CN103009632B - 基于声表面波的微阵列无模成型装置及成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声表面波的微阵列无模成型装置及成型方法。在正方形的压电基体板上光刻有两对叉指换能器，每对以正方形的压电基体板中心轴为轴线对称布置，在压电基体板中间放置正方形的玻璃液槽并与压电基体板胶结，被成型的液态材料置于玻璃液槽中。超声表面波在压电基体板中传播，其能量以一定角度泄露到被成型的液态材料中形成声场，调节信号发生器和功率放大器改变超声表面波的幅值、频率和相位，从而使成型的液态材料表面形成稳定的所需微阵列结构，通过紫外光照射使其固化成型。本发明利用声场对液态材料快速成型制造出表面微阵列结构，不需要模具，制造工艺简单，设备要求低，操作简便，生产成本低，材料利用率高，生产效率高。

Description

基于声表面波的微阵列无模成型装置及成型方法

技术领域

本发明涉及微成型装置及成型方法，尤其是涉及一种基于声表面波的微阵列无模成型装置及成型方法。

背景技术

随着科技的进步，产品不断向微型化发展。微系统作为多学科交叉的研究领域，融合机械、电子、材料、力学等学科，在生物医学、航空航天、电子信息等领域得到广泛应用，特别是微机电系统（MEMS）的发展应用开拓了一个全新的技术领域和产业。微小构件作为微系统的重要组成部分，其成型制造方法一直是研究的热点。微阵列结构是指表面具有微小凸台或波纹阵列的结构，由于其特殊的表面微阵列形貌，具有比表面积大的特点，因此适用于作为化学反应催化剂的载体以增大反应接触面积，此外，表面微阵列形貌能产生较大的摩擦力，因此适用于作为一般微小构件的外表层，如仿生皮肤的外表层。目前，传统的微小构件的成型制造技术主要有光刻技术、LIGA技术、超精密微机械制造技术、快速光固化方法等。

光刻技术主要应用在微电子中。它一般是对半导体进行加工，采用一个部分透光的掩模板，通过曝光、显影、刻蚀等技术获得和掩模板一样的图形。由于掩膜板的磨损，光刻技术制造寿命很低，此外其工艺步骤多，生产效率低。

LIGA工艺是一种基于X射线光刻技术的MEMS加工技术，主要包括X光深度同步辐射光刻，电铸制模和注模复制三个工艺步骤。由于X射线有非常高的平行度、极强的辐射强度、连续的光谱，LIGA技术制造出的三维立体结构尺寸较大，精度较高。但LIGA技术一般需要特殊设备和贵金属，成本太高，费时，工艺步骤繁多。

超精密微机械制造技术是利用微型化的加工设备对工件进行加工的方法，如微铣床、微车床等。这种方法跟宏观的机械加工设备操作方法相同，但是这种微制造技术对微制造设备要求较高，生产周期长，生产效率低。

快速光固化成型方法是基于液态光敏材料的光固化原理，利用光使液态材料中的光敏材料发生光化学反应，产生具有引发活性的碎片，引发材料中的预聚体和单体聚合及交联固化。其工艺是在液槽中盛满液态光敏材料，紫外光束在控制系统的控制下按零件的各分层截面信息在光敏材料表面进行逐点扫描，使被扫描区域的材料薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。一层固化完毕后，在原先固化好的材料表面再敷上一层新的液态材料，新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此重复直至整个零件制造完毕，得到一个三维实体原型。将快速光固化成型方法应用于微成型制造是一种新兴的微成型方法，这种成型技术属于材料堆积技术，相对于传统的微制造技术，该技术材料利用率、成型速度、精度都比较高，因此采用光固化成型方法制造表面微阵列结构比传统的微制造技术有很大的优势，但逐点、逐层扫描固化的方式降低了其生产效率，限制了快速光固化微成型方法的发展和应用。

发明内容

为克服传统微成型技术和快速光固化成型方法的缺陷，结合快速光固化成型方法，利用超声表面波的声场作用，本发明提出了一种基于声表面波的微阵列无模成型装置及成型方法。利用高频的超声表面波使液态材料中形成稳定的声场，液态材料在与空气接触的界面即液态材料的表面上产生微阵列结构，调节超声表面波的振幅、频率、相位，从而改变微阵列的高度、大小、位置，在液态材料表面形成理想的微阵列形貌，并利用紫外光灯对成型的液态材料进行光照固化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种基于声表面波的微阵列无模成型装置：

本发明在正方形的压电基体板上光刻有两对叉指换能器，每对叉指换能器以正方形的压电基体板中心轴为轴线对称布置，在压电基体板中间放置正方形的玻璃液槽并与压电基体板胶结，被成型的液态材料置于玻璃液槽中。

所述两对叉指换能器中，每对叉指电极与各自压电基体板边缘平行的一边贴有吸声材料。

所述正方形的玻璃液槽为无底玻璃液槽，通过其玻璃壁面与正方形的压电基体板胶结。

所述正方形的玻璃液槽的边长小于等于叉指换能器的孔径。

二、一种基于声表面波的微阵列无模成型方法，该方法包括以下各步骤：

1) 将基于声表面波的微阵列无模成型装置放置在水平的平面上，使被成型的液态材料液面平坦，将产生射频电信号的多通道信号发生器和功率放大器与四个叉指换能器电极相连；

2) 开启多通道信号发生器输出射频电信号并将射频电信号传输给功率放大器，功率放大器对射频电信号进行放大并分别传给四个叉指换能器，在各叉指电极间形成电场使压电基体板表面发生机械振动，并激发出与信号发生器输出电信号同频率的超声表面波，沿着压电基体板向两侧传播产生表面波，其中朝压电基体板边缘传播的超声表面波被吸声材料吸收，朝压电基体板中心传播的超声表面波进入被成型的液体材料时产生了一个折射角为θr的纵波，四个纵波在被成型的液体材料叠加形成稳定的声场，在多个声场的叠加作用下使被成型的液态材料表面形成稳定的微阵列形貌；

3) 采用三维显微镜观察微阵列的形貌，调节信号发生器和功率放大器改变输入的射频电信号，从而改变超声表面波的振幅、频率和相位，相应地改变微阵列的高度、大小、位置，使被成型的液态材料表面形成所需的微阵列形貌；

4)调节成所需的微阵列形貌后，采用紫外光照射，使被成型的液体材料迅速固化。

本发明具有的有益效果是：

（1）本发明通过超声表面波使成型的液态材料表面形成理想的微阵列形貌，并通过紫外光照射快速固化，这种方法适用于多种材料的表面微阵列成型制造，包括树脂、涂料、油墨等；

（2）利用高频的超声表面波使液体材料表面成型，成型速度快，通过紫外光照液态材料可以迅速固化，整个生产过程周期短，生产效率高；

（3）本发明所用设备简单，在压电基体板上光刻叉指换能器，制造工艺成熟，使用超声场使液体材料成型，不需要模具，因此制造成本较低；

（4）本发明采用光固化成型方法，属于材料堆积技术，相对于传统的微制造技术，该技术材料利用率比较高。

附图说明

图1是基于声表面波的微阵列无模成型装置示意图。

图2是基于声表面波的微阵列无模成型装置接线图。

图3是超声表面波在被成型的液体材料中传播示意图。

图4是激发表面波后的基于声表面波的微阵列无模成型装置示意图。

图5是基于声表面波的微阵列无模成型装置在显微镜下观察调节图。

图6是被成型的液态材料在紫外光照射下固化示意图。

图中1．压电基体板，2．叉指换能器，3．玻璃液槽，4．被成型的液态材料，5．吸声材料，6．超声表面波，7、纵波，8、多通道信号发生器，9、功率放大器，10.三维显微镜，11.紫外光灯。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明在正方形的压电基体板1上光刻有两对叉指换能器2，每对叉指换能器2以正方形的压电基体板1中心轴为轴线对称布置，在压电基体板1中间放置正方形的玻璃液槽3并与压电基体板1胶结，被成型的液态材料4置于玻璃液槽3中。

所述正方形的玻璃液槽3为无底玻璃液槽，通过其玻璃壁面与正方形的压电基体板1胶结，玻璃液槽3盛有的被成型的液态材料4厚度小于等于5mm。

所述正方形的玻璃液槽3的边长小于等于叉指换能器2的孔径。

本发明的微波纹表面成型制造装置，由压电基体板1、两对叉指换能器2、玻璃液槽3、被成型的液态材料4组成。基于声表面波的微阵列无模成型装置的具体制造方法如下：

(1) 选用128°Y-X切向的铌酸锂(LiNbO₃)作为压电基体板1的材料，声表面波的波速是3990m/s，将一块方形的具有压电效应的压电基体板1经表面抛光，在其表面用电子束蒸发蒸镀一层厚度为1微米的金属膜，选用铝膜作为金属膜的材料，压电基体板1材料可以是铌酸锂、人造石英、钽酸锂、锗酸铋等，所述的金属膜可以是铝膜、铜铝复合膜、铝钛复合膜等；

(2) 将四块设计好的有叉指图案的掩膜板与涂有光刻胶的压电基体板1四边对称紧密接触，用平行的紫外光进行曝光，再对金属膜进行刻蚀，制成四个结构相同的叉指换能器，每个叉指换能器有18对叉指电极，叉指电极的电极宽度、电极间隔相等，均为0.1mm，周期为0.4mm，孔径为12mm，每对叉指换能器2以基体板中心轴线对称布置，并在压电基体板1的四边与相应的四个叉指换能器2之间贴有吸声材料5为泡沫玻璃；

(3) 无底的薄壁玻璃液槽3边长为10mm，与压电基体板1通过胶体粘接，并置于两对叉指换能器2中间；

(4)被成型的液态材料4按质量份数由80份预聚体环氧树脂、20份稀释剂正丁基缩水甘油醚、3份光引发剂混合型三芳基六氟磷酸硫鎓盐和1份光敏剂异丙基硫杂蒽酮均匀地混合制成，将1mm厚的成型的液态材料4置于透明的薄壁玻璃液槽中，所述的预聚体可以是环氧树脂、涂料或油墨等。

如图2、图3、图4、图5及图6所示，本发明的基于声表面波的微阵列无模成型方法具体实施过程如下：

(1)如图2所示，将基于声表面波的微阵列无模成型装置置于水平的平面上，使成型的液态材料4液面平坦，将产生射频电信号的多通道信号发生器8和功率放大器9与四个叉指换能器电极相连，多通道信号发生器8产生交变的电信号，经功率放大器9放大，其中多通道信号发生器8的通道1、通道2分别与功率放大器9的输入通道1、输入通道2相连，功率放大器9的输出通道1、输出通道2相应地与两对叉指换能器2相连，使相对的叉指换能器2产生相等的超声表面波，为避免连线繁杂，可以将叉指电极的连线焊接在一块PCB板上。

(2)如图3、图4所示，开启多通道信号发生器8输入两个频率为10Mhz-20Mhz的交变电信号，经功率放大器9输出的交变信号功率为5-20W，分别激发两对叉指换能器2，在叉指电极间形成电场使压电基体板1表面发生机械振动，产生与多通道信号发生器8输出电信号同频率的超声表面波6，沿着压电基体板1向两侧传播产生表超声表面波6，其中朝压电基体板边缘传播的超声表面波6被吸声材料5吸收，朝压电基体板中心传播的超声表面波6遇到被成型的液体材料4时产生了一个纵波7，纵波7以折射角为θr进入被成型的液体材料4，四个纵波7在被成型的液体材料4中形成稳定的声场，在这个声场的叠加作用下使被成型的液态材料4表面形成稳定的微阵列形貌。

(3)如图5所示，利用三维显微镜10观察微阵列的形貌，调节多通道信号发生器8分别改变两个输入交变电信号的频率f，由公式λ=c/f，式中c为波速，λ为波长，相应地改变超声表面波6的波长，从而调节液体表面微阵列在水平面x、y方向上的大小，调节多通道信号发生器8分别改变两个输入交变信号的相位Φ，相应地改变超声表面波6的相位，实现液体表面微阵列在水平面x、y方向上的移动，调节功率放大器9改变超声表面波6的振幅A，对应于调节液体表面微阵列的高度，最终使成型的液态材料4表面形成所需的微阵列形貌。

(4)如图6所示，被成型的液态材料4表面形状调节好后，采用紫外光灯5在200W-300W的输出功率下照射5-10分钟，被成型的液态材料4迅速固化。

本实例用了两对叉指换能器，可以对微阵列的大小、位置、高度进行调节，也可以用多对叉指换能器环形布置，使微阵列调节精度更高。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于声表面波的微阵列无模成型方法，其特征在于，该方法包括以下各步骤：

1) 将基于声表面波的微阵列无模成型装置放置在水平的平面上，使被成型的液态材料液面平坦，将产生射频电信号的多通道信号发生器和功率放大器与四个叉指换能器电极相连；

2) 开启多通道信号发生器输出射频电信号并将射频电信号传输给功率放大器，功率放大器对射频电信号进行放大并分别传给四个叉指换能器，在各叉指电极间形成电场使压电基体板表面发生机械振动，并激发出与信号发生器输出电信号同频率的超声表面波，沿着压电基体板向两侧传播产生表面波，其中朝压电基体板边缘传播的超声表面波被吸声材料吸收，朝压电基体板中心传播的超声表面波进入被成型的液体材料时产生了一个折射角为θr的纵波，四个纵波在被成型的液体材料叠加形成稳定的声场，在多个声场的叠加作用下使被成型的液态材料表面形成稳定的微阵列形貌；

3)利用三维显微镜观察微阵列的形貌，调节多通道信号发生器分别改变两个输入交变电信号的频率f，由公式λ=c/f，式中c为波速，λ为波长，相应地改变超声表面波的波长，从而调节液体表面微阵列在水平面x、y方向上的大小，调节多通道信号发生器分别改变两个输入交变信号的相位Φ，相应地改变超声表面波的相位，实现液体表面微阵列在水平面x、y方向上的移动，调节功率放大器改变超声表面波的振幅A，对应于调节液体表面微阵列的高度，最终使成型的液态材料表面形成所需的微阵列形貌，是一种无模具的成型方法；

4)调节成所需的微阵列形貌后，采用紫外光照射，使被成型的液体材料迅速固化；

该装置是在正方形的压电基体板（1）上光刻有两对叉指换能器，每对叉指换能器以正方形的压电基体板（1）中心轴为轴线对称布置，在压电基体板（1）中间放置正方形的玻璃液槽（3）并与压电基体板（1）胶结，被成型的液态材料（4）置于玻璃液槽（3）中；

所述两对叉指换能器中，每对叉指电极与各自压电基体板（1）边缘平行的一边贴有吸声材料（5）；

所述正方形的玻璃液槽（3）为无底玻璃液槽，通过其玻璃壁面与正方形的压电基体板（1）胶结；

所述正方形的玻璃液槽（3）的边长小于等于叉指换能器（2）的孔径。