CN109055936A - 一种胶体粒子掩膜制备装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种在圆柱表面制备掩膜的装置。所述的掩膜制备装置包括槽体、升降装置、调速装置、溶液加热恒温装置、粒子平整装置和液面监测装置。其中，升降装置包括电机、螺母丝杠、导轨、移动平台和螺母滑块；调速装置包括电机、调速齿轮组、调速箱、输出轴和锁紧螺母；粒子平整装置包括调整螺栓、压辊、支撑架和平整安装架；液面监测装置包括液面监测计和稳液管。该装置可实现工件的自动旋转和上下微调，可使溶液中的胶体粒子随工件的旋转自组装到工件表面，再通过粒子平整装置去除多余的粒子，从而得到平整的膜层。此装置解决了在圆柱曲面表面加工微结构掩膜制备的技术难题，成本低，加工效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种掩膜制备装置，特别涉及一种用于在圆柱表面加工微结构所需的胶体粒子掩膜制备装置。
背景技术
点阵结构是一类应用广泛的图形结构，高密度点阵图形是传统光刻技术最难制作的图形之一。近年来，在金属表面制备高密度点阵结构可有效改善零件表面性能（如表面疏水疏油性、润滑性、耐腐蚀性、生物相容性等）而被广泛关注。采用纳米球刻蚀方法在金属表面制备高密度点阵结构成为一种生产效率高、成本低、工序简单、加工质量好的加工方法。其工艺是在平面工件表面制作胶体粒子层，并以这层胶体粒子为掩膜在平面工件表面制作点阵图形。因此，如何在工件表面形成均匀规律的胶体粒子膜层成为纳米球刻蚀方法制造点阵图形的关键。
目前，在工件基底表面制备胶体粒子掩膜常用滴涂法、旋涂法、电泳沉积以及界面自组装法等。上述掩膜制备加工工艺虽然可以在平面或者部分规则的曲面工件表面实现掩膜制备的加工，但受所使用的掩膜加工工艺和加工成本的限制，对于工业中常遇到各种非平面零件或大面积曲面零件，其并非理想加工方式。因此，需要一种成本低、工艺简单、适用于大面积规则曲面的掩膜制备装置。
发明内容
本发明提供一种胶体粒子掩膜制备装置，用于圆柱表面低成本高效地制备胶体粒子掩膜，适用于圆柱表面点阵等微结构阵列的加工。
本发明提供的装置制备胶体粒子掩膜的原理为：制备一定溶度的胶体粒子悬浮液；将悬浮液加热到半沸腾状态，其中的胶体粒子由气泡带至溶液表面、并平铺于液体表面；当部分浸没在悬浮液中的工件旋转时，带动悬浮液和工件接触界面处的液体和胶体粒子，悬浮液表面的胶体粒子会在旋转力和表面张力的作用下黏附在和液面表面接触的工件表面，形成胶体粒子膜；胶体粒子膜随工件旋转到粒子平整装置时，层数超过工件和粒子平整装置之间间隙的粒子不能通过该间隙、被阻挡在粒子平整装置外，在工件表面形成均匀连续的粒子膜。
为实现上述工艺，本发明提供的掩膜装置中，采用的技术方案是：一种胶体粒子掩膜制备装置，包括槽体、升降装置、调速装置、溶液加热恒温装置、粒子平整装置和液面监测装置。其中，所述的槽体包括固定槽和溶液槽；所述的升降装置包括电机、螺母丝杠、导轨、螺母滑块和移动平台；所述的调速装置包括电机、调速齿轮、调速箱、输出轴和锁紧螺母；所述的粒子平整装置包括调整螺栓、压辊、支撑架和平整安装架；所述的液面监测装置包括液面监测计和稳液管。所述的调速装置安装在升降装置的移动平台上，和升降装置共同设置在固定槽上；所述的溶液加热恒温装置设置在溶液槽的槽底；所述的粒子平整装置设置在调速装置的调速箱上；所述的液面监测装置设置在溶液槽外壁出液口处，液面监测计安装在稳液管内，其主体部分距离液面有一定的高度，辅助部分安装在液面以下。
本发明所涉及的工作过程是：制备粒子膜时，升降装置带动调速装置和在其上安装的工件一起向下移动，当工件的一部分浸没在溶液中，并到达指定高度时，升降装置停止工作；调速装置带动工件按指定速度旋转；溶液加热恒温装置保证溶液恒温在指定温度；液面监测装置监测溶液液面位置，当溶液蒸发、液面低于指定位置时，液面监测装置给升降装置的电动机发出信号，升降装置启动，带动调速装置上的工件向下缓慢运动，移动到合适位置，保证工件在和液面的相对位置保持不变。
优选地，所述的粒子平整装置的位置可根据工件的直径及所制备的粒子层数对压辊和工件之间的间隙进行调整。粒子平整装置的压辊和工件之间的间隙由要求制备的粒子层数决定，其间隙尺寸大于等于粒子层数乘以粒子直径、小于（粒子层数加一）乘以粒子直径。
优选地，所述的粒子平整装置中的调整螺栓间隙装配在平整安装架顶端中间的圆孔内；支撑架的一端为两侧带有燕尾结构、中间外侧为半圆状内螺纹结构，其燕尾结构装配在平整安装架顶端的燕尾槽中，半圆状内螺纹与装配在圆孔内的调整螺栓螺纹连接配合。旋转调整螺栓时，调整螺栓与平整安装架无相对位移，螺纹带动支撑架上下移动，从而调节粒子平整装置中压辊与工件间间隙。
优选地，所述的减速箱、粒子平整装置、调速箱和输出轴采用聚丙烯材料。
优选地，所述的液面监测装置采用液位计检测液面，如电容式液位计。
优选的，所述的液面监测装置中稳液管采用玻璃材料。
本发明掩膜制备装置具有以下优点：1、可根据需要，调整粒子平整装置的位置，获得各种层数的粒子膜，调整简单方便；2、可根据液面位置自动调整工件位置，工艺一致性高；3、适合规则圆柱面表面的粒子掩膜大面积制备，效率高、成本较低。
附图说明
图1是本发明掩膜制备装置结构示意图。
图2是本发明掩膜制备装置中升降装置示意图。
图3是本发明掩膜制备装置调速装置示意图。
图4是本发明掩膜制备装置中粒子平整装置示意图。
图5是粒子平整装置中平整安装架结构示意图。
图6是粒子平整装置中支撑架结构示意图。
图中：1、掩膜装置槽（固定槽101和溶液槽102）；2、升降装置（电机201、螺母丝杠202、导轨203、螺母滑块204和移动平台205）；3、调速装置（电机301、调速齿轮组302、调速箱303、输出轴304和锁紧螺母305）；4、溶液加热恒温装置；5、粒子平整装置（调整螺栓501、压辊502、支撑架503和平整安装架504）；6、液面监测装置（液面监测计601和稳液管602）；7、工件。
具体实施方式
下面结合图对本发明的实施做进一步的详细说明。
一种胶体粒子掩膜制备装置，包括槽体1、升降装置2、调速装置3、溶液加热恒温装置4、粒子平整装置5和液面监测装置6。其中，所述的槽体1包括固定槽101和溶液槽102；所述的升降装置2包括电机201、螺母丝杠202、导轨203、螺母滑块204和移动平台205；所述的调速装置3包括电机301、调速齿轮组302、调速箱303、输出轴304和锁紧螺母305；所述的溶液加热恒温装置4设置在溶液槽102的槽底；所述的粒子平整装置5包括调整螺栓501、压辊502、支撑架503和平整安装架504；所述的液面监测装置6包括液面监测计601和稳液管602。所述的调速装置3安装在升降装置2的移动平台205上，且与升降装置2的部件共同设置固定槽101的侧壁上；所述的溶液加热恒温装置4设置在溶液槽102的槽底；所述的粒子平整装置5安装在调速装置3的调速箱303的外表面；所述的液面监测装置6设置在在溶液槽101外壁出液口处，其中，液面监测计601安装在稳液管602内，其主体部分距离液面有一定的高度，辅助部分安装在液面以下。
所述的升降装置2中的电机201安装在固定槽101的槽底壁面上，电机201的旋转带动螺母丝杠202旋转，安装在螺母丝杠202上的螺母滑块204带动移动平台205和其上的调速装置3在导轨203上做上下移动。
所述的升降装置2中的导轨203设置在固定槽101的底面上，其形状可为常用的导轨形状，如矩形、圆柱形，本发明采用圆柱形导轨结构。
所述的调速装置3的电机301通过联轴器与调速箱303相连，将电机301的旋转运动传递给输出轴304，带动安装在输出轴304上的工件7做旋转运动。
所述的调速装置3通过升降装置2与槽体1间接连接，且其可在升降装置2作用下做升降运动。
所述的输出轴304可在电机301作用下做旋转运动，本案例采用的旋转速度为1r/min~2r/min。
所述的升降装置2与槽体1之间、升降装置2与调速装置3之间、调速装置3与粒子平整装置4之间采用紧固件连接。
所述的输出轴304可根据实验要求的工件7尺寸对其尺寸大小进行增减。
所述的粒子平整装置5的压辊502安装在支撑架503的水平横轴上；调整螺栓501间隙装配在平整安装架504顶端中部的圆孔内；支撑架503的一端为两侧带有燕尾结构、中间外侧为半圆状内螺纹的结构，其燕尾结构装配在平整安装架504顶端中部的燕尾槽中，半圆状内螺纹与装配在圆孔内的调整螺栓501螺纹连接配合。旋转调整螺栓501时，调整螺栓501与平整安装架504无相对位移，螺纹旋转、带动支撑架503上下移动，从而调节粒子平整装置中压辊502与工件7间间隙，再通过外置显微镜的观察，精准地确定工件7和压辊502之间的间隙。
所述的粒子平整装置5在调整压辊502与工件7之间的间隙时，为保证间隙的精准，可用显微测量仪精确设置压辊502与工件7之间的间隙。
所述的液面监测装置6设置在溶液槽102外壁出液口处，液面监测计601安装在稳液管602内，其主体部分距离液面有一定的高度，辅助部分安装在液面以下，其中的稳液管602与溶液槽102相通，形成连通器，其内的液体与溶液槽102内液体等高，且其在溶液槽102外，不受加热影响，液面保持稳定。
所述的液面监测装置6监测液面的变化情况，并将液面变化信息传输给电机201。
所述的槽体1、粒子平整装置5、调速箱303和输出轴304采用聚丙烯材料。
所述的稳液管602采用玻璃材料。
Claims (5)
1.一种胶体粒子掩膜制备装置，包括槽体（1）、升降装置（2）、调速装置（3）、溶液加热恒温装置（4）、粒子平整装置（5）和液面监测装置（6），其特征在于：所述的槽体（1）包括固定槽（101）和溶液槽（102）；所述的升降装置（2）包括电机（201）、螺母丝杠（202）、导轨（203）、螺母滑块（204）和移动平台（205）；所述的调速装置（3）包括电机（301）、调速齿轮组（302）、调速箱（303）、输出轴（304）和锁紧螺母（305）；所述的粒子平整装置（5）包括调整螺栓（501）、压辊（502）、支撑架（503）和平整安装架（504）；所述的液面监测装置（6）包括液面监测计（601）和稳液管（602）；所述的升降装置（2）中的电机（201）安装在固定槽（101）的底部；所述的调速装置（3）安装在升降装置（2）的移动平台（205）上，且与升降装置（2）共同设置在固定槽（101）的侧壁上；所述的溶液加热恒温装置（4）设置在溶液槽（102）的槽底；所述的粒子平整装置（5）设置在调速装置（3）的调速箱（303）上；所述的液面监测装置（6）设置在溶液槽（101）外壁出液口处。
2.根据权利要求所述的一种胶体粒子掩膜制备装置，其特征在于：所述的粒子平整装置（5）中的工件（7）与压辊（502）之间间隙可通过旋转调整螺栓（501）调节，其间隙大于粒子层数乘以粒子直径、小于（粒子层数加一）乘以粒子直径。
3.根据权利要求所述的一种胶体粒子掩膜制备装置，其特征在于：所述的粒子平整装置（5）中的调整螺栓（501）间隙装配在平整安装架（504）顶端中间的圆孔内；支撑架（503）的一端为两侧带有燕尾结构、中间外侧为半圆状内螺纹结构，其燕尾结构装配在平整安装架（504）顶端的燕尾槽中，半圆状内螺纹与装配在圆孔内的调整螺栓（501）螺纹连接配合，旋转调整螺栓（501）时，调整螺栓（501）与平整安装架（504）无相对位移，螺纹带动支撑架上下移动，从而调节粒子平整装置（5）中压辊（502）与工件（7）间间隙。
4.根据权利要求所述的一种胶体粒子掩膜制备装置，其特征在于：所述的槽体（1）、粒子平整装置（5）、调速箱（303）和输出轴（304）采用聚丙烯材料。
5.根据权利要求所述的一种胶体粒子掩膜制备装置，其特征在于：所述的液面监测装置（6）中稳液管（602）采用玻璃材料。
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