一种盘状机械结构的三维自组装制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及机械结构的制造方法，具体涉及一种盘状机械结构的三维自组装制造 方法。
【背景技术】
[0002] 微机电系统（简称MEMS)是在微电子技术（半导体制造技术）基础上发展起来 的，融合了光刻、腐蚀、电铸、注塑、薄膜沉积、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术 制作的高科技电子机械器件。微机电系统是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微 能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。 MEMS是一项革命性的新技术，广泛应用于高新技术产业，是一项关系到国家的科技发展、经 济繁荣和国防安全的关键技术。
[0003] 现有的微机械结构加工方式对于加工三维微机械结构十分复杂，且现有的加工方 式加工出来的微机械结构都是固定的、不可变形的，无法实现多种工况下结构形状的转变。 而在多种工况下可变形的三维微机械结构在工程实际中有重要的需求，因此本发明提供的 三维机械结构制造方法对于微机械结构的加工技术的发展有重要意义。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种盘状机械结构的 三维自组装制造方法，利用对温度敏感的热膨胀系数不同的聚合物圆环、圆板以及对温度 不敏感的圆环，通过升高环境温度使平面结构变形为三维结构且三维结构形状受温度改变 量影响，再将升高后的环境温度恢复到初始温度，三维结构恢复到初始的平面结构；该机械 结构可以重复使用，且尺寸可以小到微米级，对于微机械系统中制造盘状微机械结构提供 了简单的方法。
[0005] 为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] -种盘状机械结构的三维自组装制造方法，变形前的机械结构由对温度敏感的聚 合物薄圆板1、依次套接在对温度敏感的聚合物薄圆板1外周圈的多个尺寸预设的热膨胀 系数不同的均质聚合物圆环2以及套接在最外层的均质聚合物圆环2外周圈的对温度不敏 感的聚合物圆环3粘接在一起形成圆形平面机械结构，其半径为R，厚度为t，且变形前的 圆形平面机械结构所处的环境温度为?\，?\是根据圆形平面机械结构在实际工作中变形前 所处的环境温度设置的，且变形前的平面机械结构需在?\温度下制造；升高变形前的圆形 平面机械结构的环境温度到Τ2，且，随着温度升高，热膨胀系数不同的均质聚合物圆环 2和对温度敏感的聚合物薄圆板1将产生不均匀的膨胀，在机械结构最外侧的对温度不敏 感的聚合物圆环3随着温度的变化不发生膨胀，不均匀膨胀的内部区域受到外部区域的压 缩，当这种压缩达到临界值时圆形平面机械结构失稳变形为三维机械结构；对于变形后的 三维机械结构，当环境温度由T2恢复到T1后，变形后的三维机械结构又恢复到初始的圆形 平面机械结构。
[0007] 变形后的三维机械结构的形态只与温度差ΔT=TfL有关，而与TJPT2的数值 无关，且当ΔΤ=L-Ti= 5Κ时，变形后的三维机械结构的中心部分仍然保持平面，边缘部 分恰好垂直于中心的平面部分，膨胀程度不同的均质聚合物圆环2构成了中心平面和直立 边缘的过度部分。
[0008] 该方法适用的机械结构尺寸能够等比例的变化，小到微米级。
[0009] 和现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0010] (1)通过控制环境温度来得到三维自组装的盘状机械结构，相对于传统加工技术， 该方法更简单。
[0011] (2)三维自组装的盘状机械结构可以重复使用。
[0012] (3)该结构的几何尺寸可以等比例的增大或缩小。
【附图说明】
[0013] 图1为变形前的圆形平面机械结构示意图。
[0014] 图2是ΔT= 5Κ时变形后三维机械结构的三维视图。
[0015] 图3是ΔT= 5K时变形后三维机械结构的主视图。
【具体实施方式】
[0016] 下面首先对本发明的原理和工作过程做如下说明：
[0017] 对于变形前的平面微机械结构，其所处环境的初始温度为?\。将环境温度升为T2 后，对温度敏感的聚合物圆环和聚合物圆板在温度升高时体积会膨胀，而对温度不敏感的 聚合物在温度升高时体积不变。由于聚合物圆环和圆板是相互粘结在一起的，所以对温度 不敏感的位于边缘的聚合物会对位于其内部的膨胀的聚合物产生压缩，随着温度的升高， 压缩的力逐渐增大，当压缩的力达到临界值时平面微机械结构失稳变形为三维微机械结 构，且变形后的三维结构的形态受温度升高值的影响。
[0018] 如果将环境温度恢复为初始温度!\，则三维微机械结构恢复为初始的平面微机械 结构，所以该结构是可以重复使用的。
[0019] 下面结合附图和【具体实施方式】，对本发明做进一步详细说明。
[0020] 本实施例一种盘状微机械结构的三维自组装制造方法，变形前的微机械结构的主 视图如图1所示。变形前的微机械结构由对温度敏感的聚合物薄圆板1、依次套接在对温 度敏感的聚合物薄圆板1外周圈的五个尺寸预设的热膨胀系数不同的均质聚合物圆环2以 及套接在最外层的均质聚合物圆环2外周圈的对温度不敏感的聚合物圆环3粘接在一起形 成圆形平面机械结构，其半径为R，厚度为t，且R/t= 200,各个圆环和圆板的无量纲半径 (使用R作为无量纲参数）如表1所示，各个圆环和圆板的热膨胀系数如表2所示，材料的 弹性模量E(Pa)满足4X107〈E〈4X109,泊松比无限制，变形前的初始结构在环境温度?\ = 300Κ下制作。
[0021] 表1各个圆环和圆板的无量纲半径
[0022]
[0023] 表2各个圆环和圆板的热膨胀系数（m3/K)
[0024]
[0025] 将环境温度?\升高到T2= 305K，发生膨胀的均质聚合物圆环2和聚合物薄圆板1 在不发生膨胀的聚合物圆环3的压缩下失稳变形。变形后的形态受到环境温度改变量ΔΤ =T2-I\的影响，且在本实施例中ΔΤ= 5Κ时变形后的三维结构的中心部分即聚合物薄圆 板1仍然保持平面，边缘部分即聚合物圆环7恰好垂直于中心的平面部分，膨胀程度不同的 聚合物圆环3构成了中心平面和直立边缘的过度部分，如图2、图3所示。
[0026] 将环境温度再回复到1\后，变形后的三维微机械结构将回复到初始的圆形平面微 机械结构。
【主权项】
1. 一种盘状机械结构的三维自组装制造方法，其特征在于：变形前的机械结构由对温 度敏感的聚合物薄圆板（1)、依次套接在对温度敏感的聚合物薄圆板（1)外周圈的多个尺 寸预设的热膨胀系数不同的均质聚合物圆环（2)以及套接在最外层的均质聚合物圆环（2) 外周圈的对温度不敏感的聚合物圆环（3)粘接在一起形成圆形平面机械结构，其半径为R， 厚度为t，且变形前的圆形平面机械结构所处的环境温度为1\，1\是根据圆形平面机械结 构在实际工作中变形前所处的环境温度设置的，且变形前的平面机械结构需在!\温度下制 造；升高变形前的圆形平面机械结构的环境温度到T2，且，随着温度升高，热膨胀系数 不同的均质聚合物圆环（2)和对温度敏感的聚合物薄圆板（1)将产生不均匀的膨胀，在机 械结构最外侧的对温度不敏感的聚合物圆环（3)随着温度的变化不发生膨胀，不均匀膨胀 的内部区域受到外部区域的压缩，当这种压缩达到临界值时圆形平面机械结构失稳变形为 三维机械结构；对于变形后的三维机械结构，当环境温度由T2恢复到T1后，变形后的三维机 械结构又恢复到初始的圆形平面机械结构。2. 根据权利要求1所述的一种盘状机械结构的三维自组装制造方法，其特征在于：变 形后的三维机械结构的形态只与温度差ΔΤ=L-Ti有关，而与TJPΤ2的数值无关，且当 ΔΤ = VTi= 5Κ时，变形后的三维机械结构的中心部分仍然保持平面，边缘部分恰好垂直 于中心的平面部分，膨胀程度不同的均质聚合物圆环（2)构成了中心平面和直立边缘的过 度部分。3. 根据权利要求1所述的一种盘状机械结构的三维自组装制造方法，其特征在于：该 方法适用的机械结构尺寸能够等比例的变化，小到微米级。
【专利摘要】本发明公开一种盘状机械结构的三维自组装制造方法，首先变形前的平面机械结构由对温度敏感的聚合物薄圆板、依次套接在对温度敏感的聚合物薄圆板外周圈的多个尺寸预设的热膨胀系数不同的均质聚合物圆环，以及套接在最外层的均质聚合物圆环外周圈的对温度不敏感的聚合物圆环粘接在一起形成圆形平面机械结构，升高平面机械结构所处的环境温度，平面机械结构变形为三维机械结构且在特定的温度改变量下可得到盘状三维机械结构；再将升高后的环境温度恢复到初始温度，三维机械结构恢复到初始的平面机械结构；该机械结构可以重复使用，且尺寸可以小到微米级，对于微机械系统中制造盘状三维机械结构提供了简单的方法。
【IPC分类】B81B3/00, B81C1/00
【公开号】CN105399048
【申请号】CN201510818826
【发明人】杨鹏飞, 刘益伦, 陈曦, 闫渊
【申请人】西安交通大学
【公开日】2016年3月16日
【申请日】2015年11月23日
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及机械结构的制造方法，具体涉及一种盘状机械结构的三维自组装制造 方法。
【背景技术】
[0002] 微机电系统（简称MEMS)是在微电子技术（半导体制造技术）基础上发展起来 的，融合了光刻、腐蚀、电铸、注塑、薄膜沉积、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术 制作的高科技电子机械器件。微机电系统是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微 能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。 MEMS是一项革命性的新技术，广泛应用于高新技术产业，是一项关系到国家的科技发展、经 济繁荣和国防安全的关键技术。
[0003] 现有的微机械结构加工方式对于加工三维微机械结构十分复杂，且现有的加工方 式加工出来的微机械结构都是固定的、不可变形的，无法实现多种工况下结构形状的转变。 而在多种工况下可变形的三维微机械结构在工程实际中有重要的需求，因此本发明提供的 三维机械结构制造方法对于微机械结构的加工技术的发展有重要意义。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种盘状机械结构的 三维自组装制造方法，利用对温度敏感的热膨胀系数不同的聚合物圆环、圆板以及对温度 不敏感的圆环，通过升高环境温度使平面结构变形为三维结构且三维结构形状受温度改变 量影响，再将升高后的环境温度恢复到初始温度，三维结构恢复到初始的平面结构；该机械 结构可以重复使用，且尺寸可以小到微米级，对于微机械系统中制造盘状微机械结构提供 了简单的方法。
[0005] 为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] -种盘状机械结构的三维自组装制造方法，变形前的机械结构由对温度敏感的聚 合物薄圆板1、依次套接在对温度敏感的聚合物薄圆板1外周圈的多个尺寸预设的热膨胀 系数不同的均质聚合物圆环2以及套接在最外层的均质聚合物圆环2外周圈的对温度不敏 感的聚合物圆环3粘接在一起形成圆形平面机械结构，其半径为R，厚度为t，且变形前的 圆形平面机械结构所处的环境温度为?\，?\是根据圆形平面机械结构在实际工作中变形前 所处的环境温度设置的，且变形前的平面机械结构需在?\温度下制造；升高变形前的圆形 平面机械结构的环境温度到Τ2，且，随着温度升高，热膨胀系数不同的均质聚合物圆环 2和对温度敏感的聚合物薄圆板1将产生不均匀的膨胀，在机械结构最外侧的对温度不敏 感的聚合物圆环3随着温度的变化不发生膨胀，不均匀膨胀的内部区域受到外部区域的压 缩，当这种压缩达到临界值时圆形平面机械结构失稳变形为三维机械结构；对于变形后的 三维机械结构，当环境温度由T2恢复到T1后，变形后的三维机械结构又恢复到初始的圆形 平面机械结构。
[0007] 变形后的三维机械结构的形态只与温度差ΔT=TfL有关，而与TJPT2的数值 无关，且当ΔΤ=L-Ti= 5Κ时，变形后的三维机械结构的中心部分仍然保持平面，边缘部 分恰好垂直于中心的平面部分，膨胀程度不同的均质聚合物圆环2构成了中心平面和直立 边缘的过度部分。
[0008] 该方法适用的机械结构尺寸能够等比例的变化，小到微米级。
[0009] 和现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0010] (1)通过控制环境温度来得到三维自组装的盘状机械结构，相对于传统加工技术， 该方法更简单。
[0011] (2)三维自组装的盘状机械结构可以重复使用。
[0012] (3)该结构的几何尺寸可以等比例的增大或缩小。
【附图说明】
[0013] 图1为变形前的圆形平面机械结构示意图。
[0014] 图2是ΔT= 5Κ时变形后三维机械结构的三维视图。
[0015] 图3是ΔT= 5K时变形后三维机械结构的主视图。
【具体实施方式】
[0016] 下面首先对本发明的原理和工作过程做如下说明：
[0017] 对于变形前的平面微机械结构，其所处环境的初始温度为?\。将环境温度升为T2 后，对温度敏感的聚合物圆环和聚合物圆板在温度升高时体积会膨胀，而对温度不敏感的 聚合物在温度升高时体积不变。由于聚合物圆环和圆板是相互粘结在一起的，所以对温度 不敏感的位于边缘的聚合物会对位于其内部的膨胀的聚合物产生压缩，随着温度的升高， 压缩的力逐渐增大，当压缩的力达到临界值时平面微机械结构失稳变形为三维微机械结 构，且变形后的三维结构的形态受温度升高值的影响。
[0018] 如果将环境温度恢复为初始温度!\，则三维微机械结构恢复为初始的平面微机械 结构，所以该结构是可以重复使用的。
[0019] 下面结合附图和【具体实施方式】，对本发明做进一步详细说明。
[0020] 本实施例一种盘状微机械结构的三维自组装制造方法，变形前的微机械结构的主 视图如图1所示。变形前的微机械结构由对温度敏感的聚合物薄圆板1、依次套接在对温 度敏感的聚合物薄圆板1外周圈的五个尺寸预设的热膨胀系数不同的均质聚合物圆环2以 及套接在最外层的均质聚合物圆环2外周圈的对温度不敏感的聚合物圆环3粘接在一起形 成圆形平面机械结构，其半径为R，厚度为t，且R/t= 200,各个圆环和圆板的无量纲半径 (使用R作为无量纲参数）如表1所示，各个圆环和圆板的热膨胀系数如表2所示，材料的 弹性模量E(Pa)满足4X107〈E〈4X109,泊松比无限制，变形前的初始结构在环境温度?\ = 300Κ下制作。
[0021] 表1各个圆环和圆板的无量纲半径
[0022]
[0023] 表2各个圆环和圆板的热膨胀系数（m3/K)
[0024]
[0025] 将环境温度?\升高到T2= 305K，发生膨胀的均质聚合物圆环2和聚合物薄圆板1 在不发生膨胀的聚合物圆环3的压缩下失稳变形。变形后的形态受到环境温度改变量ΔΤ =T2-I\的影响，且在本实施例中ΔΤ= 5Κ时变形后的三维结构的中心部分即聚合物薄圆 板1仍然保持平面，边缘部分即聚合物圆环7恰好垂直于中心的平面部分，膨胀程度不同的 聚合物圆环3构成了中心平面和直立边缘的过度部分，如图2、图3所示。
[0026] 将环境温度再回复到1\后，变形后的三维微机械结构将回复到初始的圆形平面微 机械结构。
【主权项】
1. 一种盘状机械结构的三维自组装制造方法，其特征在于：变形前的机械结构由对温 度敏感的聚合物薄圆板（1)、依次套接在对温度敏感的聚合物薄圆板（1)外周圈的多个尺 寸预设的热膨胀系数不同的均质聚合物圆环（2)以及套接在最外层的均质聚合物圆环（2) 外周圈的对温度不敏感的聚合物圆环（3)粘接在一起形成圆形平面机械结构，其半径为R， 厚度为t，且变形前的圆形平面机械结构所处的环境温度为1\，1\是根据圆形平面机械结 构在实际工作中变形前所处的环境温度设置的，且变形前的平面机械结构需在!\温度下制 造；升高变形前的圆形平面机械结构的环境温度到T2，且，随着温度升高，热膨胀系数 不同的均质聚合物圆环（2)和对温度敏感的聚合物薄圆板（1)将产生不均匀的膨胀，在机 械结构最外侧的对温度不敏感的聚合物圆环（3)随着温度的变化不发生膨胀，不均匀膨胀 的内部区域受到外部区域的压缩，当这种压缩达到临界值时圆形平面机械结构失稳变形为 三维机械结构；对于变形后的三维机械结构，当环境温度由T2恢复到T1后，变形后的三维机 械结构又恢复到初始的圆形平面机械结构。2. 根据权利要求1所述的一种盘状机械结构的三维自组装制造方法，其特征在于：变 形后的三维机械结构的形态只与温度差ΔΤ=L-Ti有关，而与TJPΤ2的数值无关，且当 ΔΤ = VTi= 5Κ时，变形后的三维机械结构的中心部分仍然保持平面，边缘部分恰好垂直 于中心的平面部分，膨胀程度不同的均质聚合物圆环（2)构成了中心平面和直立边缘的过 度部分。3. 根据权利要求1所述的一种盘状机械结构的三维自组装制造方法，其特征在于：该 方法适用的机械结构尺寸能够等比例的变化，小到微米级。
【专利摘要】本发明公开一种盘状机械结构的三维自组装制造方法，首先变形前的平面机械结构由对温度敏感的聚合物薄圆板、依次套接在对温度敏感的聚合物薄圆板外周圈的多个尺寸预设的热膨胀系数不同的均质聚合物圆环，以及套接在最外层的均质聚合物圆环外周圈的对温度不敏感的聚合物圆环粘接在一起形成圆形平面机械结构，升高平面机械结构所处的环境温度，平面机械结构变形为三维机械结构且在特定的温度改变量下可得到盘状三维机械结构；再将升高后的环境温度恢复到初始温度，三维机械结构恢复到初始的平面机械结构；该机械结构可以重复使用，且尺寸可以小到微米级，对于微机械系统中制造盘状三维机械结构提供了简单的方法。
【IPC分类】B81B3/00, B81C1/00
【公开号】CN105399048
【申请号】CN201510818826
【发明人】杨鹏飞, 刘益伦, 陈曦, 闫渊
【申请人】西安交通大学
【公开日】2016年3月16日
【申请日】2015年11月23日
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