[发明专利]无序合金微弹簧及其制备方法与曝光台

说明书

技术领域

本发明属于微纳米技术领域，涉及一种无序合金微弹簧及其制备方法与曝光台。

背景技术

弹簧作为一种基础机械零件，几乎在人们所能接触到的领域都有着广泛的应用和不可或缺的地位。然而随着近几十年来微纳米技术迅猛发展，利用MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）技术制备的微传感器、微机械光学器件、微执行器、微型构件等微器件在各个领域取得令人瞩目的成就，器件微型化的趋势日渐显著，各领域对于微弹簧的需求日益迫切，如何将传统的机械弹簧微型化成为一项重要的课题。 

传统意义上的弹簧数百年来得到了充分的研究，拥有相对完善的制备工艺，制备工艺一般分为冷加工和热加工，通常有冷卷成形、热卷成形、淬火、回火处理、去应力过火等步骤，然而这些成熟的机械制备方法只适用于通常尺寸的弹簧且对材料的塑形有一定要求，无法制备亚毫米级别的高倔强系数微弹簧。目前微弹簧在微机电系统中的应用模式还没有系统的总结和归纳，已报道的微弹簧一般由MEMS工艺制备，例如LIGA或者UV-LIGA技术、硅基微机械加工技术和表面牺牲层技术等，上述方法通常只能制备平面结构弹簧，且材料的选择有限，无法制备出具有优异机械性能的螺旋微弹簧。 

随着弹簧尺寸的缩小，其抗压、储能能力亦会随之下降，选择一种强度比金属高且不易碎的材料制备弹簧可有效改善弹簧的力学性能。Ni-Nb基无序合金强度高，硬度高，耐腐蚀，耐摩擦，它既有金属和玻璃的优点，又克服了它们各自的弊病。无序合金的强度高于钢，硬度超过高硬工具钢，具有比较好的韧性和刚性，是制备微弹簧的理想材料,但利用其制备微弹簧需要克服传统工艺无法加工微尺寸弹簧的技术难题。

发明内容

本发明的目的是填补现有技术的空缺，提供无序合金微弹簧及其制备方法与曝光台。

具有高倔强系数和弹性极限的无序合金微弹簧，结构为螺旋型，整体尺寸在百微米量级到毫米级别，弹簧丝直径大于等于10 um；材料为Ni-Nb基无序合金材料，杨氏模量大于180GPa，弹性极限大于2%。

所述具有高倔强系数和弹性极限的无序合金微弹簧制备方法，步骤如下：

1）利用机械加工或者注塑方法，制备一个PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）光刻胶圆柱；

2）将光刻胶圆柱夹持到曝光台上进行X-ray曝光，控制曝光参数来调节微弹簧的节距和弹簧丝的直径；

3）对曝光过的光刻胶圆柱进行显影，得到显影后的制备弹簧的PMMA模具；

4）用纯度分别超过99.9%的镍和铌金属在高于3*10^-3 Pa的真空下氩气保护熔炼而成的靶材；

5）利用磁控溅射仪器和制得的靶材制备无序合金薄膜层，控制溅射时间来控制溅射厚度，溅射时使PMMA模具匀速地绕自身轴旋转，保证无序合金薄膜层的厚度均匀性；

6）先用甲基丙烯酸甲酯溶液对带有无序合金薄膜层的模具浸泡24小时，再用丙酮浸泡12小时，最后用无水乙醇浸泡清洗，释放得到直径一大一小的二个无序合金微弹簧。

步骤2）中，所述的曝光台包括光刻胶圆柱、带样品夹的旋转电机、掩膜板、步进电机、掩膜板夹具座、夹具，光刻胶圆柱夹持在带样品夹的旋转电机上，可匀速转动, 掩膜板利用夹具固定在掩膜板夹具座上，步进电机刚性联接掩膜板夹具座，可驱动掩膜板直线运动, 掩膜板中心透光小孔与光刻胶圆柱中心处等高。 

所述的X-ray曝光方法，将光刻胶圆柱夹持到带样品夹的旋转电机上进行X-ray曝光，X-ray透过掩膜板中心小孔射到光刻胶圆柱上，旋转电机以                                                的角速度匀速转动，步进电机以的速度带动掩膜板匀速移动，曝光剂量大小决定了曝光的深度，成型后弹簧丝的直径与中心透光小孔的直径相当。

用于制备无序合金微弹簧的曝光台，包括光刻胶圆柱、带样品夹的旋转电机、掩膜板、步进电机、掩膜板夹具座、夹具，光刻胶圆柱夹持在带样品夹的旋转电机上，可匀速转动, 掩膜板利用夹具固定在掩膜板夹具座上，步进电机刚性联接掩膜板夹具座，可驱动掩膜板直线运动, 掩膜板中心透光小孔与光刻胶圆柱中心处等高。