CN100413779C - 一种微米或纳米级结构的加工装置 - Google Patents
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Abstract
一种微米或纳米级结构的加工装置，包括：由透明耐化学腐蚀材料制做的箱体，其内底面上有带三维移动导轨的加工操作平台；平台上放置温度控制元件；箱体内放置由电、磁和光场控制器控制的可产生电场的金属板式电极、可产生磁场的永磁体或电磁体阵列和由可移动的半导体激光器构成的激光光源和与外置气源相通的气泡发生器；自带电源的控制电路分别与温度控制元件，电、磁和光场控制器和气泡发生器电相连。本装置借助表面活性剂生成或直接产生的气泡，利用其薄液膜的微米或纳级厚度，运用具有二元或多元成分的薄液膜融合过程中发生在微尺度下的化学反应，单独或同时利用反应过程及其生成物，在各种基底表面进行加工，以制造出特定的微米或纳米级结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种借助于表面活性剂或直接产生的气泡，利用其薄液膜本身的微米和纳米级厚度，运用具有二元或多元成分的薄液膜融合过程中发生在微尺度下的化学反应，在基底表面进行微米或纳米级结构的加工装置，特别涉及一种通过对二元或多元薄液膜及其被加工基底的热场、电场、磁场、光场或不同工作气体及其浓度场的精细控制，以实现在反应过程中的自组装、刻蚀或堆积而制备微/纳米级结构的加工装置。
背景技术
当代自然科学发展趋势是朝微型化迈进，层出不穷的微米或纳米器件正在改善人们的生活质量，同时也推动了科学技术的发展。在各种微型化技术中，关于微米或纳米结构物体的制作加工是其核心。众所周知，随着物体尺度的减小，加工难度也随之提高，因此，微米或纳米尺度上的加工一直极具挑战性。当前的微加工主要是通过由半导体集成电路(IC)制造业中的微细加工技术与机械制造业中的精密机械加工技术相结合而产生，它是发展微米或纳米机械电子工程的基础和保证。微加工技术和用于加工MEMS器件的材料均直接借鉴自IC工业，各种成熟的表面加工技术已经可以制造出精巧复杂的MEMS(微电子机械)器件。然而，传统的微加工技术通常成本昂贵，对环境的要求比较苛刻，加工过程复杂，且存在一定的环境污染问题。与此同时，传统方法在向纳米加工方面推进时也遇到很多困难，无论通过AFM(原子力显微镜)移动原子还是利用电子进行刻蚀来加工纳米器件都存在诸多不足。
纵所周知，当通过某种装置产生一个气泡时，由于气泡表面张力的作用，以及内外气体压力的挤压，成泡液体会被逐渐排出，最终形成厚度极薄的薄液膜，并且在一定条件下可以保持相对的稳定性。由于成泡液体的总体积恒定，这种液膜在气泡逐渐变大的情况下，可以做得相当薄，理论上其厚度甚至可达到只有表面活性剂或液体本身的几层分子，即纳米尺度。因此，若能充分利用这种自然天成的纳米结构，通过控制液膜的厚度，存在的空间和时间，就可以简单灵活的实现宏观尺度下加工各种微米纳米级结构的方法和装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微米或纳米级结构的加工装置，利用其薄液膜本身的微米和纳米级厚度，运用具有二元或多元成分的薄液膜融合过程中发生在微尺度下的化学反应，在基底表面进行微米或纳米级结构的加工装置，特别涉及一种通过对二元或多元薄液膜及其被加工基底的热场、电场、磁场、光场或不同工作气体及其浓度场的精细控制，以实现在反应过程中的自组装、刻蚀或堆积而制备微米或纳米级结构。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的微米或纳米级结构的加工装置，包括：
一带有透明顶盖8的由透明耐化学腐蚀材料制做的箱体2，放置在所述箱体2内底面上的带有三维移动导轨16的加工操作平台20；所述加工操作平台20上表面上放置有温度控制元件14；
放置在箱体2之内的由电、磁和光场控制器19控制的可产生电场的金属板式电极、可产生磁场的永磁体或电磁体阵列和由可移动的半导体激光器构成的激光光源；
放置在箱体2之内的气泡发生器9；
一自带电源的控制电路7；所述控制电路7分别与温度控制元件14，电、磁和光场控制器19和气泡发生器9电相连；
所述气泡发生器9与外置气源17相连通；
移动导轨16为通过平面运动调节旋钮5和垂向运动调节旋钮18进行三维调节的三维移动导轨。
本发明的微米或纳米级结构的加工装置，还包括安装箱体2下表面，且通过调节使所述箱体2的内底表面处于水平的可调稳定底座1。
所述气泡发生器9为1-6个，分别由万向支架3固定支撑在所述箱体2的内底表面上。
所述箱体2的几何尺寸为50mm×50mm×20mm到1000mm×1000mm×500mm。所述的加工控制平台20的平面几何尺寸为50mm×50mm到500mm×500mm。
所述气泡发生器9的结构，包括：
一气缸25；其气缸壁上设有与外置气源17相连通的进气口27；
一装于气缸25之内的其前端带活塞24的活动推杆26；
一位于气缸25的前端并与气缸25相通的成膜液体腔室233，所述成膜液体腔室的室壁上设有成膜液体注入口23；
一安装在成膜液体腔室233前端安装有可更换喷头22。
所述活塞28同气缸25之间保证密配合。
所述加工操作平台(20)及其上的部件可以倒置。
这里以银线的加工为例说明本发明的工作路线。使用本发明的装置进行微/纳米级结构的加工时，将待加工的基底10放置在位于加工操作平台20上的温度控制元件14的上表面上，并用夹具将其固定；然后调配好可使用的两种溶液即分别混合表面活性剂的银氨溶液和乙醛溶液，浓度示反应需要而定，湿度合适的空气或氮气气源17，选择好要加工的微纳米结构。之后，打开气路12，保持较好的成泡湿度控制气泡的寿命，将加工基底10夹持在加工操作平台20上。计算所要加工的流道的宽度和深度所需薄液膜的厚度，得到所需溶液的剂量和充入气体体积；控制两个气体发生器9运动到确定的加工位置；调节水平运动控制旋钮5和垂直运动控制旋钮18调节微调加工基底上布线加工进行的位置。通过活塞推进器28利用微电机自动或手动推动推杆26拉出活塞24使得气缸25内的气体容积达到需要的水平，再通过气源17和气路12注入的某种气源气体通过气泡发生器9的进气口27进入气缸25。分别在两个气泡发生器中通过液膜注入口23将成膜液体即混合表面活性剂的银氨溶液和乙醛溶液直接注入气缸中液膜腔中。通过活塞推进器28利用微电机自动或手动推动推杆26推进活塞24将气缸内已经注入的某种气源推进液膜中形成气泡，继续将气体注入气泡21中，从而定量的控制气泡薄液膜的产生，同时控制液膜的厚度。控制微加工平台反应温度控制单元14的温度，保证反应基底底温度保持在需要底反应温度。形成的两种不同溶液薄液膜的气泡在基底上融合，再融合面上形成薄液膜结构，在该薄液膜结构中发生化学反应(3)然后，还原反应生成的银附着在玻璃加工基底的表面，即形成银线。
本发明的提供的微/纳米级结构的加工装置具有如下优点：
1.用于加工微/纳米结构的气泡本身即在微米或纳米量级，易于实现；
2.加工环境比较干净，操作简单；
3.加工装置成本较低；
4.可实现多种微米或纳米结构加工；
5.采用多种液体，可以方便地控制加工对象的物理组分及化学性质，由此实现功能结构的加工。
6.可与固体、气体结构配合实现更多加工路线。
本发明提供的装置是一种新概念型的微米或纳米加工方法。
附图说明
附图1-1为本发明的结构示意图；
附图1-2为附图1-1去掉透明顶盖8后的俯视图；
附图2-1为气泡发生器9的结构示意图；
图2-2-1、图2-2-2和图2-2-3为气泡发生器9的操作原理图；
附图3-1和附图3-2为加工一微型圆的示意图；
附图4-1和附图4-2为加工一微型直线的示意图；
附图5-1和附图5-2为加工一相交于一点的三根微型直线的示意图；
附图6-1和附图6-2为加工一微型十字的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
由图1和图2可知，本发明提供的微米或纳米级结构的加工装置，包括：
一带有透明顶盖8的由透明耐化学腐蚀材料制做的箱体2，放置在所述箱体2内底面上的带有三维移动导轨16的加工操作平台20；所述加工操作平台20上表面上放置有温度控制元件14；
放置在箱体2之内的由电、磁和光场控制器19控制的可产生电场的金属板式电极、可产生磁场的永磁体或电磁体阵列和由可移动的半导体激光器构成的激光光源；
放置在箱体2之内的气泡发生器9；
一自带电源的控制电路7；所述控制电路7分别与温度控制元件14，电、磁和光场控制器19和气泡发生器9电相连；
所述气泡发生器9与外置气源17相连通；
移动导轨16为通过平面运动调节旋钮5和垂向运动调节旋钮18进行三维调节的三维移动导轨。
本发明的微米或纳米级结构的加工装置，还包括安装箱体2下表面，且通过调节使所述箱体2的内底表面处于水平的可调稳定底座1。
所述气泡发生器9为1-6个，分别由万向支架3固定支撑在所述箱体2的内底表面上。所述气泡发生器9固定于移动支架6上端，移动支架6下端装于万向支架3。
所述箱体2的几何尺寸为50mm×50mm×20mm到1000mm×1000mm×500mm。所述的加工控制平台20的平面几何尺寸为50mm×50mm到500mm×500mm。
所述气泡发生器9的结构，包括：
一气缸25；其气缸壁上设有与气源相连通的进气口27；
一装于气缸25之内的其前端带活塞24的活动推杆26，活动推杆26的端部装有活塞推进器28；
一位于气缸25的前端并与气缸25相通的成膜液体腔室233，所述成膜液体腔室的室壁上设有成膜液体注入口23；
一安装在成膜液体腔室233前端安装有可更换喷头22。
所述活塞28同气缸25之间保证密配合。
所述成膜液体为
所述气缸25内充入的气体为
所述加工操作平台20及其上的部件可以倒置。
由图1可知，透明耐腐蚀箱体2和透明顶盖8由耐腐蚀的透明材料如玻璃等制成，将顶盖8盖在箱体2上并与之相连，箱体2和顶盖8由于透明因而便于观测加工过程，实际加工过程中可结合其它光学、电子、射线和扫描探针显微镜进行实时监测加工。通过充填密封材料如树脂等密封，控制电路7和气路12穿过电路气路通路4的通孔连接到箱体内，据此可保证在加工过程中，能够精确控制箱内环境，以减少外界的干扰和污染。在箱体2的内底面铺设有加工平台导轨3，并通过水平运动调节旋钮和垂直运动调节旋钮控制整个加工操作平台作小范围的三维运动。
如图2所示气泡发生器9在使用过程中可以灵活的更换不同口径和表面亲疏水处理的喷头22，通过液膜注入口23注入成膜溶液，可以控制产生的气泡微结构；通过经过密封处理的液膜注入口23可以将成膜液体直接注入活塞腔，控制试剂的计量和可能的污染，也可通过直接利用喷头蘸取溶液的方法得到液膜；气体通过气源17和气路12进入气泡发生器9的进气口27；通过活塞推进器28利用微电机自动或手动推动推杆26推进活塞24将气缸内已经注入的某种气源注入气泡21中，从而定量的控制气泡薄液膜的产生，同时可以控制液膜的厚度。
实施例1：使用本发明的装置加工一图3-2所示的微型圆：
通过控制两个气泡接触，并结合与基底的化学反应，可以实现如图3-2所示的微型圆：
实施例2：使用本发明的装置加工一图4-2所示的微型直线：
通过控制两个气泡接触面积，并结合与基底的化学反应，可以实现如图4-2所示的微型直线：
实施例3：使用本发明的装置加工一图5-2所示的相交于一点的三根微型直线：
通过控制三个气泡接触面积，并结合与基底的化学反应，可以实现如图5-2所示的微型直线：
实施例4：使用本发明的装置加工一图6-2所示的一微型十字：
通过控制四个气泡接触面积，并结合与基底的化学反应，可以实现如图5-2所示的微型直线。
以上过程的工作步骤大致相同，只是气泡结构及控制方式有所不同。这里以其中的部分加工为例，描述如下。
本发明装置的一个具体实施例(刻蚀加工)的使用过程如下：
1.准备加工材料，包括清洗好的待刻蚀加工玻璃基底10，调配好可使用的两种溶液即分别混合表面活性剂的KF和HCl溶液，浓度示反应需要而定，湿度合适的空气或氮气气源17，选择好要刻蚀的微纳米结构(此处为直线形微流道)；
2.对本装置进行清洁，并按照图1所示，打开气路12，保持较好的成泡湿度控制气泡的寿命，将加工基底10夹持在加工操作平台20上。
3.计算所要加工的流道的宽度和深度所需薄液膜的厚度，得到所需溶液的剂量和充入气体体积；控制两个气体发生器9运动到确定的加工位置；调节水平运动控制旋钮5和垂直运动控制旋钮18调节微调加工基底上刻蚀加工进行的位置。
4.通过活塞推进器28利用微电机自动或手动推动推杆26拉出活塞24使得气缸25内的气体容积达到需要的水平，再通过气源17和气路12注入的某种气源气体通过气泡发生器9的进气口27进入气缸25。
5.分别在两个气泡发生器中通过液膜注入口23将成膜液体即混合有表面活性剂的KF和HCl溶液直接注入气缸中液膜腔中。
6.通过活塞推进器28利用微电机自动或手动推动推杆26推进活塞24将气缸内已经注入的某种气源推进液膜中形成气泡，继续将气体注入气泡21中，从而定量的控制气泡薄液膜的产生，同时控制液膜的厚度。
7.形成的两种不同溶液薄液膜的气泡在基底上融合，再融合面上形成薄液膜结构，在该薄液膜结构中发生化学反应(1)然后，生成的氢氟酸和玻璃的加工基底反应(2)，刻蚀玻璃基底，形成微流道，这就是可控二元或多元薄液膜微米、纳米加工的基本过程。
F-+H+f HF (1)
4HF+SiO2→SiF4↑ (2)
8.实现人字形结构或者十字结构的加工方式是要利用多个起泡发生器9，并精确控制基底移动；通过多次加工可以得到复杂的结构。
本发明装置的另一个具体实施例(加工纳米线)的使用过程如下：
1.准备加工材料，包括清洗好的待布线加工玻璃基底10，调配好可使用的两种溶液即分别混合表面活性剂的银氨溶液和乙醛溶液，浓度示反应需要而定，湿度合适的空气或氮气气源17，选择好要加工的银微纳米结构，此处为银线。
2.对本装置进行清洁，并按照图1所示，打开气路12，保持较好的成泡湿度控制气泡的寿命，将加工基底10夹持在加工操作平台20上。
3.计算所要加工的流道的宽度和深度所需薄液膜的厚度，得到所需溶液的剂量和充入气体体积；控制两个气体发生器9运动到确定的加工位置；调节水平运动控制旋钮5和垂直运动控制旋钮18调节微调加工基底上布线加工进行的位置。
4.通过活塞推进器28利用微电机自动或手动推动推杆26拉出活塞24使得气缸25内的气体容积达到需要的水平，再通过气源17和气路12注入的某种气源气体通过气泡发生器9的进气口27进入气缸25。
5.分别在两个气泡发生器中通过液膜注入口23将成膜液体即混合表面活性剂的银氨溶液和乙醛溶液直接注入气缸中液膜腔中。
6.通过活塞推进器28利用微电机自动或手动推动推杆26推进活塞24将气缸内已经注入的某种气源推进液膜中形成气泡，继续将气体注入气泡21中，从而定量的控制气泡薄液膜的产生，同时控制液膜的厚度。
7.控制微加工平台反应温度控制单元14的温度，保证反应基底底温度保持在需要底反应温度，此处为60℃。
8.形成的两种不同溶液薄液膜的气泡在基底上融合，再融合面上形成薄液膜结构，在该薄液膜结构中发生化学反应(3)然后，还原反应生成的银附着在玻璃加工基底的表面，形成银线。
CH3CHO+2Ag(NH3)2OHf CH3COONH4+2Ag↓+3NH3+H2O (3)
综上所述，本发明的可控二元或多元薄液膜微米、纳米加工装置包括：底座1、箱体2、加工控制平台20及其运动控制机构(加工操作平台移动导轨16、水平运动调节旋钮5和垂直运动调节旋钮18)、加工平台反应环境控制器(加工平台温度控制元件即半导体制冷元件14和电、磁、光场控制器19)、基底卡具15、控制电路7、气路12、；用于在其内产生电场的由金属板组成的电极、用于在其间产生磁场的永磁体或电磁体、由可移动的半导体激光器构成的光源(可选19)、温度传感器、数据采集仪11、计算机13、电源等。其中电场和磁场大小可通过装置上设置的滑道改变电极或磁极的相对位置来调节，温度控制可由半导体制冷器及微/纳米级换热槽道实现。容器的几何尺寸为150mm×150mm×100mm，微加工控制台的几何尺寸为100mm×100mm，据此可保证在加工过程中，能够精确控制箱内环境，以减少外界的干扰和污染。在箱体2的内底面铺设有加工平台导轨3，并通过水平运动调节旋钮和垂直运动调节旋钮控制整个加工操作平台作小范围的三维运动。
多个气泡发生器9通过万向支架3和移动支架6固定并在箱体2内自由布置，并通过控制电路7、气源17和气路12提供其所必需的气体和电路控制；气泡发生器9在使用过程中可以灵活的更换不同口径和表面亲疏水处理的喷头22，通过液膜注入口23注入成膜溶液，可以控制产生的气泡微结构；通过经过密封处理的液膜注入口23可以将成膜液体直接注入活塞腔，控制试剂的计量和可能的污染，也可通过直接利用喷头蘸取溶液的方法得到液膜；气体通过气源17和气路12进入气泡发生器9的进气口27；通过活塞推进器28利用微电机自动或手动推动推杆26推进活塞24将气缸内已经注入的某种气源注入气泡21中，从而定量的控制气泡薄液膜的产生，同时可以控制液膜的厚度。两个或多个分别由两种或多种不同溶液形成的薄液膜混合后在微米、纳米级的空间中发生反应，其反应物直接或间接作用于基底，最终形成微米或纳米结构。所有的器件通过电流导线连接电源，并通过传感器、控制器、计算机集中控制整个加工过程，并利用显微仪器进行实时观测。
另外，需要说明的是：本发明使用的成膜液体可以为水、HCl、NaOH、银氨溶液、乙醛溶液等可参与反应的中性、酸性或碱性溶液。气缸(25)内充入的气体可以为氮气、CO2、氦气等惰性气体。
Claims (8)
1. 一种微米或纳米级结构的加工装置，其特征在于，包括：
一带有透明顶盖(8)的由透明耐化学腐蚀材料制做的箱体(2)，放置在所述箱体(2)内底面上的带有三维移动导轨(16)的加工操作平台(20)；所述加工操作平台(20)上表面上放置有温度控制元件(14)；
放置在箱体(2)之内的由电、磁和光场控制器(19)控制的可产生电场的金属板式电极、可产生磁场的永磁体或电磁体阵列和由可移动的半导体激光器构成的激光光源；
放置在箱体(2)之内的气泡发生器(9)；
一自带电源的控制电路(7)；所述控制电路(7)分别与温度控制元件(14)，电、磁和光场控制器(19)和气泡发生器(9)电相连；
所述气泡发生器(9)与外置气源(17)相连通；
移动导轨(16)为通过平面运动调节旋钮(5)和垂向运动调节旋钮(18)进行三维调节的三维移动导轨。
2. 按权利要求1所述的微米或纳米级结构的加工装置，其特征在于，还包括：安装在箱体(2)下表面，且通过调节使所述箱体(2)的内底表面处于水平的可调稳定底座(1)。
3. 按权利要求1所述的微米或纳米级结构的加工装置，其特征在于，所述气泡发生器(9)为1-6个，分别由万向支架(3)固定支撑在所述箱体(2)的内底表面上；所述气泡发生器(9)固定于移动支架(6)上端，移动支架(6)下端装于万向支架(3)上。
4. 按权利要求1所述的微米或纳米级结构的加工装置，其特征在于，所述箱体(2)的几何尺寸为50mm×50mm×20mm到1000mm×1000mm×500mm。
5. 按权利要求1所述的微米或纳米结构的加工装置，其特征在于，所述的加工控制平台(20)的平面几何尺寸为50mm×50mm到500mm×500mm。
6. 按权利要求1所述的微米或纳米结构的加工装置，其特征在于，所述气泡发生器(9)的结构，包括：
一气缸(25)；其气缸壁上设有与气源相连通的进气口(27)；
一装于气缸(25)之内的其前端带活塞(24)的活动推杆(26)；
一位于气缸(25)的前端并与气缸(25)相通的成膜液体腔室(233)，所述成膜液体腔室的室壁上设有成膜液体注入口(23)；
一安装在成膜液体腔室(233)前端的可更换喷头(22)。
7. 按权利要求6所述的微米或纳米级结构的加工装置，其特征在于，所述活塞(28)同气缸(25)之间密配合。
8. 按权利要求1所述的微米或纳米级结构的加工装置，其特征在于，所述加工操作平台(20)及其上的部件倒置。
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