CN107839220A - 加工三维导电微结构的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种加工三维导电微结构的方法，包括以下步骤：S1：配制高黏度的支撑材料；配制成形材料，所述成形材料包括导电胶和金属纳米颗粒，所述导电胶与所述支撑材料互不溶；S2：将所述支撑材料放置于容器内，将所述成形材料放置于挤出装置内，将所述挤出装置的挤出端插入所述支撑材料内，按照设定的三维路线移动所述挤出装置，并使挤出装置挤出所述成形材料，形成工件；S3：对包含所述工件的所述支撑材料进行烧结，使所述工件凝固；S4：通过气化、抽真空的方式去除所述支撑材料。本发明中的加工方法能够加工出任意形状的三维导电微结构，并且加工步骤简单，成本低。本发明还公开了一种加工三维导电微结构的装置。

Description

加工三维导电微结构的方法和装置
技术领域
本发明涉及微制造技术领域，更具体地说，涉及一种加工三维导电微结构的方法和装置。
背景技术
导电微结构广泛存在于生物芯片及微电子器件中，常用于基因检测、电学通道等各类重要场合。但是，由于精确检测和功能实现的需要，往往需要形状较为复杂的三维导电微结构。现有技术中有采用软光刻技术在导电复合材料上构建平面导电微结构，但是该方法依赖标准光刻技术，难以制备任意几何形状的三维导电微结构。现有技术中还有可以通过以下方法制作三维导电微结构：使微细激光束照射在微型喷嘴喷射出的光敏树脂上，选择性地固化一定区域，固化的区域即为所需的三维导电微结构，未固化的区域为支撑材料，通过层层粘结叠加，最终制造出所需的三维导电微结构。但是该方法中必须要有光照才能固化成型，一些形状的三维导电微结构由于会阻挡光路，因此无法制作出。
因此，如何设计一种加工三维导电微结构的方法，利用该方法能够制造出任意形状的三维导电微结构，并且步骤简单，成本低，是本领域技术人员亟待解决的关键性问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种加工三维导电微结构的方法，利用该方法能够制造出任意形状的三维导电微结构，并且步骤简单，成本低。
为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种加工三维导电微结构的方法，包括以下步骤：
S1：配制高黏度的支撑材料；配制成形材料，所述成形材料包括导电胶和金属纳米颗粒，所述导电胶与所述支撑材料互不溶；
S2：将所述支撑材料放置于容器内，将所述成形材料放置于挤出装置内，将所述挤出装置的挤出端插入所述支撑材料内，按照设定的三维路线移动所述挤出装置，并使挤出装置挤出所述成形材料，形成工件；
S3：对包含所述工件的所述支撑材料进行烧结，使所述工件凝固；
S4：通过气化、抽真空的方式去除所述支撑材料。
优选地，所述支撑材料为热塑性材料或者硅胶，所述支撑材料的黏度在180℃时为1k·mPa·s-3k·mPa·s。
优选地，所述导电胶包括：高聚合物材料、分散添加剂。
优选地，所述高聚合物材料包括热塑性聚合物、固化型聚合物、溶剂挥发型聚合物。
优选地，所述金属纳米颗粒的含量体积占所述成形材料总体积的80％-95％。
优选地，所述步骤S3中“对包含所述工件的所述支撑材料进行烧结”具体为：将包含所述工件的所述支撑材料放置于梯度烘箱中进行烧结，烧结温度为200℃-300℃，烧结时间为10min-30min。
本发明还公开了一种加工三维导电微结构的装置，包括：
用于放置容器的基板；
设置于所述基板上的挤出装置，所述挤出装置能够相对于所述基板作三维运动，所述挤出装置用于盛放成形材料，用于将所述成形材料挤出。
优选地，还包括：
Y轴直线电机，所述Y轴直线电机用于驱动所述基板在Y轴方向直线移动；
X轴直线电机，所述X轴直线电机用于驱动所述挤出装置在X轴方向直线移动；
Z轴直线电机，所述Z轴直线电机用于驱动所述X轴直线电机和所述挤出装置在Z轴方向直线移动；
用于控制所述Y轴直线电机、所述X轴直线电机、所述Z轴直线电机启停的控制器。
优选地，还包括小行程的Z轴气动装置，所述Z轴气动装置用于驱动所述挤出装置在Z轴方向的小行程的直线移动，所述Z轴气动装置和所述挤出装置受所述X轴直线电机的驱动，所述Z轴气动装置受控于所述控制器。
优选地，所述挤出装置包括：
用于盛放所述成形材料的注射筒；
与所述注射筒配合的活塞；
设置于所述注射筒下方的针头；
用于驱动所述活塞移动的驱动装置。
优选地，所述驱动装置包括：
设置于所述注射筒上方的支架；
设置于所述支架的上方的步进电机；
一端与所述步进电机连接，另一端与所述活塞螺纹连接的螺杆，所述活塞与所述支架可移动连接。
优选地，还包括：
套设在所述注射筒外部的电加热器；
包覆于所述电加热器内部的热电偶，所述控制器将所述热电偶采集的温度值与预设的温度相比较，来控制所述电加热器的加热温度。
从上述技术方案可以看出，本发明中的挤出装置的挤出端在支撑材料内按照设定的三维路线移动，并同时挤出成形材料而形成三维导电微结构。只要根据三维导电微结构的形状设置出相应的三维运动路线，就能够加工出任意形状的三维导电微结构。加工成型后，对工件进行烧结固化，最后去除支撑材料即可。本发明中的加工方法能够加工出任意形状的三维导电微结构，并且加工步骤简单，成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的方案，下面将对实施例中描述所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一具体实施例提供的加工三维导电微结构的方法的流程图；
图2为本发明一具体实施例提供的支撑材料的结构示意图；
图3为本发明一具体实施例提供的加工三维导电微结构某时刻的状态图；
图4为本发明一具体实施例提供的包含工件的支撑材料的示意图；
图5为本发明一具体实施例提供的去除支撑材料后的工件的结构示意图；
图6为本发明一具体实施例提供的经后续处理后的工件的最终示意图；
图7为本发明一具体实施例提供的加工三维导电微结构的装置的结构示意图；
图8为本发明一具体实施例提供的挤出装置的剖视图。
其中，1为支撑材料、2为成形材料、3为工件、41为Z轴直线电机、42为X轴直线电机、43为Z轴气动装置、44为基板、45为Y轴直线电机、51为螺杆、52为步进电机、53为支架、54为热电偶、55为电加热器、56为针头、57为活塞、58为注射筒。
具体实施方式
本发明提供了一种加工三维导电微结构的方法，利用该方法能够制造出任意形状的三维导电微结构，并且步骤简单，成本低。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明一具体实施例中，加工三维导电微结构的方法包括以下步骤：
S1配制高黏度的支撑材料1；配制成形材料2，成形材料2包括导电胶和金属纳米颗粒，导电胶与支撑材料1互不溶。
选取高黏度的支撑材料1，置于振动搅拌机中搅拌，真空脱泡，然后，置于氮气干燥箱中备用；将导电胶与金属纳米颗粒混合，置于振动搅拌机中搅拌，真空脱泡，然后，置于氮气干燥箱中备用。高黏度的支撑材料1能够阻碍内部成形材料2的流动，从而可制作出所需形状的工件3，另外高黏度的支撑材料1能够确保支撑材料1内部应力分布均匀，防止内部工件3翘曲变形。导电胶与支撑材料1互不溶才能确保工件3完整地存在于支撑材料1内。
S2：将支撑材料1放置于容器内，将成形材料2放置于挤出装置内，将挤出装置的挤出端插入支撑材料1内，按照设定的三维路线移动挤出装置，并使挤出装置挤出成形材料2，形成工件3。
在本步骤中开始制作工件3，挤出装置按照设定的三维路线移动，并将成形材料2挤出。在挤出装置移动的过程中，挤出端在工件3的曲线上时，成形材料2被挤出；挤出端未在工件3的曲线上时，成形材料2不被挤出，从而形成所需形状的工件3。
S3：对包含工件3的支撑材料1进行烧结，使工件3凝固。
S4：通过气化、抽真空的方式去除所述支撑材料1，得到所需形状的工件3。
在本实施例中，只要根据三维导电微结构的形状设置出相应的三维运动路线，就能够加工出任意形状的三维导电微结构。加工成型后，对工件3进行烧结固化，最后去除支撑材料1即可。本实施例中的加工方法能够加工出任意形状的三维导电微结构，并且加工步骤简单，成本低。
支撑材料1可以优选为热塑性材料或者硅胶。并且支撑材料1的黏度在180℃时为1k·mPa·s-3k·mPa·s。
导电胶包括包括：高聚合物材料、分散添加剂。其中的高聚合物材料包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯等热塑性聚合物、聚二甲基硅氧烷等固化型聚合物和橡胶等溶剂挥发型聚合物。
为了提高成形材料2的导电率，限定金属纳米颗粒的含量体积占成形材料2总体积的80％-95％。具体地，金属纳米颗粒可以优选为Ag纳米粒子。Ag纳米粒子含量体积比为83％-90％。
在本发明一具体实施例中，上述步骤S3中“对包含所述工件3的所述支撑材料1进行烧结”具体为：将包含工件3的支撑材料1放置于梯度烘箱中进行烧结，烧结温度为200℃-300℃，烧结时间为10min-30min。
本发明还公开了一种加工三维导电微结构的装置，包括：基板44和挤出装置。基板44用于放置容器，该容器用于盛放支撑材料1。挤出装置位于基板44的上方，用于盛放成形材料2，并将成形材料2挤出。挤出装置能够相对于基板44作三维运动，从而在支撑材料1中形成任意形状的三维导电微结构。
在本发明一具体实施例中，挤出装置相对于基板44的三维运行是通过以下方式实现的：增设了Y轴直线电机45、X轴直线电机42、Z轴直线电机41。Y轴直线电机45用于驱动基板44在Y轴方向的移动。基板44在Y轴方向的移动相当于挤出装置相对于基板44发生了Y轴方向的相对移动。挤出装置连接于X轴直线电机42上，X轴直线电机42用于驱动挤出装置在X轴方向的直线移动，即相当于挤出装置相对于基板44发生了X轴方向的移动。X轴直线电机42连同挤出装置连接于Z轴直线电机41上，Z轴直线电机41驱动X轴直线电机42和挤出装置在Z轴方向上移动，即挤出装置相对于基板44发生了Z轴方向的移动。Z轴直线电机41通过固定装置固定在机架上。综上所述，挤出装置能够通过三台电机与基板44发生相对的三维移动。另外，上述中的Y轴直线电机45、Z轴直线电机41以及X轴直线电机42均与控制器电连接。控制器控制Y轴直线电机45、X轴直线电机42、Z轴直线电机41的启停。
在本发明一具体实施例中，将上述中的Z轴直线电机41用于大行程的驱动，比如使挤出装置插入容器的支撑材料1内，或者使挤出装置从支撑材料1中拔出。增设了小行程的Z轴气动装置43。Z轴气动装置43在挤出装置三维运动时使用。挤出装置连接在Z轴气动装置43上，Z轴气动装置43连接在X轴直线电机42上，X轴直线电机42能够驱动Z轴气动装置43和挤出装置在X轴方向移动。Z轴直线电机41能够驱动X轴直线电机42、Z轴气动装置43以及挤出装置在Z轴方向移动。
在本发明一具体实施例中，上述中的挤出装置包括：注射筒58、活塞57、针头56以及驱动装置。注射筒58内盛放有成形材料2，活塞57与注射筒58活动配合。针头56设置在注射筒58的下方。驱动装置用于驱动活塞57的移动。活塞57向下移动，挤压成形材料2，迫使成形材料2从针头56中挤出。针头56的直径为0.05mm-5mm，可以根据具体的需求来选择针头56。另外，还可以在针头56上设置排气孔，用于将成形材料2中的混入的气体排出。
在本发明一具体实施例中，驱动装置还包括支架53、步进电机52、活塞57以及螺杆51。该支架53设置于注射筒58的上方。步进电机52设置于支架53的上方。螺杆51位于支架53内，螺杆51的一端与步进电机52连接，另一端与活塞57螺纹连接。活塞57与支架53可移动连接，即活塞57只能够相对于支架53上下移动。螺杆51与活塞57组成丝杠结构，活塞57将螺杆51的旋转运动转化为了直线运动。步进电机52和丝杠结构能够实现对活塞57的精确驱动，从而进一步提高了加工精度。
在本发明一具体实施例中还增设了电加热器55和热电偶54。电加热器55为环形，电加热器55套设在注射筒58的外部，用于给注射筒58内部的成形材料2进行加热。热电偶54包覆于电加热器55内，用于测量电加热器55的温度，该温度也即为注射筒58内成形材料2的温度。热电偶54将温度传递给控制器，控制器将该温度与预设的温度作比较，从而作出使电加热器55加大加热温度，或者降低加热温度的指令，从而使注射筒58内的成形材料2的温度保持在设定的温度值范围内，确保生产的顺利进行。
所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (12)

1.一种加工三维导电微结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1配制高黏度的支撑材料(1)；配制成形材料(2)，所述成形材料(2)包括导电胶和金属纳米颗粒，所述导电胶与所述支撑材料(1)互不溶；
S2：将所述支撑材料(1)放置于容器内，将所述成形材料(2)放置于挤出装置内，将所述挤出装置的挤出端插入所述支撑材料(1)内，按照设定的三维路线移动所述挤出装置，并使挤出装置挤出所述成形材料(2)，形成工件(3)；
S3：对包含所述工件(3)的所述支撑材料(1)进行烧结，使所述工件(3)凝固；
S4：通过气化、抽真空的方式去除所述支撑材料(1)。
2.根据权利要求1所述的加工三维导电微结构的方法，其特征在于，所述支撑材料(1)为热塑性材料或者硅胶，所述支撑材料(1)的黏度在180℃时为1k·mPa·s-3k·mPa·s。
3.根据权利要求1所述的加工三维导电微结构的方法，其特征在于，所述导电胶包括：高聚合物材料、分散添加剂。
4.根据权利要求3所述的加工三维导电微结构的方法，其特征在于，所述高聚合物材料包括热塑性聚合物、固化型聚合物、溶剂挥发型聚合物。
5.根据权利要求1所述的加工三维导电微结构的方法，其特征在于，所述金属纳米颗粒的含量体积占所述成形材料(2)总体积的80％-95％。
6.根据权利要求1所述的加工三维导电微结构的方法，其特征在于，所述步骤S3中“对包含所述工件(3)的所述支撑材料(1)进行烧结”具体为：将包含所述工件(3)的所述支撑材料(1)放置于梯度烘箱中进行烧结，烧结温度为200℃-300℃，烧结时间为10min-30min。
7.一种加工三维导电微结构的装置，其特征在于，包括：
用于放置容器的基板(44)；
设置于所述基板(44)上的挤出装置，所述挤出装置能够相对于所述基板(44)作三维运动，所述挤出装置用于盛放成形材料(2)，用于将所述成形材料(2)挤出。
8.根据权利要求7所述的加工三维导电微结构的装置，其特征在于，还包括：
Y轴直线电机(45)，所述Y轴直线电机(45)用于驱动所述基板(44)在Y轴方向直线移动；
X轴直线电机(42)，所述X轴直线电机(42)用于驱动所述挤出装置在X轴方向直线移动；
Z轴直线电机(41)，所述Z轴直线电机(41)用于驱动所述X轴直线电机(42)和所述挤出装置在Z轴方向直线移动；
用于控制所述Y轴直线电机(45)、所述X轴直线电机(42)、所述Z轴直线电机(41)启停的控制器。
9.根据权利要求8所述的加工三维导电微结构的装置，其特征在于，还包括小行程的Z轴气动装置(43)，所述Z轴气动装置(43)用于驱动所述挤出装置在Z轴方向的小行程的直线移动，所述Z轴气动装置(43)和所述挤出装置受所述X轴直线电机(42)的驱动，所述Z轴气动装置(43)受控于所述控制器。
10.根据权利要求7所述的加工三维导电微结构的装置，其特征在于，所述挤出装置包括：
用于盛放所述成形材料(2)的注射筒(58)；
与所述注射筒(58)配合的活塞(57)；
设置于所述注射筒(58)下方的针头(56)；
用于驱动所述活塞(57)移动的驱动装置。
11.根据权利要求10所述的加工三维导电微结构的装置，其特征在于，所述驱动装置包括：
设置于所述注射筒(58)上方的支架(53)：
设置于所述支架(53)的上方的步进电机(52)；
一端与所述步进电机(52)连接，另一端与所述活塞(57)螺纹连接的螺杆(51)，所述活塞(57)与所述支架(53)可移动连接。
12.根据权利要求10所述的加工三维导电微结构的装置，其特征在于，还包括：
套设在所述注射筒(58)外部的电加热器(55)；
包覆于所述电加热器(55)内部的热电偶(54)，所述控制器将所述热电偶(54)采集的温度值与预设的温度相比较，来控制所述电加热器(55)的加热温度。
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