明的加工方法要求基片的表面平整度能夠滿足微米級光刻精度的要求， 此外基片要具有一定的機械強度以維持加工過程中整體結構的穩定性。其中，表 面平整度要求與待加工的微結構厚度和線寬有關，待加工的永磁體微結構越厚，對基片表面平整度的要求越低， 一般情況下永磁體的厚度會顯著大于10um，所以， 基片的平均粗糙度小于lum即可，具有一定粗糙度的表面有利于提高永磁體與基 片的結合力；機械強度的要求主要體現在基片的材料種類選擇和厚度選擇方面，一般常見 的襯底材料如玻璃、單晶硅、陶瓷、金屬、復合材料甚至聚合物等都可以作為基 片材料，只要能夠在工藝過程中能夠保持化學穩定性即可，這種對襯底不敏感的 特性為該工藝的廣泛適用性奠定了基礎。基片的厚度足以在永磁體填充、擠壓和 研磨過程中保證不會發生嚴重變形即可， 一般剛度較大的材料lmm以上即可，聚 合物或者較軟的金屬則要較厚，比如2mm以上。用于永磁體微結構成型的一次性平面微模具的微結構與將要制備的永磁體 微結構成互補關系，也就是平面微模具的空隙處就是將要形成永磁體微結構的位 置，其定位f度和尺寸控制精度直接決定了永磁體微結構原位成型的能力，所以 必須選擇基于微加工技術的高精度制備方法。
根據工藝兼容性的需要， 一次性的平面微模具既可以直接由光刻膠構成，也 可以是通過光刻膠轉換而得到的金屬或者其它材料微結構，選擇的依據在于該模 具在使用過程中能否能夠經受住磁粉一膠粘劑混合物涂覆、擠壓、研磨等后續加 工，并且在需要的時候能夠選擇性刻蝕去除而不會損壞永磁體以及關聯結構。在大多數情況下，容易清除的光刻膠微模具就能夠滿足要求。光刻膠微模具 的優勢在于具有充分的工藝兼容性，且工藝過程簡單成本低，缺點是結構強度低， 可能在后續加工中受損，從而影響待成型永磁體的結構完整性；此外，還有可能 存在光刻膠與部分黏合劑不兼容的問題，也就是說光刻膠無法耐受黏合劑的作用 而被腐蝕或者溶解，破壞了微模具結構的完整性，這樣被復制的永磁體微結構的 完整性同樣難以得到保證。當光刻膠微模具不能滿足要求時，可以通過光刻膠掩模電鍍工藝制作金屬微 模具。各種能夠電鍍的金屬都可以作為微模具材料，如銅、鎳、鐵鎳、鋅、鐵等。 這些材料都具有足夠高的機械強度，也不會被有機黏合劑所腐蝕。金屬微模具的 厚度決定于光刻和不同材料掩模電鍍的能力， 一般在1微米一500微米范圍內，可 以根據需要選擇不同的光刻和電鍍材料組合實現。選擇金屬微模具同樣面臨一些難題，主要是金屬模具在永磁體形成以后的選 擇性清除問題。因為有多種金屬材料可供選擇，所以找到能夠與永磁體微結構實 現選擇性刻蝕的合適金屬材料通常并不困難，比如電鍍鋅就是能夠在弱酸和堿性 條件下較快刻蝕的活潑金屬。此外，對于大部分MEMS應用，永磁體微結構通常是鑲嵌在填充介質中間的， 也就是處于前述工藝中沒有去除微模具的狀態，這樣以來如果選擇整體設計中的 填充介質作為微模具，就不需要在工藝的最后一步去除微模具。這種情況下，除 了光刻膠之外的其它聚合物以及各種無機物都可以成為制作微模具的材料，如聚 酰亞胺、SU—8膠、環氧樹脂、氧化鋁、聚甲級丙烯酸甲酯、金屬銅等，不添加 磁粉的黏合劑固化物作為微模具尤為合適。第二步將新鮮配制的粘結劑與磁粉均勻混合的膏狀混合物通過擠壓填充一次性微模具的空隙處。膏狀混合物是由磁粉和黏合劑混合形成，磁粉與黏合劑之間的質量比在10: 1一1: l之間，磁粉是釤鈷系或者鐵氧體系的永磁體粉，或者是聚合物包覆的釹 鐵硼永磁伴粉，粉體的顆粒直徑在20—0. 1微米之間。磁粉的種類和性質根據目標永磁體的性能要求確定， 一般性要求與常規粘結 永磁體制備工藝相同。用于制造粘結永磁體的各種預先處理的磁粉都可以使用，如包覆釹鐵硼磁 粉、鐵氧體磁粉、釤鈷合金磁粉等。參照粘結永磁體的磁性能與材料構成關系規 律，考慮磁粉與黏合劑混合物的成型性，確定磁粉與黏合劑的配比。黏合劑比例 越低，越有利于提高永磁體的磁性能，但是比例太低難以保證混合物的成型性， 也不利于保證永磁體微結構在使用過程中的穩定性。最常用的黏合劑是環氧樹脂黏合劑，因為它們通常可以通過與固化劑的常溫 化學反應而實現固化。此外還可以采用熱固性樹脂。選擇熱固性樹脂必須考慮磁粉的耐溫特性，像 釹鐵硼等高性能磁粉，它們可以耐受的最高溫度較低，通常難以采用熱固性樹脂 作為黏合劑。紫外光固化黏合劑同樣可以采用，這方面一個典型的例子是SU—8膠，它可 以通過紫外光照加后續熱處理而實現固化，但是，它不能夠用于較厚微結構的固 化，因為添加大量磁粉的這類光敏聚合物透光度變得很低，紫外光難以深入微結 構表層以內，整體固化面臨嚴峻技術障礙。磁粉與黏合劑的混合要充分而且迅速，中等強度的持續機械攪拌就可以使磁 粉與黏合劑混合均勻，因為黏合劑對磁粉表面必定是浸潤性良好的，否則難以實 現良好結合。過分強烈的攪拌和碾壓有可能導致磁粉形態改變，而磁粉的微觀形 態往往是磁粉保證高性能的因素之一，所以不能夠隨意破壞。磁粉的填涂采用常規的膏狀物涂布工藝，類似用于鉛蓄電池鉛膏涂覆到板柵 上去的方法，少量操作可以采用簡單的手工刮涂方法，大量則可以用機器操作。刮涂就是首先將過量的磁粉一黏合劑混合物涂覆到微模具表面，按壓或者滾 壓使之充分填充微模具空隙處，然后輕輕刮掉上層多余混合物，并使留下的涂層 厚度高出微模具上表面，以保證所有微模具都能夠填滿，同時可以降低填充操作 的難度。第三步磁場中固化和研磨加工。將涂覆以后的微模具，按照永磁體對磁極方向的要求置入強的外加磁場中磁
化，同時按照黏合劑固化條件的溫度要求保溫固化一定時間，使填充混合物充分 固化。外加的磁化磁場由矩形稀土磁鐵提供，磁場強度按照磁粉矯頑力大小設定， 一般要顯著大于磁粉的矯頑力。固化后的涂層用平面砂輪磨盤或者砂紙研磨，從粗到細，依次研磨平整，直 到微模具上表面全部露出，再用2000號細砂磨盤研磨至需要的厚度。第四步去除微模具。微模具去除必須采用選擇性刻蝕或者剝離工藝，不能夠采用機械操作方法，這樣才能夠保證永磁體結構完整性。如果是以光刻膠制作的微模具，采用溶劑溶解方法，如快速溶劑浸泡和稀釋 的堿液浸洗就能夠達到目的；如果采用金屬微模具，選用選擇性刻蝕工藝，需要 根據工藝兼容性要求選擇合適的刻蝕液配方， 一般要求刻蝕速度快、選擇性好， 以避免對永磁體形成損害。通過上述工藝步驟加工制作的永磁體微結構的優點是能夠兼顧加工精度、磁 性能和制造成本幾個方面因素。與掩模電鍍工藝相比，該工藝既具有掩模電鍍技 術所擁有的高精度批量加工能力，同時突破了掩模電鍍工藝僅能夠制作可電鍍永 磁材料的限制，還有效克服了厚膜結構內應力所造成的結構脫落問題；與絲網印 刷工藝相比，基于光刻技術的一次性微模具使加工精度和定位精度大幅度提高到 微米甚至亞微米水平，能很好地匹配常規的集成微加工工藝。所以，本發明的工 藝技術可以更好地滿足MEMS器件對永磁體微結構的要求。
圖l是本發明以圖形化光刻膠作為一次性微模具的流程圖。 圖2是本發明以金屬制作的一次性微模具的流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案 為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護 范圍不限于下述的實施例。如圖1所示，其中1是基片，2是光刻膠，3是粘結永磁體。圖l中不同微結構 剖面對應的加工工藝步驟如下la是基體表面涂敷光刻膠后的結果；lb是光刻膠層通過光刻、顯影后所形成光刻膠微結構，在本發明中被稱為一次性平面微模具；1C是將混合后的膏狀永磁體填涂到平面微模具表面并且固化以后的結果； Id是研磨去掉微模具上表面永磁體多于部分之后得到的微模具和硬磁頭復合微結構；le是去掉微模具之后得到的永磁體微結構陣列。如圖2所示，是以金屬制作的一次性微模具實現永磁體微結構集成制造的工 藝流程示意圖，其金屬微模具是通過光刻掩模電鍍工藝制造的。其中l是基片，2 是光刻膠，3是粘結永磁體，4是用于制作微模具的電鍍金屬微結構，5是基片上 表面金屬化層，如果采用表面可以電鍍的金屬基體，則可以省去該金屬化層。圖2中不同微結構剖面對應的加工工藝步驟如下2a是表面金屬化基體涂敷光刻膠后的結果；2b是連續的光刻膠層通過光刻、顯影后所形成光刻膠微結構，是制備一次 性平面微模具的過渡模版；2c是掩模電鍍金屬之后得到的鍍層厚度與光刻膠微結構相當的金屬 一 光 刻膠復合結構層；2d是去掉光刻膠微結構，并選擇性清除暴露部分的金屬化打]g層后得到的一次性平面微模具；2e是將混合后的膏狀永磁體填涂到平面微模具表面并且固化以后的結果； 2f是研磨去掉微模具上表面永磁體多余部分之后得到的微模具和硬磁頭復合微結構；2g是去掉微模具之后得到的永磁體微結構陣列。在上述兩種典型工藝流程中，最后的一步的一次性微模具可以保留，直接作 為永磁體微結構的填充介質使用，這種情況更多出現在以非金屬材料制作一次性 平面微模具的情況下。實施例l: 主要材料- 基片3毫米厚光學玻璃基片一次性平面微模具材料光刻膠(AZ4620)磁粉粘結釹鐵硼磁粉(上海希科磁性材料廠) 粘結劑環氧樹脂膠粘劑(504膠，浙江黃巖助劑廠)首先用丙酮和去離子水順序清洗光學玻璃基片，烘干干燥旋涂22微米厚 AZ4620光刻膠，常規紫外光刻形成平面微模具圖案，圖案的空隙處是長度50微米、 寬度30微米的長方形淺槽陣列，也就是將要成型的永磁體的位置。按照環氧樹脂與固化劑質量比為2: l的比例，調配總質量為15克的504膠， 再取經過包覆處理的釹鐵硼磁粉50克加入504膠黏合劑中，邊加邊攪拌，直至混 合均勻為止。用不銹鋼刮刀取混合后的膏狀物適量，涂抹到帶有平面微模具的玻璃片表 面，輕輕攤開涂抹均勻，以刮刀傾斜刀口擠壓磁粉一粘結劑膏狀物，使之完全填 充微模具空隙處且充分壓實，保證填涂物上表面高于微模具上表面。用磁極間隙可調的矩形磁鐵，將涂覆后的基片背面貼著矩形磁鐵的磁極表面 安置，調節另一個磁極使兩磁極間隙縮小到一厘米以增加磁場強度。此時極間磁 場強度達到20000高斯以上。室溫保持24小時固化。固化完成后，首先用粗砂平面磨盤研磨基片附著粘結永磁體的表面，直到光 刻膠上表面以上永磁體的厚度小于2 — 3微米，換成開槽銅磨盤用顆粒直徑2微米 的金剛石研磨膏研磨至作為平面模具的光刻膠上全部表面暴露，換磨盤改用顆粒 直徑0.5微米的金剛石研磨膏繼續研磨減薄，用測微顯微鏡檢測研磨進度，控制 剩余永磁體高度在20微米，停止研磨。將研磨后的基片放入丙酮中，攪動約1一2分鐘，即可溶解清除光刻膠，留下 的就是長度50微米、寬度30微米、厚度20微米的粘結永磁體陣列，三個方向上加 工尺寸控制和定位精度都達到了土2 !i m的水平。由于使用了性能優越的釹鐵硼磁粉，永磁體的矯頑力大于3500高斯。實施例2: 主要材料-基片3毫米厚光學玻璃基片
一次性平面微模具材料金屬鋅磁粉釤鈷磁粉(上海希科磁性材料廠) 粘結劑原位合成聚甲級丙烯酸甲酯 首先用丙酮和去離子水順序清洗光學玻璃基片，烘干干燥后濺射沉積Cr/Cu 種子層，Cr粘結層厚度5納米，Cu電鍍種子層厚度10納米。然后旋涂24微米厚 AZ4620光刻膠，常規紫外光刻形成平面光刻膠微模具圖案，圖案中有光刻膠的部 分是長度50微米、寬度30微米、厚度24微米的長方體陣列，它們也就是將要成型 的永磁體的位置。用高速硫酸鋅鍍液對光刻后的帶圖案基片進行掩模電鍍加工，在光刻暴露的 種子層上生長22微米后的金屬鋅鍍層，去膠后形成鋅的網狀微結構，前述光刻膠 陣列轉化成為用于永磁體成型的空隙處。掩模電鍍鋅的鍍液組成及工作條件如下鍍液由300g/l的硫酸鋅、100g/l硫酸鈉和光良劑組成，工作條件電流密度 40mA/cm2， PH=5，溫度25°C，，電鍍時間30分鐘。取甲級丙烯酸甲酯10克，用溶劑溶解后加入引發劑l克，混合均勻。向其中 加入40克釤鈷磁粉，邊加邊攪拌，直至混合均勻為止。用不銹鋼刮刀取混合后的膏狀物適量，涂抹到帶有平面微模具的玻璃片表 面，輕輕攤開涂抹均勻，以刮刀傾斜刀口擠壓磁粉一粘結劑膏狀物，使之完全填 充微模具空隙處且充分壓實，保證填涂物上表面高于微模具上表面。用磁極間隙可調的矩形磁鐵，將涂覆后的基片背面貼著矩形磁鐵的磁極表面 安置，調節另一個磁極使兩磁極間隙縮小到一厘米以增加磁場強度，此時極間磁 場強度達到20000高斯以上。室溫保持24小時固化。固化完成后，取下附有粘結永磁體的玻璃片，首先用粗砂平面磨盤研磨基片 附著粘結永磁體的表面，直到金屬鋅網格上表面以上永磁體的厚度小于2 — 3微 米，換成開槽銅磨盤用顆粒直徑2微米的金剛石研磨膏研磨至作為平面模具的金 屬鋅上全部表面暴露，換磨盤改用顆粒直徑O. 5微米的金剛石研磨膏繼續研磨減 薄，用測微顯微鏡檢測研磨進度，控制剩余永磁體高度在20微米，停止研磨。將研磨后的基片放入5%稀鹽酸中，攪動約3分鐘，即可溶解清除金屬鋅網格 結構，留下的就是長度50微米、寬度30微米、厚度20微米的粘結永磁體陣列。
永磁體微結構三個方向上的尺寸控制精度和定位精度都達到了土2 P m水平， 永磁體的矯頑力達到1500高斯。 實施例3:主要材料基片3毫米厚光學玻璃基片 一次性平面微模具材料金屬銅磁粉鐵氧體磁粉(寧波韻升有限公司)粘結劑SU—8膠(Microchem. Co) 首先用丙酮和去離子水順序清洗光學玻璃基片，烘干干燥后濺射沉積Cr/Cu 種子層，Cr粘結層厚度5納米，Cu電鍍種子層厚度10納米。然后旋涂24微米厚 AZ4620光刻膠，常規紫外光刻形成過渡性光刻膠模版，模版中有光刻膠的部分是 長度50微米、寬度30微米、厚度24微米的長方體陣列，它們也就是將要成型的永 磁體的位置。用高分散性硫酸銅鍍液對光刻后的帶圖案基片進行掩模電鍍加工，在光刻暴 露的種子層上生長24微米左右的金屬銅鍍層，去膠后形成銅的網狀微結構，前述 光刻膠陣列轉化成為用于永磁體成型的空隙處。掩模電鍍銅的鍍液組成及工作條件如下鍍液由100g/l的硫酸銅、180g/l硫酸和適量光良劑(MHT，華美電鍍材料公 司)組成，工作條件電流密度約20mA/cm2，溫度;25'C，電鍍時間60分鐘。取SU—8膠(SU—85) 10克，向其中加入50克鐵氧體磁粉，邊加邊攪拌，直 至混合均勻為止。用不銹鋼刮刀取混合后的膏狀物適量，涂抹到帶有平面微模具的玻璃片表 面，輕輕攤開涂抹均勻，以刮刀傾斜刀口擠壓磁粉一粘結劑膏狀物，使之完全填 充微模具空隙處且充分壓實，保證填涂物上表面高于微模具上表面。將基片涂覆磁粉與SU-8膠混合物的一面向上置入光刻機曝光用紫外光下，直 接曝曬5分鐘，以生成固化引發劑。用磁極間隙可調的矩形磁鐵，將涂覆后的基片背面貼著矩形磁鐵的磁極表面 安置，調節另一個磁極使兩磁極間隙縮小到一厘米以增加磁場強度，此時極間磁 場強度達到20000高斯以上。90。C保溫固化3小時。
固化完成后，取下附有粘結永磁體的玻璃片，首先用粗砂平面磨盤研磨基片 附著粘結永磁體的表面，直到金屬銅網格上表面以上永磁體的厚度小于2 — 3微 米，換成開槽銅磨盤用顆粒直徑2微米的金剛石研磨膏研磨至作為平面模具的金 屬銅上全部表面暴露，換磨盤改用顆粒直徑O. 5微米的金剛石研磨膏繼續研磨減 薄，用測微顯微鏡檢測研磨進度，控制剩余永磁體高度在20微米，停止研磨。將研磨后的基片放入10%稀鹽酸和2%雙氧水的混合溶液中，攪動約10分鐘， 即可溶解清除金屬銅網格結構，留下的就是長度50微米、寬度30微米、厚度20 微米的粘結永磁體陣列。永磁體微結構三個方向上的尺寸控制精度和定位精度都達到了土2 u m水平， 由于采用鐵氧休磁粉，所以永磁體的矯頑力達到500高斯。實施例4: 主要材料-基片3毫米厚光學玻璃基片平面微模具材料環氧樹脂膠(504膠，浙江黃巖化學助劑廠) 磁粉釤鈷磁粉(寧波韻升有限公司) 粘結劑環氧樹脂膠(504膠，浙江黃巖助劑廠)首先用丙酮和去離子水順序清洗光學玻璃基片，烘干干燥后旋涂22微米厚 AZ4620光刻膠，常規紫外光刻形成平面光刻膠微模具圖案，圖案中有光刻膠的部 分是長度50微米、寬度30微米、厚度24微米的長方體陣列，它們也就是將要成型 的永磁體的位置。 ，按照環氧樹脂與固化劑質量比為2: l的比例，調配100克環氧樹脂膠，直接 涂覆到光刻膠微結構表面，使環氧樹脂膠的上表面略高出光刻膠頂面，擱置固化。用1000號水砂紙研磨固化后的復合結構，到光刻膠露出為止。用2%氫氧化 鈉溶液室溫浸泡3分鐘，清除光刻膠微結構。按照環氧樹脂與固化劑質量比為2: l的比例，調配總質量為15克的504膠， 再取經過包覆處理的釹鐵硼磁粉50克加入504膠黏合劑中，邊加邊攪拌，直至混 合均勻為止。 ，用不銹鋼刮刀取混合后的膏狀物適量，涂抹到帶有平面微模具的玻璃片表 面，輕輕攤開涂抹均勻，以刮刀傾斜刀口擠壓磁粉一粘結劑膏狀物，使之完全填 充微模具空隙處且充分壓實，保證填涂物上表面高于微模具上表面。用磁極間隙可調的矩形磁鐵，將涂覆后的基片背面貼著矩形磁鐵的磁極表面 安置，調節另一個磁極使兩磁極間隙縮小到一厘米以增加磁場強度，此時極間磁 場強度達到20000高斯以上。室溫保持24小時固化。固化完成后，取下附有粘結永磁體的玻璃片，首先用粗砂平面磨盤研磨基片 附著粘結永磁體的表面，直到環氧樹脂網格上表面以上永磁體的厚度小于2 —3 微米，換成開槽銅磨盤用顆粒直徑2微米的金剛石研磨膏研磨至作為平面模具的 環氧樹脂膠上全部表面暴露，換磨盤改用顆粒直徑O. 5微米的金剛石研磨膏繼續 研磨減薄，用測微顯微鏡檢測研磨進度，控制剩余永磁體高度在20微米，停止研 磨。填充在環氧樹脂中間的永磁體結構直接應用到微器件中，不再去除外圍的填 充介質。永磁體微結構三個方向上的尺寸控制精度和定位精度都可以達到土2 n m水 平，由于使用同一體系的填充介質，所以永磁微結構與壤充介質的結合優越。實施例5:主要材料基片2毫米厚金屬銅板，表面粗糙度(Ra) 100nm 平面微模具材料SU—8膠(SU—85， Microchem. Co.) 磁粉釤鈷磁粉(寧波韻升有限公司) 粘結劑環氧樹脂膠(504膠，浙江黃巖助劑廠) 首先用丙酮和去離子水順序清洗金屬基片，烘干干燥后旋涂SU-85光刻膠， 膠厚不小于22txm，常規紫外光刻形成平面光刻膠微模具圖案，圖案中沒有光刻 膠的部分是長度50微米、寬度30微米、厚度24微米的長方體陣列，它們也就是將 要成型的永磁體的位置，其網格骨架由SU—8膠固化形成，作為永久性微模具使 用。按照環氧樹脂與固化劑質量比為2: l的比例，調配總質量為15克的504膠， 再取經過包覆處理的釹鐵硼磁粉30克加入504膠黏合劑中，邊加邊攪拌，直至混
合均勻為止。用不銹鋼刮刀取混合后的膏狀物適量，涂抹到帶有平面微模具的銅板表面， 輕輕攤開涂抹均勻，以刮刀傾斜刀口擠壓磁粉一粘結劑膏狀物，使之完全填充微 模具空隙處且充分壓實，保證填涂物上表面高于微模具上表面。用磁極間隙可調的矩形磁鐵，將涂覆后的基片背面貼著矩形磁鐵的磁極表面 安置，調節另一個磁極使兩磁極間隙縮小到一厘米以增加磁場強度，此時極間磁 場強度達到20000高斯以上。室溫保持24小時固化。固化完成后，取下附有粘結永磁體的金屬基片，首先用粗砂平面磨盤研磨基 片附著粘結永磁體的表面，直到環氧樹脂網格上表面以上永磁體的厚度小于2 — 3 微米，換成開槽銅磨盤用顆粒直徑2微米的金剛石研磨膏研磨至作為平面模具的 環氧樹脂膠上全部表面暴露，換磨盤改用顆粒直徑O. 5微米的金剛石研磨膏繼續 研磨減薄，用測微顯微鏡檢測研磨進度，控制剩余永磁體高度在20微米，停止研 磨。填充在SU-8膠網格之間的永磁體微結構直接應用到微器件中，不再去除作為 填充介質的SU-8網格結構。永磁體微結構三個方向上的尺寸控制精度和定位精度都可以達到土2iim水 平，由于永磁體與填充介質均含有聚合物，所以永磁微結構與填充介質的結合良 好。
權利要求
1、一種微機電系統的永磁體微結構集成的制造方法，其特征在于，包括以下步驟首先在平整的基體表面借助光刻方法制作一次性平面型微模具；然后將新鮮配制的粘結劑與磁粉均勻混合的膏狀混合物通過擠壓填充一次性微模具的空隙處，使填充物高出微模具上表面；再在永磁體磁場中固化；接著對固化后的復合結構采用研磨方法磨削掉平面微模具表面以上的部分，使永磁體層達到設定的厚度；最后選擇性去除一次性平面微模具，形成永磁體微結構。
2、 如權利要求1所述的微機電系統的永磁體微結構集成的制造方法，其特 征是，所述一次性平面型微模具是通過光刻工藝圖形化的光刻膠微結構，或是通 過掩模電鍍工藝制作的金屬微結構，微模具的單層厚度在1微米到500微米之間。
3、 如權利要求1所述的微機電系統的永磁體微結構集成的制造方法，其特 征是，所述的一次性平面微模具，其材料包括能夠直接光刻圖形化的各種光刻膠 和非光刻膠類聚合物材料，以及能夠采用掩模電鍍成型的各種金屬材料中的一 種。
4、 如權利要求3所述的微機電系統的永磁體微結構集成的制造方法，其特 征是，所述的非光刻膠類聚合物材料為環氧樹脂、甲基丙烯酸甲酯、聚酰亞胺。
5、 如權利要求1所述的微機電系統的永磁體微結構集成的制造方法，其特 征是，所述膏狀混合物是由磁粉和黏合劑混合形成，磁粉與黏合劑之間的質量比 在10: 1 — 1: l之間，磁粉是釤鈷系或者鐵氧體系的永磁體粉，或者是聚合物包 覆的釹鐵硼永磁體粉，粉體的顆粒直徑在20_0. 1微米之間。
6、 如權利要求1或5所述的微機電系統的永磁體微結構集成的制造方法， 其特征是，所述黏合劑采用能夠室溫固化的環氧樹脂類膠粘劑。，
7、 如權利要求1或5所述的微機電系統的永磁體微結構集成的制造方法， 其特征是，所述膏狀混合物通過刮涂填充平面微模具的空隙處，擠壓使之完全充 滿，并且使固化前永磁體的上表面高出微模具表面l微米以上。
8、 如權利要求7所述的微機電系統的永磁體微結構集成的制造方法，其特 征是，所述固化前永磁體的上表面高出微模具表面10微米以上。
9、 如權利要求1所述的微機電系統的永磁體微結構集成的制造方法，其特 征是，所述固化，其過程是在高強度磁場中進行的，磁場強度要高于所用磁粉矯 頑力的2倍。
10、 如權利要求1所述的微機電系統的永磁體微結構集成的制造方法，其特征是，所述去除一次性平面微模具，是指光刻膠微模具采用溶劑溶解方法，金 屬微模具則選用選擇性刻蝕工藝。
全文摘要
一種微機電系統的永磁體微結構集成的制造方法，首先在平整的基體表面借助光刻方法制作一次性平面型微模具，然后將新鮮配制的粘結劑與磁粉均勻混合的膏狀混合物通過擠壓填充一次性微模具的空隙處，使填充物略高出微模具上表面，然后在永磁體磁場中固化，接著對固化后的復合結構采用研磨方法磨削掉平面微模具表面以上的部分，使永磁體層達到設定的厚度，最后選擇性去除一次性平面微模具，形成結構尺寸和位置都可以精確控制的永磁體微結構。本發明擁有較好的尺寸控制精度，并且具有與常規微加工工藝兼容。
文檔編號H01F41/00GK101162645SQ20071004794
公開日2008年4月16日 申請日期2007年11月8日 優先權日2007年11月8日
發明者丁桂甫, 姚錦元 申請人:上海交通大學