[发明专利]三维结构的整体制造

说明书

政府支持

本发明整体或部分上得到了美国陆军研究实验室的合同号为W911NF-08-2-0004、美国国家科学基金会的合同号为CMMI-07466 38和CCF-0926148、及美国空军科学研究处的合同号为FA9550-09-1-0156-DOD35CAP授予的支持。美国政府在本发明中具有一定的权利。

背景技术

微米级装置的制造由微机电结构（MEMS）技术所主导，这种技术通常涉及一个单平面基底和系列工序。同时，众多常规机器加工工序都涵盖了厘米级制造。然而毫米级的制造却遭受制造和组装问题的困扰，这些问题严重影响这个级别的微型机器人和其他功能机械装置的成本和性能。

发明概述

本文描述了多种三维结构及其制造方法。这些结构和方法的各种实施例可以包括下文描述的元件、特征及步骤的一些或全部。

通过将多个图案化层叠置并在多个选定的位置处将该多个图案化层粘结以形成一种有多个层间粘结的层压结构，可以形成一个三维结构。然后，通过使这些层中的至少一个选择性地变形以便在层之间产生间隙而同时保持这些层间粘结的至少一些，可以将该层压结构展开成一个伸展的三维构型。

该结构中的这些层可以包括至少一个刚性层和至少一个柔性层；该刚性层包括多个刚性片段，而该柔性层可以在这些刚性片段之间延伸以便起到一个接合点的作用。这些柔性层与这些刚性片段相比实质性地刚性更低，并且可以具有比该刚性高至少一个数量级（也就是高10x或高100x）的刚性；同样地，这些柔性层可以具有这些刚性层的柔性高至少10倍或至少100倍的柔性。然后可以在多个选定的位置处将这些层进行叠置和粘结以形成一种具有多个层间粘结的层压结构，并且这种层压结构在刚性片段之间的柔性层处可以被变形或挠曲以产生一种伸展的三维结构，其中，这些层在选定的粘结位置处是接合的而在其他位置处是分开的。

本文描述的方法和结构可以被用于，例如，贯穿或超出厘米级制造的整个过程（例如，对一些尺寸为从100μm至10mm的装置），并它们使得能够在这个级别大规模生产精确制造的机构、机器、及自动机器人。本文描述的部分制造技术可以与多层印刷电路板（PCB）制造中使用的那些相同、相似或同功，而部分组装技术可以与用于MEMS、折纸、及立体书的组装技术相同、相似或同功；并且，这些背景下使用的附加技术也被适配成用于本发明。

与传统MEMS相比时，对于可以使用的材料，本文中描述的方法极其多样。另外，传统的MEMS很大程度受限于材料的体积增加，然而本文描述的方法不仅能用于精确地增加图案化层，还可以用于增加完整的子部件，比如集成电路、柔性电路、致动器、电池等。本文所述的多层超平面结构的热要求还可以低得多，并且设备制造的成本也就可以低得多。更进一步地，这些方法在各种层上的加工步骤可以同时并行执行，而大部分MEMS的加工都是连续地按照顺序执行的。

这些方法还可以用来在一个装置内制造大量的装置和结构，包括工字梁、用做光开关的大型致动的反射镜、可控天线、高速大功率物理转换、及自动飞行装置。

附图简要说明

图1在一个PC-MEMS机器制造的示意性图示中示出了制造、组装和释放步骤。

图2a至图2d展示了折叠接合点的形成。

图3a至图3c示出了制造单件式机器蜜蜂的顺序层压步骤，使用了一个中间板来支撑这些锆钛酸铅（PZT）板。

图4是一个由0-90-0的碳纤维合成物制成的单层的图示。

图5是一个用于按压固化的15层扭绞的分解透视图。

图6是图5中所有15层的透视照相图（按制造的那样），在该图像的底部附近可以看到两个用于致动的PZT板。

图7是图5中准备按压固化的扭绞的透视照相图；在被捡起并放置之后可以看到一个压电板；第二个致动板在该扭绞的内腔中。

图8是将该致动器的保持在位的弹簧夹的特写照相图。

图9a和图9b提供了一个示意性透视图，示出了组装支架起作用以实现期望的组装轨迹。

图10a包括一个用箭头突出显示地有多个焊料锁定的接合点的一个单件式机器蜜蜂（mobee）；而图10b至图10d提供了使用黄铜板和焊料的折叠和锁定步骤的示意性图示。

图11是弹出组装之前的释放的单件式机器蜜蜂的透视照相图

图12是弹出组装之后的释放的单件式机器蜜蜂的透视照相图。

图13是一个环绕式框架中的一个单件式机器蜜蜂的后视角透视照相图，这个环绕式框架是通过本披露的方法从一个多层层压板组装的。