一种金属微米/纳米弹簧及其制备方法和应用

摘要

本发明属于微纳器件技术领域，具体为一种金属微米/纳米弹簧及其制备方法和应用。制备方法包括：准备一个衬底，在衬底上面存在牺牲层；在牺牲层上面沉积具有内应力以及各向异性的杨氏模量的金属条；选择性地除去在金属条以及衬底之间的部分牺牲层，释放金属条，从而金属条卷曲成为金属纳米/微米弹簧。该金属纳米/微米弹簧可用于流量传感器的测量，具体是将带有金属微米/纳米弹簧的衬底固定在流体通道内部；当流体流过通道时，弹簧达到平衡状态，通过测量弹簧的伸长量来测量流体流速。

权利要求

1.一种金属微米/纳米弹簧的制备方法，其特征在于具体步骤为：（1）准备一个衬底，在衬底上面存在牺牲层；

（2）在牺牲层上面沉积具有内应力以及各向异性的杨氏模量的金属条；

（3）选择性地除去在金属条和衬底之间的部分牺牲层，释放金属条，从而金属条卷曲成为金属纳米/微米弹簧； 步骤（2）在牺牲层上面沉积具有内应力以及各向异性的杨氏模量的金属条，包括以下两个步骤，首先利用物理或化学气相沉积法在牺牲层上沉积一层金属薄膜，然后利用光刻的方法将金属薄膜图形化，得到金属条。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述利用物理气相沉积法在牺牲层上沉积一层金属薄膜，通过控制沉积参数，包括沉积速率、衬底温度、衬底倾斜角度或者沉积压强，得到具有在生长方向内应力梯度差和各向异性杨氏模量的金属薄膜。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于所述金属的材料为金、钛、铬、或铝单一组分金属，或者是这些金属中几种的合金，或者是这些金属中几种的多层金属。

4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于所述的牺牲层是SiO2层。

5.如权利要求1—4之一所述的制备方法制备获得的金属微米/纳米弹簧。

6.如权利要求5所述的金属微米/纳米弹簧在流量传感器中测量流体流速和流量的应用。

说明书

一种金属微米/纳米弹簧及其制备方法和应用

技术领域

[0001] 本发明属于微纳器件技术领域，具体涉及一种金属微米/纳米弹簧及其制备方法和应用。

背景技术

[0002] 近年来，微纳器件，比如微纳尺度的管、线以及弹簧等由于在药物输运、传感器、光学以及储氢等领域存在潜在应用前景，从而受到广泛的关注。在所有的三维微纳器件中，弹簧由于其特殊的形貌而受到更为广泛的研究。由于微米/纳米弹簧具备的独特的螺线型结构以及材料本身具备的压电性能、力学性能以及电学性能，这种微米/纳米弹簧在微纳米机电系统（N/MEMS）、药物输运以及细胞操纵等领域存在潜在应用价值。由于纳米薄膜具有高的比表面积以及可容易改性的表面，利用纳米薄膜卷曲得到的微米/纳米弹簧在生物以及化学传感器方面也具有一定的应用前景。

[0003] Pu XianGao等人在2006年利用固体-气体过程成功地制备得到了具有超弹性的ZnO纳米弹簧，Cao Chuanbao等人在2007年利用气相化学沉积方法制备了具有超弹性的Si3N4微米弹簧，Li Zhang等人利用卷曲具有内应力的半导体双层膜的方法成功地制备了微米弹簧。在Li Zhang等人所采用的方法中，双层膜的内应力是由不同层之间的晶格失配造成的，卷曲的方向则是由杨氏模量决定的，而在半导体薄膜中的杨氏模量具有显著的各向异性。他们的结果表明弹簧的直径由薄膜的厚度以及晶格失配程度决定，而卷曲方向是沿着杨氏模量最小的方向。

[0004] 目前，利用卷曲纳米薄膜制备的微米/纳米弹簧一般都是半导体外延材料，比如InGaAs/GaAs双层膜以及SiGe/Si双层膜，由于受限与外延技术，目前为止还没有关于纯金属的微米/纳米弹簧制备的研究报道。而与半导体材料相比，金属材料具有更好的力学以及电学性能，因此金属微米/纳米弹簧更适于在微纳器件中的应用。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种力学和电学性能优良的金属微米/纳米弹簧及其制备方法和应用。

[0006] 本发明提供的金属微米/纳米弹簧的制备方法，包括以下几个步骤：

[0007] （1）准备一个衬底，在衬底上面存在牺牲层；

[0008] （2）在牺牲层上面沉积具有内应力以及各向异性的杨氏模量的金属条；

[0009] （3）选择性地除去在金属条和衬底之间的部分牺牲层，释放金属条，从而金属条卷曲成为金属纳米/微米弹簧。

[0010] 本发明中，步骤（2）在牺牲层上面沉积具有内应力以及各向异性的杨氏模量的金属条，包括以下两个步骤，首先利用物理或化学气相沉积法在牺牲层上沉积一层金属薄膜，然后利用光刻的方法将薄膜图形化，称为金属条。其中，物理气相沉积的方法包括溅射，热蒸发以及电子束蒸发等。

[0011] 本发明中，所述利用物理气相沉积法在牺牲层上沉积一层金属薄膜，可通过控制沉积参数，比如沉积速率、衬底温度、衬底倾斜角度以及沉积压强等，得到具有在生长方向内应力梯度差和各向异性杨氏模量的金属薄膜。

[0012] 本发明中，所述金属微米/纳米弹簧的几何参数，如直径，螺旋角以及螺间距等，根据设计要求确定。

[0013] 本发明中，金属微米/纳米弹簧的材料（沉积的金属簿膜）可以金、钛、铬、或铝等单一组分金属（金属簿膜），也可以是这些金属的合金（合金簿膜），也可以是这些金属的多层金属（多层金属簿膜）。

[0014] 本发明中，所述的牺牲层可以是SiO2层。

[0015] 本发明提供的金属微米/纳米弹簧可用于流量传感器中进行流速流量测定，具体如下：

[0016] 流量传感器包括一个流体通道，将带有金属微米/纳米弹簧的衬底固定在流体通道内部。当流体通过该通道时，弹簧受到液体流动的粘滞力以及衬底对弹簧的拉力，处于平衡状态。此时，粘滞力与衬底对弹簧的拉力数值上相等。粘滞力与流体自身的粘滞系数以及流速有关，而衬底对弹簧的拉力可以通过弹簧伸长量来表示。一般来说，对于同一种流体，其粘滞系数固定不变，弹簧的伸长量随着流体的流速的上升而增大，因此，我们可以通过测量弹簧的伸长量来测量流体的流速。而弹簧的伸长量通过光学显微镜测量获得。

附图说明

[0017] 图1为本发明制备金属微米/纳米弹簧的流程图。其中，（a）为Si衬底上有一层SiO2作为牺牲层；（b）表示采用电子束蒸发的方法在SiO2牺牲层上沉积一层厚度为40 nm的Au薄膜；（c）表示利用氢氟酸将SiO2牺牲层去除；（d）最后形成Au微米/纳米弹簧。

[0018] 图2为通过倾斜衬底角度沉积薄膜，得到Au薄膜具有各向异性的杨氏模量图示。

[0019] 图3为采用金属微米/纳米弹簧测试流体流速的示意图。其中，（a）为流体静止时，弹簧处于初始状态，（b）为流体以一定的速度从左向右流过时，弹簧受到粘滞力作用而伸长的状态。

[0020] 图中标号：1. 衬底；2. 牺牲层；3. 金属层；4. 金属微米/纳米弹簧；5. 衬底的法线方向与蒸发原子气的入射方向成的角度；6. 蒸发源；7. 衬底；8.流体通道。

具体实施方式

[0021] 以下通过实例进一步对本发明进行描述。

[0022] 下面结合附图及具体实例，对发明制备金属微米/纳米弹簧作进一步说明。

[0023] 图1为利用本发明中的方法制备金微米/纳米弹簧的示意图。其中，（a）为Si衬底1上有一层SiO2作为牺牲层2。（b）表示，采用电子束蒸发的方法在SiO2牺牲层上沉积一层厚度为40 nm的Au金属层3。其中在沉积过程中，通过改变沉积参数，如沉积速率、衬底温度以及沉积压强等，可以制备得到具有内应力的Au薄膜；将衬底的法线方向与蒸发源6蒸发原子气的入射方向成一定角度5，如图2所示，由于倾斜衬底角度沉积薄膜存在阴影效应，通过这种方法沉积得到的Au薄膜具有各向异性的杨氏模量。然后利用光刻的方法，将Au薄膜进行图形化，得到金属条，如（c）所示。最后，利用氢氟酸将SiO2牺牲层去除，从而将Au金属条从衬底上脱离开来，形成Au金属微米/纳米弹簧4，如（d）所示。

[0024] 图3为基于金属微米/纳米弹簧测试流体流速的示意图，具有金属微米/纳米弹簧的衬底7固定在流体通道8内部，其中金属微米/纳米弹簧4的一端固定在衬底7上。其中，（a）表示，当流体静止时，弹簧处于初始状态，没有受到拉伸，此时长度为l0。（b）表示，当流体以一定的速度流过时，弹簧收到粘滞力作用而伸长，此时的长度为l。弹簧的伸长量x 等于l-l0，该数值由流体的粘滞系数以及流速决定。而采用同一种流体时，粘滞系数保持不变，因此x值仅与流速成正比。从而根据以上分析，即可以通过测量弹簧的伸长量来测量流体的流速。