CN103496166A - 一种基于快速成型技术的微纳传感器制造方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于快速成型技术的微纳传感器制造方法及装置。所述的制造方法是将设计好的微纳传感器三维模型表面进行面型化处理和分层处理后，得到各层截面的二维轮廓信息；按照轮廓信息自动生成加工路径，在控制系统的控制下，有选择性地喷涂各种成型材料和支撑材料，形成各个截面的轮廓薄片，并顺序累加成微纳传感器的三维实体，再经后处理后制造出微纳传感器。所述的制造装置由工作台、装有喷头的喷头支架、喷头运动控制单元、材料输送及喷嘴选择控制单元、快速降温装置等组成。与现有技术相比，本发明由于采用快速成型技术来生产制造微纳传感器，有效地提高了传感器的精度，缩短了生产周期，降低了制造成本。

Description

一种基于快速成型技术的微纳传感器制造方法及装置

技术领域

本发明属于传感器制造技术领域，涉及一种基于快速成型技术的微纳传感器制造方法及其制造装置。

背景技术

微纳传感器是站在原子尺度来考虑的微型传感器，现已广泛应用于机械、航空、军事、生物、化学等领域，它具有庞大的界面，能够提供大量的物质通道，且导通电阻很小。

目前,本领域制造微纳传感器的方法一般仍基于硅微机械加工技术，传统的传感器制造方法有很多种，如光刻、沉积、腐蚀、聚焦离子束、键合、外延、体硅加工、表面加工、MEMS、LIGA等制造方法，但上述传统的制造方法在具体实施应用中相应还存在有制造工艺繁琐、周期长(一般至少需要四个工作日以上)、精度低(传统传感器的精度一般在0.1mm以上)、对加工环境要求高(例如高温、粉尘、潮湿、电磁场等环境因素都会影响制造出的传感器质量)、生产成本高、传感器的功耗大等不足。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种工艺步骤简单、操作方便、制造周期短、产品精度高、生产成本低且可有效避免加工环境对生产者造成不良影响的基于快速成型技术的微纳传感器制造方法及其制造装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于快速成型技术的微纳传感器制造方法，包括下述的步骤：

1）将设计好的微纳传感器三维CAD模型、加工参数、材料种类信息以及微纳传感器制造装置中喷头运动控制、喷嘴选择及输出料控制信息输入到计算机中；

2）通过计算机对微纳传感器三维CAD模型进行面型化处理，存储成STL文件格式，对模型进行分层切片处理，获得模型的各层截面信息；

3）在与计算机相联的微纳传感器制造装置的喷头运动控制单元和喷嘴选择及输出料控制单元的控制下，调用微纳传感器制造装置上分别装有不同喷涂材料的喷嘴，根据微纳传感器截面信息在工作台上有选择地喷出一层截面，然后在快速降温装置的作用下降低已成型截面的温度，从而形成一个固化层；

4）使工作台下降一个层厚的距离，在该固化层的表面上重复步骤3），形成一个新的固化层；

5）重复步骤3）～步骤4），使各固化层逐层累加，直到微纳传感器模型完全完成；

6）使工作台下降，取出模型，去掉支撑材料，对模型进行固化处理，即得到需求的微纳传感器。

在上述的微纳传感器制造方法中，所述的每层固化层的层厚为0.01μm～2μm。

上述微纳传感器制造方法中，在各喷嘴中充装的喷涂材料分别为导电材料、绝缘材料、半导体材料和粘结材料中的一种，其中粘结材料的作用是将颗粒材料粘结起来或者将不同层粘结起来或者将不同的传感器元件连接起来。实际工作中，可根据产品的具体制造需要在计算机程序控制下有选择地依次或同时使各喷涂材料由对应的喷嘴中喷出，制成微纳传感器产品。

用于实现上述制造方法的基于快速成型技术的微纳传感器制造包括计算机、工作台和设置在工作台上方的喷头支架，在喷头支架上装有可在喷头运动控制单元驱动下沿水平面正交X轴或Y轴移动的喷头，在喷头的上部插装有多个分别内充不同喷涂材料的成型材料输送管和一个支撑材料输送管，在喷头的下端设置有与上述各成型材料输送管和支撑材料输送管依次对应连通的多个微纳喷嘴，所述的各微纳喷嘴可以在与计算机连接的材料输送及喷嘴选择控制单元控制下单独或协调进行喷涂动作。

上述微纳传感器制造装置中，设置于喷头上的微纳喷嘴的数目为2～10000个，优选的数目为2～800个。

上述微纳传感器制造装置中，在工作台上还设有快速降温装置,所述的快速降温装置是为了防止高熔点材料在已成型面上累加另一层时发生粘连，起降低已成型面温度的作用。

本发明所述的微纳传感器制造方法及装置是一种利用快速成型技术，通过分层制造、逐层累加的方式进行微纳传感器加工的方法及装置。与现有技术相比，本发明由于采用快速成型技术来生产制造微纳传感器，节约材料，可以实现复合材料的加工，一次成型，可以批量制造各种复杂的具有特殊性能的微纳传感器，操作简单易行，工作可靠，减少了人工参与，有效避免了加工环境对生产制造者造成的不良影响，提高了传感器精度(精度可达0.1nm以下)，缩短了制造周期(一般仅需几小时便可制造出来)，所用材料容易获得且价格低廉，降低了制造成本，传感器功耗小。

附图说明

图1是本发明所述微纳传感器制造装置的结构示意图。

图2是本发明中喷头上8喷嘴按线性排列结构示意图。

图3是本发明中喷头上8喷嘴按方性排列结构示意图。

图4是本发明中喷头上8喷嘴按圆性排列结构示意图。

图5是本发明的制造工艺流程图。

附图中各数字标记的名称分别是：1－运动控制线路，2－成型材料输送管，3－微纳传感器元件，4－工作台，5－喷头运动控制单元，6－材料输送及喷嘴选择控制单元，7－支撑材料输送管，8－喷头支架，9－微纳喷嘴，10－快速降温装置。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例对本发明内容进一步说明，但本发明的实际应用形式并不仅限于下述的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应被认为属于本发明保护的范围。

参见附图1，本发明所述的基于快速成型技术的微纳传感器制造装置由工作台4、装有喷头的喷头支架8、运动控制线路1、喷头运动控制单元5、材料输送及喷嘴选择控制单元6、快速降温装置10等组成。运动控制线路1安装在喷头上，其与喷头运动控制单元5相连。喷头上安装有八个材料输送管，其中包括一个支撑材料输送管7和七个成型材料输送管2，这八个材料输送管由材料输送及喷嘴选择控制单元6来控制。在喷头上设有八个微纳喷嘴9，各个材料输送管和各喷嘴之间是一一对应的连通关系。各材料输送管和微纳喷嘴的启闭均由与计算机连接的材料输送及喷嘴选择控制单元6来控制。喷头中的多个喷嘴之间可以单独运动即一个喷嘴运动完成后另一个喷嘴再运动，也可以协调运动即多个喷嘴同时有规则地运动，喷嘴的尺度等级可以是毫米级或微米级或纳米级的。工作时喷头上的各微纳喷嘴9根据控制信息可以在设置有快速降温装置10的工作台4上喷出微纳米线，不同喷嘴喷涂不同材料，例如有的喷涂有机材料(如碳纳米粒子材料、碳纳米管材料、纳米点材料、量子点材料等)，有的喷涂无机材料(如金属或金属氧化物纳米材料、合金纳米材料等)。与支撑材料输送管7连通的喷嘴喷出的支撑材料可以选择具有特殊性能的材料(例如水溶性材料、低熔点的热熔性材料等高分子材料)，以便于后处理过程中支撑材料的去除，由此形成所需截面形状，然后在快速降温装置10的作用下降低层面温度，分层制造、逐层累加，逐渐形成微纳传感器元件3，工作完毕时去掉支撑，经相应的后处理后就可以完整地制造出一个所需的微纳传感器。整个喷头可在喷头运动控制单元5及同步带的作用下在喷头支架8上做X向和Y向运动，工作台在丝杠螺母的作用下可以做竖直Z向的升降运动。

本发明的工作原理可参考图1和图5。加工之前，把装配好的微纳传感器三维CAD模型、机器所需的加工参数、材料输送管和喷嘴的编号信息等输入到计算机中。通过计算机对传感器三维CAD模型进行面型化处理及分层切片，获得模型的各截面信息。在每个成型材料输送管2中分别装入一种制造该微纳传感器所需的原材料(若材料种类超过了7种，这时可以采用16个或者32个或者更多个喷嘴的喷头)，在支撑材料输送管7中装入一种支撑材料，例如水溶性材料。把装有不同材料的输送管编号信息输送到计算机中的材料输送及喷嘴选择控制单元6中，计算机对微纳传感器的三维模型进行切片处理并根据层片信息及输入的信息自动进行相关喷嘴的运动路径规划，信息处理完毕后由喷头运动控制单元5控制相应的喷嘴精确地运动到指定位置。喷头内的高温加热装置迅速将材料加热熔融，通过微纳喷嘴9喷出微纳米线，涂覆在工作台4上的特定区域形成部分截面形状，变换装有不同材料的喷嘴在同一层上喷出指定形状。再由装有支撑材料的喷嘴在工作台4上喷出该层所需形状的支撑，这就形成一层完整的截面，在快速降温装置10的作用下迅速降低已成型面温度形成一个固化层。再在上一个固化层的表面重复上述过程形成一个新的层面，与前一个层面进行累加，如此反复，直到传感器模型完全完成。去掉支撑后便得到整个微纳传感器的原型，再进行相应的后处理就可获得具有特定功能的微纳传感器。

图2、图3和图4所示分别为本发明中喷嘴8的三种排列结构示意图，依次为线形排列、方形排列和圆形排列。线形排列有利于前后两喷嘴之间的切换；方形排列的各喷嘴之间距离较均匀，当调用不同喷嘴时径向冲击力小，且便于不同喷嘴之间及时地切换；圆形排列的各喷嘴距离圆心等距控制起来方便且便于不同喷嘴之间的切换。

Claims (8)

1.一种基于快速成型技术的微纳传感器制造方法，其特征在于包括下述的步骤：

1）将设计好的微纳传感器三维CAD模型、加工参数、材料种类信息以及微纳传感器制造装置中喷头运动控制、喷嘴选择及输出料控制信息输入到计算机中；

2）通过计算机对微纳传感器三维CAD模型进行面型化处理，存储成STL文件格式，对模型进行分层切片处理，获得模型的各层截面信息；

3）在与计算机相联的微纳传感器制造装置的喷头运动控制单元和喷嘴选择及输出料控制单元的控制下，调用微纳传感器制造装置上分别装有不同喷涂材料的喷嘴，根据微纳传感器截面信息在工作台上有选择地喷出一层截面，然后在快速降温装置的作用下降低已成型截面的温度，从而形成一个固化层；

4）使工作台下降一个层厚的距离，在该固化层的表面上重复步骤3），形成一个新的固化层；

5）重复步骤3）～步骤4），使各固化层逐层累加，直到微纳传感器模型完全完成；

6）使工作台下降，取出模型，去掉支撑材料，对模型进行固化处理，即得到需求的微纳传感器。

2.根据权利要求1所述的基于快速成型技术的微纳传感器制造方法，其特征在于：所述的每层固化层的层厚为0.01μm～2μm。

3.根据权利要求1所述的基于快速成型技术的微纳传感器制造方法，其特征在于：在各喷嘴中充装的喷涂材料分别为导电材料、绝缘材料、半导体材料和粘结材料中的一种。

4.一种基于快速成型技术的微纳传感器制造装置，其特征在于：包括计算机、工作台(4)和设置在工作台(4)上方的喷头支架(8)，在喷头支架(8)上装有可在喷头运动控制单元(5)驱动下沿水平面正交X轴或Y轴移动的喷头，在喷头的上部插装有多个分别内充不同喷涂材料的成型材料输送管和一个支撑材料输送管，在喷头的下端设置有与上述各成型材料输送管和支撑材料输送管依次对应连通的多个微纳喷嘴(9)，所述的各微纳喷嘴(9)可以在与计算机连接的材料输送及喷嘴选择控制单元(6)控制下单独或协调进行喷涂动作。

5.根据权利要求4所述的基于快速成型技术的微纳传感器制造装置，其特征在于：设置于喷头上的微纳喷嘴(9)的数目为2～10000个。

6.根据权利要求4或5所述的基于快速成型技术的微纳传感器制造装置，其特征在于：设置于喷头上的微纳喷嘴(9)的数目为2～800个。

7.根据权利要求4所述的基于快速成型技术的微纳传感器制造装置，其特征在于：微纳喷嘴(9)的尺度等级为毫米级或微米级或纳米级。

8.根据权利要求4所述的基于快速成型技术的微纳传感器制造装置，其特征在于：在工作台(4)上设有快速降温装置(10)。

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