一種用于微機(jī)電系統(tǒng)的磁場調(diào)控的智能器件及其制備方法
【專利摘要】一種用于微機(jī)電系統(tǒng)的磁場調(diào)控的智能器件及其制備方法，屬于微機(jī)電系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】。該智能器件含有一對(duì)間距為微米量級(jí)的相互平行的第一平板及第二平板；第一平板為表面鍍有金屬膜的介質(zhì)板，第二平板由基板和復(fù)合物小球構(gòu)成。將該器件置于外加磁場中，利用第二平板的磁導(dǎo)率的磁場可調(diào)控原理實(shí)現(xiàn)兩板間Casimir力在吸引-零-排斥之間的轉(zhuǎn)換，從而為防止通常情況下由于Casimir引力造成的MEMS器件間的粘附失效提供了一種有效方法，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了MEMS的磁場調(diào)控。本發(fā)明對(duì)于減小MEMS器件的摩擦磨損，延長MEMS的壽命，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)MEMS的有效控制等具有重要意義，可在MEMS設(shè)計(jì)制造、智能控制、電磁領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
【專利說明】—種用于微機(jī)電系統(tǒng)的磁場調(diào)控的智能器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及ー種用于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的智能器件，特別涉及一種磁場可調(diào)的智能器件，屬于微機(jī)電【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來對(duì)于各種異常力的研究成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)，Casimir (克什米爾)カ便是其中的ー種。Casimirカ是作用于兩宏觀物體間的自發(fā)形成的電磁力，當(dāng)物體間距較小時(shí)，該カ的作用凸顯出來。通常兩物體間的Casimir力表現(xiàn)為引力，在微機(jī)電系統(tǒng)中易引起器件間的粘附失效。為解決這ー問題，人們希望能夠?qū)asimir力由吸引轉(zhuǎn)化為排斥以防止粘附失效，并有效調(diào)控該力的大小，從而進(jìn)ー步實(shí)現(xiàn)對(duì)MEMS的智能控制。
[0003]目前實(shí)現(xiàn)Casimir力排斥的方法主要停留在理論研究階段，其中基于Boyer理論的方法，即令相互作用的兩物體之一為滿足ei(il)>yi(il)的電性板，之ニ為滿足e2(U)〈ii2(U)的磁性板，受到了研究者的關(guān)注。e (U)與ii (U)分別為物體在虛頻域中的介電常數(shù)及磁導(dǎo)率常數(shù)。對(duì)于eJil)的條件，很多金屬及非金屬材料均能滿足。然而對(duì)于e2(il)〈y2(il)的條件，利用自然磁性材料(如鐵氧體等)及普通磁性電介質(zhì)超材料均難以滿足，因此如何構(gòu)造符合條件的磁性材料便成了解決問題的關(guān)鍵。此夕卜，在調(diào)控Casimir力的研究方面，目前尚未有任何實(shí)驗(yàn)研究成果，已有的理論方法如利用拓?fù)浣^緣體或表面鍍膜等方法均増加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，阻礙了對(duì)MEMS的進(jìn)ー步控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種用于微機(jī)電系統(tǒng)的磁場調(diào)控的智能器件及其制備方法，能夠?qū)asimir力吸引轉(zhuǎn)化為排斥，從而減小粘附失效，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)的磁場調(diào)控。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0006]一種用于微機(jī)電系統(tǒng)的磁場調(diào)控的智能器件，其特征在干:該智能器件含有間距為微米量級(jí)的兩個(gè)相互平行的第一平板和第二平板；第一平板為表面鍍有金屬膜的介質(zhì)板，第二平板由基板、復(fù)合物小球組成，基板上均勻分布有小孔，復(fù)合物小球置于基板的小孔中，復(fù)合物小球是由納米磁性顆粒均勻分散至電介質(zhì)媒質(zhì)中形成。
[0007]本發(fā)明所述的小孔排成方形陣列或圓形陣列。所述納米磁性顆粒在室溫下為金屬納米超順磁顆粒，金屬納米超順磁顆粒熔點(diǎn)高于電介質(zhì)媒質(zhì)，金屬納米超順磁顆粒在電介質(zhì)媒質(zhì)中的填充率も〈0.5。所述復(fù)合物小球在基板上的填充率f2〈0.5。所述第一平板表面所鍍金屬膜厚度t在20 ii m?100 ii m。所述電介質(zhì)媒質(zhì)的介電常數(shù)在0到3之間。
[0008]本發(fā)明還提供了一種用于微機(jī)電系統(tǒng)的磁場調(diào)控的智能器件及其制備方法，該方法包括如下步驟:
[0009]I)將介質(zhì)板表面拋光；
[0010]2)采用磁控濺射方法在介質(zhì)板表面鍍金屬膜形成第一平板；[0011]3)利用化學(xué)還原反應(yīng)制備納米超順磁顆粒，制備時(shí)需先判斷納米超順磁顆粒的臨界尺寸Rtl= (6kBT/K)1/3，其中kB為玻爾茲曼常數(shù)，T為溫度，K為各向異性常數(shù)，只有當(dāng)納米磁性顆粒半徑IKRtl時(shí)才能表現(xiàn)為超順磁性；
[0012]4)利用微流體法將納米超順磁顆粒均勻分散至電介質(zhì)媒質(zhì)中形成復(fù)合物小球；
[0013]5)利用聚焦離子束加工方法在基板上加工出方形或圓形陣列排布的小孔；
[0014]6)利用自組裝技術(shù)在小孔中填充復(fù)合物小球形成陣列，即得第二平板；
[0015]7)將得到的第一平板和第二平板平行放置，得到用于微機(jī)電系統(tǒng)的磁場調(diào)控的智能器件。
[0016]本發(fā)明所述方法中，步驟4)中所述的微流體法的具體操作過程如下:首先將電介質(zhì)媒質(zhì)加熱至熔融狀態(tài)，將一部分熔融電介質(zhì)媒質(zhì)與納米超順磁顆粒混合均勻，輸送至內(nèi)導(dǎo)管中，將剩余部分的熔融電介質(zhì)媒質(zhì)輸送至外導(dǎo)管中，外導(dǎo)管套在內(nèi)導(dǎo)管之外；由于導(dǎo)管兩端的壓カ差，熔融電介質(zhì)媒質(zhì)在管ロ處形成球體，球體內(nèi)部包覆有納米超順磁顆粒與熔融電介質(zhì)媒質(zhì)的混合物；將熔融物固化后得到復(fù)合物小球。
[0017]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果:該智能器件利用第一平板表面金屬的強(qiáng)介電特性及構(gòu)成第二平板的復(fù)合物小球的高頻磁響應(yīng)特性實(shí)現(xiàn)Casimir力排斥,有效減小了粘附失效；根據(jù)第二平板的磁導(dǎo)率隨外加磁場變化的性質(zhì)，通過改變外加磁場強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)對(duì)Casimir力大小的調(diào)控,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)MEMS的磁場控制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明提供的一種用于微機(jī)電系統(tǒng)的磁場調(diào)控的智能器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2為第二平板的示意圖。
[0020]圖3為利用磁場實(shí)現(xiàn)可調(diào)Casimir力的示意圖。
[0021]圖4為無外加磁場時(shí)第一平板與第二平板相互作用的Casimir力曲線。
[0022]圖5施加靜磁場Htl，不同的磁場強(qiáng)度下分別對(duì)應(yīng)的第二平板的磁導(dǎo)率的虛部Uimag(?)隨頻率《的變化曲線。
[0023]圖6施加靜磁場Htl，不同的磁場強(qiáng)度下分別對(duì)應(yīng)的第一平板與第二平板相互作用的Casimir力曲線。
[0024](注:圖4，5，6曲線均根據(jù)實(shí)施例所述情形繪出)
[0025]圖7微流體法示意圖。
[0026]圖中:1-第一平板；2_第二平板；3_納米磁性顆粒；4_電介質(zhì)媒質(zhì)；5_復(fù)合物小球;6-基板；7-小孔；8-外導(dǎo)管；9-內(nèi)導(dǎo)管。
【具體實(shí)施方式】
[0027]圖1為本發(fā)明提供的一種用于微機(jī)電系統(tǒng)的磁場調(diào)控的智能器件示意圖，該器件含有第一平板I與第二平板2，其中第一平板為表面鍍有金屬膜(如金、銀、鋁膜等)的介質(zhì)板，所鍍金屬膜厚度t在20 ii m~100 ii m。第二平板2由基板6及復(fù)合物小球5組成，基板上均勻分布有小孔，復(fù)合物小球5置于基板6上的小孔中，由納米磁性顆粒均勻分散至電介質(zhì)媒質(zhì)4中形成；電介質(zhì)媒質(zhì)的介電常數(shù)在0到3之間，如聚乙烯顆粒、聚丙烯顆粒、聚苯乙烯材料等均滿足要求；復(fù)合物小球5在基板上的填充率f2〈0.5 ;基板上的小孔排成方形陣列或圓形陣列；構(gòu)成復(fù)合物小球的納米磁性顆粒在室溫下為金屬納米超順磁顆粒，顆粒熔點(diǎn)高于電介質(zhì)媒質(zhì)，在電介質(zhì)媒質(zhì)中的填充率も〈0.5，此處的金屬納米超順磁顆粒可以選取為納米超順磁鐵、鈷、鎳等顆粒。該器件利用第一平板獲得較高的介電常數(shù)，滿足E1(IO)U1(Il)的條件；同時(shí)利用第二平板獲得高頻磁響應(yīng)特性及較小的介電常數(shù)，滿足e2(il)〈ii2(il)的條件，此時(shí)將兩板平行放置，當(dāng)兩板間距大于某一數(shù)值時(shí)，兩板間的相互作用力表現(xiàn)為Casimir斥力，該斥力能夠防止兩平板表面間的粘附失效。進(jìn)ー步利用第二平板的磁導(dǎo)率隨外加磁場變化的特性，為該器件施加ー靜磁場，通過改變靜磁場強(qiáng)度有效對(duì)作用于該器件的Casimirカ進(jìn)行調(diào)控。
[0028]第一平板I的構(gòu)造過程為:首先準(zhǔn)備ー塊足夠大的介質(zhì)板，將其表面拋光，然后利用磁控濺射方法在該介質(zhì)板表面鍍ー層金屬膜，形成第一平板。
[0029]第二平板2的構(gòu)造過程為:首先利用化學(xué)還原反應(yīng)制備單分散度較好的納米超順磁顆粒，制備時(shí)需先判斷納米超順磁顆粒的臨界尺寸Ro=(6kBT/K)1/3，其中kB為玻爾茲曼常數(shù)，T為溫度，K為各向異性常數(shù)，之后通過還原反應(yīng)得到IKRtl的納米超順磁顆粒。以納米超順磁鎳顆粒為例，將鎳的氯化物溶入乙二醇中，之后向其中加入一定量的肼和NaOH溶液，在60°C條件下攪拌I小時(shí)，發(fā)生反應(yīng)2Ni2++N2H4+40H_ — 2Ni+N2+4H20，得到納米超順磁鎳顆粒。之后采用微流體法將納米超順磁顆粒分散至電介質(zhì)媒質(zhì)中形成復(fù)合物小球，圖7為微流體法生產(chǎn)復(fù)合物小球的示意圖，具體過程為:首先將電介質(zhì)媒質(zhì)加熱至熔融狀態(tài)，將一部分熔融電介質(zhì)媒質(zhì)與納米超順磁顆?；旌暇鶆?，輸送至內(nèi)導(dǎo)管中，將剩余部分熔融電介質(zhì)媒質(zhì)輸送至外導(dǎo)管中，外導(dǎo)管套在內(nèi)導(dǎo)管之外，由于導(dǎo)管兩端的壓カ差，熔融電介質(zhì)媒質(zhì)在管ロ處形成球體，球體內(nèi)部包覆有納米超順磁顆粒與熔融電介質(zhì)媒質(zhì)的混合物，通過紫外線照射等方法將熔融物固化后得到復(fù)合物小球。利用聚焦離子束方法在基板上加工出方形或圓形陣列的小孔，利用自組裝技術(shù)在小孔中填充復(fù)合物小球，即得到第二平板，如圖2所示。將所得兩板平行放置，間距為微米量級(jí)，構(gòu)造成用于微機(jī)電系統(tǒng)的磁場調(diào)控的智能器件。
[0030]本發(fā)明的工作機(jī)理如下:
[0031]根據(jù)Lifshitz理論，兩無限大平行平板間相互作用的Casimir力可表示為
【權(quán)利要求】
1.一種用于微機(jī)電系統(tǒng)的磁場調(diào)控的智能器件，其特征在于:該智能器件含有間距為微米量級(jí)的兩個(gè)相互平行的第一平板(I)和第二平板(2);所述的第一平板(I)為表面鍍有金屬膜的介質(zhì)板，所述的第二平板(2)由基板(6)和復(fù)合物小球(5)組成，基板(6)上均勻分布有小孔(7)，復(fù)合物小球(5)置于基板(6)的小孔(7)中，復(fù)合物小球(5)是由納米磁性顆粒(3)均勻分散至電介質(zhì)媒質(zhì)(4)中形成的。
2.按照權(quán)利要求1所述的ー種用于微機(jī)電系統(tǒng)的磁場調(diào)控的智能器件，其特征在于:所述的小孔(7)在所述的基板(6)上排列成方形陣列或圓形陣列。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的ー種用于微機(jī)電系統(tǒng)的磁場調(diào)控的智能器件，其特征在于:所述的納米磁性顆粒(3)在室溫下為金屬納米超順磁顆粒，該金屬納米超順磁顆粒的熔點(diǎn)高于電介質(zhì)媒質(zhì)(4)的熔點(diǎn)，金屬納米超順磁顆粒在電介質(zhì)媒質(zhì)(4)中的填充率f!<0.5 ;復(fù)合物小球(5)在基板上的填充率f2〈0.5。
4.按照權(quán)利要求1所述的ー種用于微機(jī)電系統(tǒng)的磁場調(diào)控的智能器件，其特征在于:第一平板表面所鍍金屬膜厚度t在20 ii m~100 ii m。
5.按照權(quán)利要求1所述的ー種用于微機(jī)電系統(tǒng)的磁場調(diào)控的智能器件，其特征在于:電介質(zhì)媒質(zhì)(4)的介電常數(shù)在0到3之間。
6.如權(quán)利要求1所述的ー種用于微機(jī)電系統(tǒng)的磁場調(diào)控的智能器的制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟: 1)將介質(zhì)板表面拋光； 2)采用磁控濺射方法在介質(zhì)板表面鍍金屬膜形成第一平板(I)； 3)利用化學(xué)還原反應(yīng)制備納米`超順磁顆粒，制備時(shí)需先判斷納米超順磁顆粒的臨界尺寸Rtl= (6kBT/K)1/3，其中kB為玻爾茲曼常數(shù)，T為溫度，K為各向異性常數(shù)，只有當(dāng)納米磁性顆粒半徑IKRtl時(shí)才能表現(xiàn)為超順磁性； 4)利用微流體法將納米超順磁顆粒均勻分散至電介質(zhì)媒質(zhì)中形成復(fù)合物小球(5)； 5)利用聚焦離子束加工方法在基板(4)上加工出方形或圓形陣列排布的小孔(5)； 6)利用自組裝技術(shù)在小孔(5)中填充復(fù)合物小球(3)形成陣列，即得第二平板(2)； 7)將得到的第一平板(I)和第二平板(2)平行放置，得到用于微機(jī)電系統(tǒng)的磁場調(diào)控的智能器件。
7.如權(quán)利要求6所述的ー種用于微機(jī)電系統(tǒng)的磁場調(diào)控的智能器的制備方法，其特征在于:步驟4)中所述的微流體法的具體操作過程如下:首先將電介質(zhì)媒質(zhì)(4)加熱至熔融狀態(tài)，將一部分熔融電介質(zhì)媒質(zhì)與納米超順磁顆?；旌暇鶆?，輸送至內(nèi)導(dǎo)管(9)中，將剩余部分的熔融電介質(zhì)媒質(zhì)輸送至外導(dǎo)管(8)中，外導(dǎo)管(8)套在內(nèi)導(dǎo)管(9)之外；由于導(dǎo)管兩端的壓カ差，熔融電介質(zhì)媒質(zhì)在管ロ處形成球體，球體內(nèi)部包覆有納米超順磁顆粒與熔融電介質(zhì)媒質(zhì)的混合物；將熔融物固化后得到復(fù)合物小球(5 )。
【文檔編號(hào)】B81B7/00GK103552976SQ201310524559
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月30日
【發(fā)明者】趙乾, 馬浚銘, 孟永鋼 申請人:清華大學(xué)