способ изготовления микроустройств из пластически деформируемых материалов

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.

Описание изобретения к патенту

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.