Способ изготовления микроустройств из пластически деформируемых материалов

 

Изобретение относится к области микромеханики и может быть использовано для изготовления изделий из пластически деформируемых материалов, например, стекла с габаритными размерами до 5 мкм в поперечном сечении. Способ изготовления микроустройств из пластически деформируемых материалов включает формирование заготовки из нерастворимого тела, растворимой оболочки и системы проводников электрического тока, размещенной внутри тела. Спекание заготовки, вытягивание ее с сохранением геометрического подобия профиля поперечного сечения, разрезание вытянутой части на куски, обработку торцевых поверхностей кусков до получения заданной геометрической форму микроустройства, изготовление на этих поверхностях пленочных покрытий с функциональными слоями, которые определенным образом соединяют с электрическими проводами, образуя электрическую систему микроустройства. Систему проводников образуют в виде капилляров из материала, пластически деформируемого одновременно с деформированием заготовки. При этом капилляры могут быть частично или полностью заполнены материалом, проводящим электрический ток. 3 з. п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к микромеханике и может быть использовано для изготовления изделий из пластически деформируемых материалов, например стекла, с габаритными размерами до 5 мкм в поперечном сечении.

Известен способ изготовления микроканальных пластин, включающий приготовление волокна из стеклянной жилы и стеклянной оболочки, причем жила содержит BaO и K₂O, а оболочка PbO, Na₂O, Al₂O₃, Bi₂O₃, SiO₂ сборку пакета, нагрев, натягивание, спекание, разрезание на пластины и удаление жилы травлением (авт.св. N 1385481, кл. C 03 B 37/22, 1989).

Известен способ изготовления прибора с мультикаппилярными трубками включающий: сборку множества отдельных трубок из материала, деформируемого при нагреве, и имеющих предопределенный КТЛР, в плотно упакованный массив с заданным поперечным сечением, нагревание спекание и вытягивание массива, разрезание вытянутой части массива на сегменты заданной длины, закачивание газа в каждую из трубок сегмента, размещение множества сегментов в резервуаре, запаивание резервуара после частичной откачки, нагревание резервуара и спекание множества сегментов в монолитную структуру (патент США N 4127398, кл. 65-4.А, 1978).

Недостатком этих способов является то, что они позволяют изготавливать изделия только с множеством одинаковых отверстий (микроканалов).

Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления микроустройств из пластически деформируемых материалов, включающий формирование заготовки состоящей по крайней мере из одного нерастворимого тела и растворимой оболочки, спекание этой заготовки, вытягивание ее с сохранением геометрического подобия профиля поперечного сечения тела, разрезание вытянутой части заготовки на куски и удаление растворимой оболочки (патент США N 5173097, кл. 65-3.15, 1992).

Этот способ выбран в качестве прототипа.

Недостатки прототипа заключаются в следующем: способ не позволяет изготавливать системы в теле устройства, проводящие электрический ток, что в свою очередь не позволяет изготавливать устройства, содержащие электрические приборы: конденсаторы, индуктивности, обмотки электрических машин, электронно-оптические линзы, автоэмиссионные катоды и т.п.

способ не позволяет изготавливать устройства с заданной геометрической формой торцов кусков и функциональными слоями на них.

Задача изобретения расширение функциональных возможностей путем создания микроустройств с электропроводящими системами (фиг. 1 9), например, таких как конденсаторы, индуктивности, обмотки электрических машин, электронно-оптические линзы автоэмисионные катоды и т.д.

На базе этих микроустройств в дальнейшем возможно изготовление изделий микромеханики с широким спектром функциональных возможностей, например, микрооборотов с габаритными размерами в пределе до 20 мкм, содержащих движители, сенсорные устройства и инструменты.

Для решения задачи в способе изготовления микроустройств из пластически деформируемых материалов, включающем формирование заготовки, по крайней мере состоящей из одного нерастворимого тела и растворимой оболочки, спекание этой заготовки, вытягивание ее с сохранением геометрического подобия профиля поперечного сечения тела, разрезание вытянутой части заготовки на куски и удаление растворимой оболочки, одновременно с формированием заготовки внутри тела образуют систему проводников электрического тока, перед травлением заданной геометрической формы микроустройств и на этих поверхностях изготавливают пленочные покрытия с функциональными слоями с соответствующими топологическими рисунками, причем объединяют с соответствующими указанными проводниками электрического тока, образуя по крайней мере одну электропроводящую систему микроустройства. Указанную систему проводников образуют в виде капилляров из материалов, пластически деформируемых одновременно с деформированием заготовки. В частности, эту систему проводников выполняют в виде капилляров, заполненных частично или полностью материалом, проводящим электрический ток, например оловянно-свинцовым припоем.

При изготовлении электрической обмотки сначала формируют заготовку 1 из нерастворимого тела 2, например, из электровакуумного стекла С87-2 и растворимой оболочки 3, например из стекла Х-230, которую располагают как внутри, так и снаружи тела 2 (фиг. 1).

Одновременно с формированием заготовки 1 внутри тела 2 образуют систему проводников электрического тока, выполненных в виде капилляров 4 (фиг. 1 и 2), изготовленных, например, из стекла Ц87-2 и заполненных электропроводящим материалом 5, деформируемым одновременно с деформированием заготовки 1, например оловянно-свинцовым припоем ПОС 61. Поперечное сечение капилляров 4 и их местоположение в теле 2 обеспечивают исходя из требований к поперечному сечению активных частей обмотки изготовленного микроустройства.

Затем заготовку 1 спекают и вытягивают с сохранением геометрического подобия профиля поперечного сечения тела 2 (сечение Б-Б). Вытянутый конец заготовки 1 разрезают на куски длиной l (фиг. 3 и 4), соответствующей длине (толщине) изготавливаемого микроустройства. Торцевые поверхности кусков обрабатывают до получения заданной геометрической формы микроустройства (в данном примере плоской формы). Затем на торцах куска изготавливают пленочные покрытия с функциональными слоями 6, 7 и 8 (фиг. 5), из которых электропроводящие слои 6 и 8 имеют соответствующие топологические рисунки: слой 6 электрически объединяет две группы капилляров 4, расположенные диаметрально на торце и образует лобную часть обмотки, слой 8 образует контактные площадки 9 и 10 к концам обмотки; слой 7 выполняет роль электрического изолятора обмотки.

Затем заготовку 1 травят, например в растворе соляной кислоты, и получают готовое микроустройство (фиг. 6) с электрической обмоткой 11, показанной условно пунктирной линией.

Процесс изготовления микроустройст с другим функциональным назначением отличается от описанного тем, что формирование заготовки, системы проводников электрического тока и изготовление пленочного покрытия производят в соответствии с конструкцией изготавливаемого микроустройства.

Активное электрическое сопротивление в теле 2 12 микроустройства (фиг. 7) изготавливают образуя в этом теле электрические проводники в виде капилляров 13 с заданным сопротивлением и электрически соединяют в систему изготавливая электропроводящий слой 14 на торцах этого тела с соответствующей топологией (в данном примере электрические проводники 13 соединены последовательно).

Другой пример изготовление микроуйстройства, содержащего автоэмиссионный многоостритный катод с заданной формой эмиссионной поверхности и заданным расположением острий катода на этой поверхности.

Для решения этой задачи в теле микроустройства 15 (фиг. 8) при формировании заготовки образуют систему проводников электрического тока 16 с заданным расположением (в данном примере расположенных в одной плоскости). Обработку торцов куска, изготовленного из вытянутой заготовки, производят таким образом, что одному из торцов придают форму заданной криволинейной эмиссион-поверхности (в данном примере сфероидальной). Функциональный слой на этой поверхности изготавливают в виде острия 17, например из молибдена, каждое из которых электрически связано с одним из проводников 16. На другом торце теле 15 изготавливают электропроводящий слой 18, выполняющий роль токопровода к остриям 17.

Способ позволяет изготавливать микроустройства, содержащие детали, перемещающиеся относительно друг друга, например с помощью электрических обмоток, электрических электродов, изготавливаемых в теле микроустройства.

Электростатический двигатель изготавливают образуя в телах статора 19 и ротора 20 (фиг. 9) двигателя при формировании заготовки проводников электрического тока в виде капилляров 21, которые электрически объединяют между собой в электроды изготавливая на торцах куска электропроводящий слой 22 и соответствующей топологией. После травления оболочки 23 получают электростатический двигатель.

Способ позволяет изготавливать микроизделия, содержащие одновременно несколько электропроводящих систем. Функциональные слои могут выполнять различные функции в микроизделии: магнитопровода, постоянного магнита, фрикционного или антифрикционного покрытия, защиты от внешних воздействий, излучающих поверхностей, элементов стыковочно-расстыковочных узлов и т.д. и т.п.

Способ позволяет изготавливать микроизделия с минимальным поперечным размером проводников электрического тока порядка 1 мкм при субмикронных размерах промежутков между соседними проводниками.

Формула изобретения

1. Способ изготовления микроустройства из пластически деформируемых материалов, включающий формирование заготовки, состоящей по крайней мере из одного нерастворимого тела и растворимой оболочки, спекание этой заготовки, вытягивание ее с сохранением геометрического подобия профиля поперечного сечения тела, разрезание вытянутой части заготовки на куски и травление растворимой оболочки, отличающийся тем, что при формовании заготовки внутри тела образуют систему проводников электрического тока, перед травлением торцевые поверхности кусков обрабатывают до получения заданной геометрической формы микроустройства и на этих поверхностях изготавливают пленочное покрытие с функциональными слоями с соответствующими топологическими рисунками, причем электропроводящие функциональные слои объединяют с соответствующими проводниками электрического тока, образуя по крайней мере одну электропроводящую систему микроустройства.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что систему проводников образуют в виде капилляров из материалов, пластически деформируемых одновременно с деформированием заготовки.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что система проводников выполнена в виде капилляров, заполненных частично или полностью материалом, проводящим электрический ток.

4. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что капилляры заполнены низкотемпературным сплавом (или сплавами), например оловянносвинцовым припоем.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9