CN101111362A - 三维结构物的制造方法以及制造装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是使用喷墨印刷技术等,制造较高纵横尺寸比的三维结构物。具体地说,就是将含有溶剂以及分散在所述溶剂中的聚合物颗粒且粘度为100cps以下的溶液的液滴,从喷嘴朝向基板喷出;将光照射到所述液滴上,蒸发所述溶剂,并且,熔化所述聚合物颗粒;使所述已熔化的聚合物颗粒在基板上堆积,由此制造出三维结构物。本发明能够应用于生物芯片等的制造。
Description
技术领域
本发明涉及制造三维结构物的方法以及装置。本发明的特征是使用具有光照射机构的喷墨印刷技术等,喷射含有聚合物颗粒的液滴。
背景技术
近年来,人们研究开发着用于分离以及检测血液中的包含葡萄糖等的各种各样的成分,或者,以分离DNA(Deoxyribonucleic acid,脱氧核糖核酸)的成分为目的的DNA芯片或者免疫分析芯片等的生物传感器件。在这些器件中,形成具有从纳米到微米级的直径、数百微米高度的柱状物。因而,在器件的制作过程中,用于形成较高纵横尺寸比的三维结构物(包含纳米柱状物或者微米柱状物)的技术,是必不可少的。
以往,为了形成较高纵横尺寸比的三维结构物,使用纳米(nano-imprinting)技术(例如,热模压法)等,将微米尺寸或者纳米尺寸的形状转印到聚合物树脂或者光固化树脂上(例如,参照专利文献1)。在这些方法所使用的模具中形成有较高纵横尺寸比的柱状物,但是,要形成较高纵横尺寸比的柱状物,还需要制作精细形状模具的技术。因而,将作为所述模具的材料的金属或者石英等难于加工的材料加工成较高纵横尺寸比的技术,则是必不可少的。
利用纳米压印技术制造三维结构物时,每当改变三维结构物的设计,就必须重新制作微型模具。而微型模具的制作需要消耗时间和费用,在技术方面困难也颇多。还有,在设计变更比较多的器件试制或者多品种少批量生产中,因为需要制作多品种的模具,所以,有时会不太适合使用纳米压印技术。另外,在由纳米压印技术进行的起模工序中,制造的三维结构物的纵横尺寸比越高,用于模具起模所需的作用力就越大。因此,很难做到在不使所制造的较高纵横尺寸比的三维结构物的微小的凹凸变形的情况下、高精度且容易地分离模具。例如,在纳米压印技术中,形成纵横尺寸比为3以上的纳米柱状物,往往是非常困难的。
另一方面,喷墨印刷技术,作为在基板上直接形成微型图案的技术,已广为人知(例如参照专利文献2)。如果使多个水平排列的喷墨喷嘴进行扫描动作(scanning action),并从每个喷墨喷嘴中喷射材料,则具有能够以较短的时间、较低的成本形成所希望的二维形状的优点。
喷墨印刷技术,因为不像纳米压印技术那样需要微型模具,所以,适合多品种少批量生产。但是,从喷墨喷嘴喷射的材料仅限于低粘度(例如,1~10cps程度)的材料。由此,当喷出的材料与基板接触时,就会在基板上扩散,因此,不能够将喷出的材料堆积起来,亦难于形成较高纵横尺寸比的形状。由此,不能够有效地应用于像纳米柱状物或者微米柱状物这样的三维结构物的制造。
【专利文献1】(日本)特开2004-288783号公报
【专利文献2】(日本)特开2001-284670号公报
如上所述,以往的纳米压印技术,在多品种少批量生产或者设计变更比较多的器件试制等中,因为需要较多的微型模具,所以有时不太适用。而且,微型模具的制造本身,也往往难于实现。
另一方面,以往的喷墨印刷技术,是一种能够灵活地与设计变更对应,且能够在短时间内形成二维形状的技术,但是其问题是可从喷嘴喷出的材料被限定为低粘度的材料。而低粘度的材料,在基板上呈横向扩散,所以,不能够进行三维堆积,因此,用以往的这种喷墨印刷技术难以制造三维结构物。
发明内容
本发明的目的是使用喷墨印刷技术等,制造任意形状的三维结构物。并由此提供一种三维结构物的制造方法以及制造装置,使之能够容易地与较高纵横尺寸比的三维结构物的设计变更对应。
本发明者有效地应用适用了光照射机构的喷墨印刷技术等,发现:通过喷出聚合物颗粒被分散的100cps以下的粘度的溶液的液滴,能够制造所希望形状的三维结构物。
即,本发明的特征是,在喷墨印刷技术中,在溶液的液滴接触基板之前,将光照射到从喷嘴喷出的溶液的液滴上,使该液滴的溶剂蒸发且使该液滴中含有的聚合物颗粒熔化,以此提高粘度。本发明的理论根据,是将所述提高了粘度的液滴接触基板并使之凝固,然后,不断地堆积液滴,由此堆积成凝固物,从而能够制造出所希望的三维结构物。
即,本发明的第一方面,是有关以下所表示的三维结构物的制造方法。
(1)、一种三维结构物的制造方法,包括:
喷出步骤,将含有溶剂以及分散在所述溶剂中的聚合物颗粒且粘度为100cps以下的溶液的液滴,从喷嘴朝向基板喷出;
熔化步骤,将光照射到所述液滴上,使所述液滴中含有的溶剂蒸发并使所述液滴中含有的聚合物颗粒熔化;以及,
堆积步骤,将所述熔化的聚合物颗粒在基板上堆积。
(2)、如(1)所述的制造方法,其中,所述喷出通过压电方式的喷墨来进行。
(3)、如(1)或者(2)所述的制造方法,其中,光向所述液滴的照射,是在所述液滴接触所述基板之前进行的。
(4)、如(1)~(3)中任一项所述的制造方法,其中,所述光是红外线或者紫外线。
(5)、如(1)~(4)中任一项所述的制造方法,其中,所述光是激光。
(6)、如(1)~(5)中任一项所述的制造方法,其中,所述光是从所述喷嘴方向或者所述喷嘴的侧方向所述液滴照射。
(7)、如(1)~(6)中任一项所述的制造方法,其中,利用所述光的照射,将所述液滴的粘度变化到100cps以上。
(8)、如(1)~(7)中任一项所述的制造方法,其中,使所述基板或者喷嘴在XYZ方向上任意地移动。
(9)、如(1)~(8)中任一项所述的制造方法,其中,所述聚合物颗粒的平均粒径为1μm以下。
(10)、如(1)~(9)中任一项所述的制造方法,其中,所述聚合物颗粒是空心颗粒。
(11)、如(1)~(10)中任一项所述的制造方法,其中,所述聚合物颗粒包含2种以上不同粒径的颗粒。
(12)、如(1)~(11)中任一项所述的制造方法,其中,所述三维结构物是柱状物。
本发明的第二方面,是有关以下所表示的三维结构物的制造装置。
(13)、一种三维结构物的制造装置,包括:
喷嘴,其将含有溶剂以及分散在所述溶剂中的聚合物颗粒的溶液的液滴,朝向基板喷出;振动部,其使所述溶液发生振动;光源,其将光照射到从所述喷嘴喷出的溶液的液滴上;以及,驱动机构部,其使所述喷嘴或者基板在XYZ方向上移动,
所述光源设置在所述喷嘴的喷出口的上方或者侧方。
(14)、如(13)所述的制造装置,其中,所述光源是红外线激光器或者红外线照射装置。
(15)、如(13)所述的制造装置,其中,所述光源是紫外线激光器或者紫外线照射装置。
(16)、如(13)~(15)中任一项所述的制造装置,其中,包括使所述基板或者光源发生振动的机构。
根据本发明的三维结构物的制造方法,能够容易地制造任意的三维结构物,而且,能够容易地与三维结构物的设计变更对应。
附图说明
图1是实施方式1的三维结构物的制造装置的概略图。
图2是实施方式2的三维结构物的制造装置的概略图。
图3是实施方式3的三维结构物的制造装置的概略图。
图4是实施方式3的三维结构物的制造装置的概略图。
具体实施方式
1、本发明的三维结构物的制造方法
本发明的三维结构物的制造方法,包括以下步骤:1)将含有溶剂以及分散在溶剂中的聚合物颗粒的溶液的液滴,从喷嘴朝向基板喷出;2)将光照射到液滴上,以熔化聚合物颗粒;以及,3)将熔化的聚合物颗粒在基板上堆积。
在本发明的制造方法中,含有聚合物颗粒的溶液的粘度为100cps以下为好,更加理想的是小于100cps,最好是10cps以下。这是为了能适当地将所述溶液的液滴从喷嘴喷出。溶液的粘度只要用通常的粘度测量法求出即可。例如,只要输入剪切速度,根据输出的剪切应力求出粘度即可,只要使用(旋转式)流变仪进行测量即可。
有关喷出液滴的方法以后还要叙述,优选的做法是使收纳在喷墨头中的溶液发生振动后,再将其从喷嘴喷出。
溶液中含有的聚合物颗粒的成分并无特别限制,例如,聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚丁二烯、聚乙烯等。聚合物颗粒的玻璃化温度(glass transition temperature)或者熔点,优选的是90℃以下。这是因为将光照射到喷出的液滴上时,其所含的聚合物颗粒比较容易熔化。另外,如后所述,聚合物颗粒的材料也可以与基板的材料相同。
所述聚合物颗粒的平均粒径,优选的是1μm以下,更加理想的是0.5μm以下。这是因为有利于制造精细的三维结构体(例如,纳米柱状物或者微米柱状物)。对溶液中聚合物粒径的测定,以例如用图像处理法测定的等表面积当量直径(area-equivalent diameter)来进行测定。
所述聚合物颗粒也可以是空心颗粒。实心颗粒的颗粒内部一般难于导热,当颗粒内部未熔化的实心颗粒在基板上堆积时,往往不能被适当地堆积,因此有时不能制造所希望的三维结构体。另一方面,空心颗粒导热均匀,进而能够将光照射的热量封闭在内部,因此,用低能量的光就能熔化。
所述聚合物颗粒,也可以由二种以上的不同粒径的颗粒组合而成。即,在所述溶液含有的聚合物颗粒的粒径分布中,能有二个以上的峰值。通过对不同粒径的颗粒进行组合,与包含有相同粒径的颗粒的溶液进行比较,即使颗粒含有率相同,也能够生成粘度比较低的溶液。通过降低粘度,就能够防止在喷嘴的喷出口处出现堵塞。
所述聚合物颗粒的核的物质和对核进行涂敷的物质也可以不同。例如,可以将玻璃化温度高的聚合物涂敷到由玻璃化温度低的聚合物构成的核上;也可以将玻璃化温度低的聚合物涂敷到由玻璃化温度高的聚合物构成的核上。
所述聚合物颗粒优选均匀地分散在溶剂中。因而,也可以将抑制沉淀用的高分子材料在聚合物颗粒的周围进行物理吸附或者化学吸附。
所述聚合物颗粒在所述溶液中的浓度,只要将溶液的粘度调整到100cps以下、体积百分率为50~95%左右即可。
含有所述聚合物颗粒的溶液的溶剂,可以是水性溶剂,也可以是有机溶剂,但是,优选的是以水或者低沸点乙醇为主要成分。因为通过将光照射到从喷嘴喷出的溶液的液滴上来蒸发溶剂,溶剂的沸点优选的是60℃以下。
所述溶液以液滴的形式从喷嘴朝向基板喷出。喷嘴是喷墨头的喷嘴,或者是分配器(dispenser)的喷嘴等。喷嘴的喷出口的面积可根据所要制造的三维结构物的形状来进行选择,例如,如果是圆形,直径为40μm~200μm左右即可。
液滴从喷墨头的喷嘴或者分配器的喷嘴喷出,优选的是喷墨。例如,优选的是通过使收纳在喷墨头中的溶液高速振动,使液滴从喷嘴喷出。所述振动可使用压电元件来进行。即,优选的是液滴通过压电方式的喷墨而喷出。另外,液滴以脉冲为单位反复地喷出。
从喷嘴喷出的液滴的量(1个脉冲),根据所要制造的三维结构物的形状而恰当地进行选择,优选的是为3pl~20pl左右。液滴的量可以根据喷嘴的喷出口的面积、使溶液发生振动的程度、溶液的粘度等来进行调整。
在接受所喷出液滴的基板材料的例子中,与聚合物颗粒材料的例子相同地,可以包含聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚丁二烯、聚乙烯等。基板的材料和聚合物颗粒的材料不一定加以限定,但优选的是两者相同。根据本发明制造的三维结构物应用于生物芯片等,如果基板和聚合物颗粒是相同的材料,则易于控制在三维结构物上进行的化学反应,并且,使该反应比较稳定。
通过将光照射到从喷嘴喷出的液滴上,使溶剂蒸发并使聚合物颗粒熔化。由此,提高液滴的粘度。经光照射过的液滴的粘度,优选的是100cps以上。所述光的照射在从喷嘴所喷出的液滴接触基板之前进行。包含熔化了的聚合物颗粒的高粘度的液滴,在到达基板上时已难于扩散,因而能够直接凝固。如果在基板上已凝固的聚合物颗粒上,进一步不断地堆积高粘度的液体并使之凝固,就能够制造出由聚合物形成的三维结构物。
在所述光的举例中,包含红外线以及紫外线。另外,所述光也可以是激光,如果使用激光则能够高效率地对液滴进行加热。对进行照射的激光器没有什么特别限制,例如,使用YAG激光器、半导体激光器、紫外激光器等即可。
可以将激光作为平行光,对液滴进行照射;也可以将焦点对准液滴进行照射。这些都是为了更加高效率地对液滴进行加热。另外,调整激光的照射输出,还能够对照射后的液滴的粘度进行控制。另外,也可以对每个喷出的液滴,改变激光的照射输出。例如,与照射到刚喷出的液滴上的激光相比,只要阶段性地增加照射到后来喷出的液滴上的激光的输出即可。在三维结构物的下部(先堆积的部分)和上部(后堆积的部分),通过改变硬度,就能够减轻所制造的三维结构物的应力负载。
所述光对于喷出的液滴能够从任意的方向进行照射。也就是说,既可以从喷嘴方向照射,也可以从喷嘴的侧方进行照射,还可以从基板方向进行照射。而优选的是从喷嘴方向或者喷嘴的侧方进行照射。
利用光照射除去了溶剂的液滴中包含的熔化的聚合物颗粒,在到达基板上时冷却并凝固。因为提高了液滴的粘度,所以,液滴在基板上不容易扩散。这样,通过将熔化的聚合物颗粒依次地堆积起来,就能够制造出三维结构物。
也可以利用光进一步照射已到达基板上的熔化的聚合物颗粒。因此,到达基板上时的聚合物颗粒即使没有完全熔化,或者没有完全除去溶剂也是可以的,这种情况下,优选的是对基板上的聚合物颗粒用光进行照射。
在所述堆积中,使基板或者喷嘴在三维方向上任意地进行移动,能够制造出所希望形状的三维结构物。例如,将基板设置在能够在三维空间移动的工作台上,或者,通过将旋转机构和平移机构(simultaneous advancemechanism)分别地应用在喷嘴和基板上,使之进行移动,而形成任意的形状。
另外,也可以使光源或者基板发生微小振动。由此,能够将光均匀地照射到液滴整体上。
根据本发明的制造方法,能够制造任意形状的三维结构物,比如说,能够制造柱状物。柱状物宽度可以是数百nm~数百μm、高度可以是1~100μm。进一步地,柱状物优选的是纵横尺寸比(高度/宽度)为1以上。制造出来的柱状物在中途弯曲或形成倒锥状。
另外,也可以在基板上预先设置用肋状物(rib)等隔开的空间,将聚合物颗粒堆积在该空间。通过在颗粒堆积后除去肋状物,能够制造出更大的三维结构物。用于设置空间的肋状物,例如,可以用抗腐蚀(resist)材料作成。
本发明的制造方法,没有特别的限定,能够适用于生物芯片的制造等。
2、本发明的三维结构物的制造装置
上述的三维结构物的制造方法,能够使用以下所示的制造装置来实施。本发明的三维结构物的制造装置,包括:喷嘴,其使含有聚合物颗粒的溶液的液滴朝向基板喷出;振动部,其使所述溶液发生振动;光源,其将光照射到从所述喷嘴喷出的液滴上;以及,驱动机构部,其使所述喷嘴或者基板在XYZ方向上移动。
在本发明的制造装置中的喷嘴,只要是喷墨头的喷嘴、或者是分配器的喷嘴即可。将含有聚合物颗粒的溶液收纳在该喷墨头或者分配器喷头中。
所述振动部例如包含压电元件。所谓压电元件(Piezoelectric),是当施加电压时形状会发生变形的陶瓷。压电元件配置在收纳含有聚合物颗粒的溶液的喷墨等装置上,通过对压电元件施加电压,使该溶液发生振动。压电元件的结构没有特别限制,可以是压电片(piezoelectric plate),也可以是层叠压电元件(laminated piezoelement)。
所述光源可以是紫外线或者红外线照射装置,但优选的是使用激光器。在光源是激光器的情况下,也可以具有使激光成为平行光的凸透镜。另外,也可以具有用于将焦点对准液滴的聚光镜。
所述光源可以设置在喷嘴的上方(参照图1以及图2),也可以设置在侧方(参照图3以及图4)。如果将光源设置在喷嘴的上方,这样做是考虑到激光易于照射到液滴上,而且能够使装置小型化。另一方面,如果将光源设置在喷嘴的侧方,则可以简化喷墨等的喷头结构,从而降低装置的成本。另外,将光源设置在喷嘴的侧方,考虑到这样比较容易发生振动。
所述驱动机构部,例如包括使承载基板的工作台成三维地移动的构件;或者,能够分别地适用于喷嘴和基板的旋转机构和平移机构的组合。
以下,有关本发明的实施方式,在参照附图的同时进行说明。
(实施方式1)
图1是表示制造三维结构物的装置的一部分,即喷墨头的例子。1表示压电元件、2表示喷嘴、3表示激光、4表示激光器、5表示透镜、6表示溶剂、7表示聚合物颗粒、以及8表示已提高了粘度的液滴。
通过压电元件1进行高速振动,从喷嘴2将溶剂6以及聚合物颗粒7作为液滴喷出。从激光器4(例如,YAG激光器、半导体激光器、或紫外激光器等)振荡激光3,通过透镜5将激光3转换为平行光,然后,将已转换为平行光的激光3的焦点聚焦在所述喷出的液滴上。
利用经聚光的激光,对喷出的液滴进行加热,以蒸发溶剂并熔化溶液中包含的聚合物颗粒。由此,液滴从喷嘴喷出后,变为粘度较高的液滴8。当该高粘度的液滴8到达制造三维结构物的平面(基板)上时,经冷却从液体变为固体。这样,通过将由高粘度的液滴8转换成的固体依次堆积,就能够制造出三维结构物。
另外,使承载基板的工作台制成为可三维地移动的工作台,或者,将旋转机构和平移机构的组合(未图示)分别地适用于喷嘴和基板,就能够制造任意形状的三维结构物。进一步地,为了将光均匀地照射到液滴整体上,能使光源或者基板发生微小的振动为佳。
虽然图1表示了使用喷墨装置的例子,也可以使用分配器等来代替喷墨装置。
(实施方式2)
图2是表示制造三维结构物的装置的一部分,即喷墨头的另外的例子。在图2中,有关与图1相同的结构要素,使用相同的附图标记并省略说明。
通过使设置在喷墨头的压电元件1高速地振动,使包含所述聚合物颗粒7的溶液的液滴喷出。激光器4设置在喷墨头内部的中央位置设有的圆筒中。而且,使溶液不会流入圆筒中。
为了促进溶液的喷出,也可以从设置在喷墨头内部的圆筒中流出气体。该气体可以是热风,用来改变所喷出来的液滴的粘度。
将激光3照射到喷出后的液滴上,溶剂(例如水)蒸发,液滴中包含的聚合物颗粒亦被加热,从固体熔化为高粘度的液体。该高粘度的液体,在到达形成立体的面后又被冷却,从液体变为固体。这样,通过对由高粘度的液体转换来的固体进行堆积,就能够制造出三维结构物。
与实施方式1相同地,使承载基板的工作台成为可三维地移动的工作台,或者,将旋转机构和平移机构的组合(未图示)分别地适用于喷嘴和基板,就能够制造任意形状的三维结构物。进一步地,为了将光均匀地照射到液滴整体上,能使光源或者基板发生微小的振动为佳。
(实施方式3)
图3以及图4是表示本发明中制造三维结构物的装置,也即喷墨头部的另外的一个例子。在图3以及图4中,有关与图1相同的结构要素,使用相同的附图标记并省略说明。
通过使喷墨装置内部的压电元件1高速地振动,能够使所述包含聚合物颗粒7的溶液的液滴喷出。激光器4设置在喷墨头的外部,在图3中,设置在与喷嘴大致呈水平的位置上;在图4中,则设置在喷嘴的斜上部。如图所示,激光3若为平面形状,就比较容易照射到所喷出的聚合物颗粒上。
这时候,也可以对激光进行聚光,从侧面对包含聚合物颗粒的液滴进行照射。若对喷出后的液滴照射激光3,则作为溶剂的水分被蒸发,溶液中包含的聚合物颗粒从固体转化为液体。而高粘度的液体在到达形成立体的表面后,液体又冷却为固体。这样,通过堆积由高粘度的液体转换成的固体,就能够制造出三维结构物。
与实施方式1相同地,使承载基板的工作台制作成为可三维地移动的工作台,或者,使旋转机构和平移机构的组合(未图示)分别地适用于喷嘴和基板,就能够制造任意形状的三维结构物。另外,为了将光均匀地照射到液滴整体上,能使光源或者基板发生微小的振动为佳。
工业实用性
利用本发明,能够容易地制造纳米柱状物或者微米柱状物等的、有较高纵横尺寸比的三维结构物。因此,能够应用于制造DNA分离和免疫分析芯片等的生物传感器件、显微镜、偏光器件等的光学器件;以及光子晶体等。
本申请主张基于2005年12月1日申请的第2005-347613号日本专利申请的优先权。该申请说明书中所记载的内容,全部引用于本申请说明书。
Claims (16)
1.一种三维结构物的制造方法,包括以下步骤:
将含有溶剂以及分散在所述溶剂中的聚合物颗粒且粘度为100cps以下的溶液的液滴,从喷嘴朝向基板喷出;
将光照射到所述液滴上,使所述液滴中含有的溶剂蒸发,并且,使所述液滴中含有的聚合物颗粒熔化;以及,
使所述熔化的聚合物颗粒在基板上堆积。
2.如权利要求1所述的三维结构物的制造方法,其中,所述喷出通过压电方式的喷墨来进行。
3.如权利要求1所述的三维结构物的制造方法,其中,光向所述液滴的照射,是在所述液滴接触所述基板之前进行的。
4.如权利要求1所述的三维结构物的制造方法,其中,所述光是红外线或者紫外线。
5.如权利要求1所述的三维结构物的制造方法,其中,所述光是激光。
6.如权利要求1所述的三维结构物的制造方法,其中,所述光是从所述喷嘴方向、或所述喷嘴的侧方向所述液滴照射的。
7.如权利要求1所述的三维结构物的制造方法,其中,通过所述光的照射,使所述液滴的粘度变化到大于或等于100cps。
8.如权利要求1所述的三维结构物的制造方法,其中,使所述基板或者喷嘴在XYZ方向上任意地移动。
9.如权利要求1所述的三维结构物的制造方法,其中,所述聚合物颗粒的平均粒径为1μm以下。
10.如权利要求1所述的三维结构物的制造方法,其中,所述聚合物颗粒是空心颗粒。
11.如权利要求1所述的三维结构物的制造方法,其中,所述聚合物颗粒包含2种以上不同粒径的颗粒。
12.如权利要求1所述的三维结构物的制造方法,其中,所述三维结构物是柱状物。
13.一种三维结构物的制造装置,包括:
喷嘴,其将含有溶剂以及分散在所述溶剂中的聚合物颗粒的溶液的液滴,朝向基板喷出;
振动部,其使所述溶液发生振动;
光源,其将光照射到从所述喷嘴喷出的溶液的液滴上;以及
驱动机构部,其使所述喷嘴或者基板在XYZ方向上移动,
所述光源设置在所述喷嘴的喷出口的上方或者侧方。
14.如权利要求13所述的三维结构物的制造装置,其中,所述光源是红外线激光器或者红外线照射装置。
15.如权利要求13所述的三维结构物的制造装置,其中,所述光源是紫外线激光器或者紫外线照射装置。
16.如权利要求13所述的三维结构物的制造装置,其中,还包括使所述基板或者光源发生振动的机构。
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