CN100513300C

CN100513300C - 微纳米结构直写装置

Info

Publication number: CN100513300C
Application number: CNB200610135261XA
Authority: CN
Inventors: 孙道恒; 王凌云; 吴德志; 林立伟
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2006-11-28
Filing date: 2006-11-28
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2026-11-28
Also published as: CN1966399A

Abstract

微纳米结构直写装置，涉及一种亚微米线宽的聚合物材料直写装置。提供一种基于“近场静电纺丝”技术，实现高分子材料或具有一定粘性材料的快速直写，最小直径/线宽可低于300nm/20μm，突破了喷印技术的线宽限制，应用范围更加广泛的微纳米结构直写装置。设有微探针控制平台、集成高压静电电源、流量控制器、X-Y平台、探针和CCD显微镜；集成高压静电电源用于为探针提供电压，集成直流高压电源的正极接探针，负极接地；流量控制器固定在微探针控制平台上，流量控制器由管道连接探针；探针作为材料直写的喷丝头，探针安装于微探针控制平台上；显微镜用于观察静电纺丝过程及材料写入图形的效果，显微镜设于微探针控制平台上。

Description

微纳米结构直写装置

技术领域

本发明涉及一种基于静电纺丝技术的微、纳米尺度的材料或图案的直接喷写装置，尤其是涉及一种亚微米线宽的聚合物材料直写装置。

背景技术

在微纳米器件的研究开发中，实现位置、方向与数量可控的纳米线(nanowire)、纳米管(nanotube)及纳米纤维(nanofiber)与微米结构(如微电极)的集成是制造纳米器件如纳米传感器、执行器的关键。纳米材料的研究取得了显著的成果并且呈现出广阔的商业化前景，已经取得了很好的经济效益。鉴于其特殊的优良物理和化学性质，低维纳米材料是构建纳米器件和纳米结构的基础材料，国内外大批学者纷纷投入到基于低维纳米材料的电子器件、光学器件、传感器、执行器及生物功能器件的研发与开发。西方国家预测7年后可能实现最具市场前景的纳米器件的产业化，这将是纳米技术产业化的又一新的突破。然而，如何操纵(或生长)位置、方向和数量可控的纳米线，纳米管及纳米纤维，实现其与微米结构(如微电极等)的集成，成为目前纳米器件研究的关键，是未来实现纳米器件产业化的必须解决的基础性关键技术。

纳米操纵与微纳米结构集成技术已经成为近几年国际纳米器件技术研究的热点，但仍然处于起步阶段。相关研究主要集中在三个方面：(1)串行操纵。基于纳米级运动控制平台实现单根纳米线，纳米管的机械操纵(T.Fukuda，F.Arai，and L.X.Dong，Assembly ofNanodevices with Carbon Nanotubes through Nanorobotic Manipulations，Proceedings ofthe IEEE，2003，91，(11)：1803-1818)。系统复杂，效率低，成本高。(2)并行操纵。分散于溶液中的纳米线、纳米管借助于外场(如电磁场、流场、光等)、LB膜以及化学自组装等方式实现大面积并行化定向排列(S.G.Rao，S.Huang，Large-scale assembly of carbonnanotubes.Nature，2003，425：36)。(3)控制生长。将沉积催化剂的微电极置于控制气体成分、压力、流量、温度等参数的腔内，在电磁场引导下定向生长纳米线、纳米管，并连接到相对的微电极上(Ongi Englander，Dane Christensen，JongBaeg Kim，Liwei Lin andStephen Morris，Electric-Field Assisted Growth and Self-Assembly of IntrinsicSilicon Nanowires，Nano Letters，2005，5(4)：705-708)。上述第(2)和(3)属于并行化方法，可以实现大面集成，极具工程意义，但位置、数量难以控制，无法保证器件的一致性。

微纳米结构或图案的产生在微电子和微纳米机电系统(M/NEMS)的制作是最为关键的一步。目前较为成熟而被广泛使用的微纳米结构、图形产生技术主要如电子束、离子束和X-Ray等，以及软刻蚀如微接触印刷、蘸笔和纳米印痕等技术。其工艺复杂、价格昂贵(数十万到数百万美元)、开发成本高，不适合用于大面积和柔性器件的开发或生产制造；也不适合于微纳米器件，特别是简单结构器件如传感器等的原理样机的研究开发。微纳米结构的直写技术作为上述技术的补充或替代，在微纳米器件的研究开发与生产领域具有广阔的市场前景。

基于电液动力学的静电纺丝技术的研究可追溯到1934年(Formhals，A.Process andapparatus for preparing artificial threads US Patent 1,975,504(1934))。含聚合物液滴在高压电场作用下充满电荷并使液滴变形形成Taylor锥，进而喷射出连续的直径大致为100nm的纳米纤维和纳米管，因而有望成为纳米器件制造的强有力工具。然而，传统的静电纺丝技术由于其依赖于快速、杂乱的运动来获得纳米尺度直径的纳米纤维，其位置、方向及数量的不确定性等使得传统的电纺技术很难加工或写出人们需要的图形。

国际上一些著名的研究机构、企业纷纷投入开发此项技术，如Dimatix，XAAR，HP，富士等。Dimatix已经于今年开发出首款电子喷印设备并投放市场，售价8万美元左右。XAAR也开发出了商品化的打印头，售价4000美元。国内还没有相关研究的任何报道。目前的材料喷印头仍然以传统喷墨打印头技术为基础，最小液滴大约10pl，最小线宽50μm，进一步降低线宽非常困难，大大限制了该项技术的应用范围。

发明内容

本发明的目的在于针对传统静电纺丝技术的固有缺陷——无序性，提供一种基于“近场静电纺丝(Near-Field ElectroSpinning)”技术，实现高分子材料或具有一定粘性材料的快速直写，最小直径/线宽可低于300nm/20μm，突破了喷印技术的线宽限制，应用范围更加广泛的微纳米结构直写装置。

本发明设有微探针控制平台、集成高压静电电源(1kV)、精密流量控制器、高速精密X-Y平台(1.1m/s)、探针和CCD显微镜。微探针控制平台用于调节探针与写入基底之间的距离；集成高压静电电源用于提供给探针适当的电压，从而形成高压电场，使材料从探针头中喷射出亚微米的线条，集成直流高压电源的正极接探针，负极接地；精密流量控制器固定在微探针控制平台上，精密流量控制器用于材料的进给，从而控制探针头上的材料液滴的大小，精密流量控制器由管道连接探针，材料通过精密流量控制器由管道输送到探针；高速精密X-Y平台用于在二维空间中精确的定位出材料写入的位置，从而实现二维空间图形的写入；探针作为材料直写的喷丝头，探针安装于微探针控制平台上；显微镜用于观察静电纺丝过程及材料写入图形的效果，显微镜设于微探针控制平台上。

X-Y平台可采用移动速度为1.1m/s，500nm位移分辨率、5g加速度，行程为150mm的高速精密X-Y平台。

微探针控制平台在Z方向的位置调节范围为500μm-3mm。精密流量控制器的流量控制在4～10pl/s。高压静电电源控制在1kV以内，并内嵌于微探针控制平台上。

亚微米线宽的材料直写装置的基本工作原理是，通过精密流量控制器提供给探针的材料，在高压静电场的作用下，喷射出单根的亚微米线宽的线条。由于纺丝头与基片之间的距离较小，使得喷出的线条在出现无序运动之前就被沉积在基片上的指定位置。由于位置的确定性，在X-Y精密运动平台的带动下，可以直接写出所需要的图形或图案。

本发明的潜在的应用还包括：

(1)纳米线与纳米管操控。尽管一些一维纳米材料性能卓越，但缺乏有效操控技术形成需要的结构图案，无法在实际器件中得到应用。将纳米线/管均匀分散到高分子溶液中，在电纺的纳米纤维中将得到有序的、首尾相接的纳米线/管。

(2)生物组织的成型制造。生物组织具有复杂微纳米结构体系，要求生物支架具有从纳观到宏观尺度的多尺度结构。在常温和常压下进行材料与结构直写，可直接应用于具有可控微纳米结构的生物支架与组织成型。

(3)纤维增强复合材料及其成型。微纳米结构、材料直写技术将大大降低开发成本，缩短开发周期；采用材料添加方法极大地提高了材料的利用率。

本发明的突出优点主要表现在：1)与喷印技术相比，静电纺丝技术直写的微纳米结构可控制在20μm以下直至100nm，且材料均匀。2)与传统静电纺丝相比，近场静电纺丝直写结构位置、方向和数量可控，且纺丝电压大大降低(1KV左右)，远远低于传统电纺电压(大于10KV)。3)可以通过调整待写基片与喷头间距控制直写结构的线宽。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明的微探针控制平台设有Y方向直线导轨1、Y方向限位滑杆2、Y方向滑块3、固定支座4、Z方向直线导轨控制器5、Z方向直线导轨6、X方向滑块7、X方向限位滑杆8、直写区域9、精密流量控制及高压静电电源10、探针11、CCD显微镜12、高速精密X-Y平台13、X方向直线导轨控制器14、X方向直线导轨15、Y方向直线导轨控制器16和控制用计算机17。

其中X方向直线导轨15和Y方向直线导轨1分别在X方向直线导轨控制器14和Y方向直线导轨控制器16的带动作用下，根据控制用计算机17所给定的定位信息控制探针11在高速精密X-Y平台13上直写区域9中的精确位置。X方向限位滑杆8和Y方向限位滑杆2分别用于X方向滑块7和Y方向滑块3的方向限定，起到导轨的作用。固定支座4起到固定X方向直线导轨15和X方向限位滑杆8的作用，同时与高速精密X-Y平台13连接。精密流量控制及高压静电电源10和探针11通过Z方向直线导轨6与Z方向直线导轨控制器5相连接，在Z方向直线导轨控制器5的带动作用下从而实现探针11和直写区域9之间的距离调节。CCD显微镜12用于观察材料的直写过程和对图案结果进行评价。

高速精密X-Y平台具有500nm位移分辨率、1.1m/s移动速度、5g加速度，行程为150mm。可通过计算机控制运动加速度、速度、位置等参数。探针与直写区域在Z方向上的初始距离为3mm。在Z方向的位置调节范围为500μm-3mm。

精密流量控制器的流量控制在4pl/s-10pl/s之间。高压静电电源控制在1kV以内。微米尺度液态材料线宽小于20μm；纳米尺度固态纤维直径小于300nm；直写定位误差小于20μm。

Claims

1.微纳米结构直写装置，其特征在于设有微探针控制平台、集成高压静电电源、流量控制器、X-Y平台、探针和CCD显微镜，微探针控制平台用于调节探针与写入基底之间的距离；集成高压静电电源用于为探针提供电压，集成高压静电电源的正极接探针，负极接地；流量控制器固定在微探针控制平台上，流量控制器用于材料的进给，流量控制器由管道连接探针；X-Y平台用于在二维空间中精确的定位出材料写入的位置，实现二维空间图形的写入；探针作为材料直写的喷丝头，探针安装于微探针控制平台上；显微镜用于观察静电纺丝过程及材料写入图形的效果，显微镜设于微探针控制平台上。

2.如权利要求1所述的微纳米结构直写装置，其特征在于集成高压静电电源为1kV。

3.如权利要求1所述的微纳米结构直写装置，其特征在于X-Y平台为移动速度为1.1m/s，500nm位移分辨率、5g加速度，行程为150mm的X-Y平台。

4.如权利要求1所述的微纳米结构直写装置，其特征在于微探针控制平台在Z方向的位置调节范围为500μm-3mm。

5.如权利要求1所述的微纳米结构直写装置，其特征在于流量控制器的流量控制在4～10p1/s。

6.如权利要求1所述的微纳米结构直写装置，其特征在于集成高压静电电源内嵌于微探针控制平台上。