CN109734045B - 基于数字光的超声辅助微结构选区成形制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字光的超声辅助微结构选区成形制造装置及方法。双面抛光铌酸锂晶片布置在光学支架的透光孔上，至少一对叉指换能器正交排布在晶片四周，PDMS氮气保护壳置于换能器上方，透光孔正下方依次设有汇聚透镜和数字式微棱镜芯片，紫外光源和准直透镜依次倾斜安装在光学支架的侧面。晶片上涂覆光敏液体，启动叉指换能器使声表面驻波场耦合入光敏液体内形成微结构阵列；放置氮气保护壳，输入DMD掩膜版，紫外光经准直透镜后照射在数字式微棱镜芯片进行选择反射，然后依次穿过汇聚透镜、晶片射入光敏液体内，曝光区域的光敏液体固化，得到指定形状的微结构阵列薄膜。本发明实现了紫外光的数字选择，成形区域控制精度高，响应速度快。

Description

基于数字光的超声辅助微结构选区成形制造装置及方法

技术领域

本发明涉及快速成形技术，尤其涉及一种基于数字光的超声辅助微结构选区成形制造装置及方法。

背景技术

常见的聚合物表面微结构制造方法包括3D打印、光刻、纳米压印、超声驻波场辅助等等。其中基于超声驻波场辅助的阵列式微结构成形方法，具有成形速度快、成形过程不需要模具、可实现多材料制造等优点，可以被应用于细胞芯片基底、柔性微米电极、分布式柔性触觉传感器等具有聚合物基底的微结构制作中。比如，超声驻波场辅助制造的一维或二维阵列式微结构可作为细胞芯片的基底材料，用于研究离体细胞三维培养；液体受表面驻波场激发，其内部周期性分布的声辐射力可对纳米银线颗粒进行线性排布，再结合紫外光固化可在聚合物基底上制备纳米银线，实现聚合物薄膜上微电极的快速低成本制造。

目前现有的超声驻波场辅助阵列式微结构的成形方法中，可以通过改变叉指换能器的波长、输入电压与叉指换能器对数选择，从而激发不同的超声驻波场，调节微结构阵列的形貌。微结构的范围取决于紫外光固化前液膜的涂覆区域。然而液膜受声辐射力、晶片表面特性与液膜厚度等因素的影响，其分布区域难以精准调控。而且，驻波场激发的一维和二维微结构阵列相对简单，难以满足更为复杂的微结构阵列制造需要。比如，在肝细胞离体培养中，为了更好模拟细胞的真实生长环境，需要将其培养在一个圆形区域的阵列式微结构基底上。分布式柔性传感器需要具有部分微凸台的结构层实现压敏电阻的预张紧。综上所述，现有技术中缺少了一种三维微结构成形区域的控制方法与装置。

发明内容

为解决现有超声驻波场辅助的阵列式微结构成形方法中存在的问题，利用数字微棱镜器件(DMD)可对光进行选择反射这一技术，本发明提出了一种基于数字光的超声辅助微结构选区成形制造装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、基于数字光的超声辅助微结构选区成形制造装置

装置包括数字式微棱镜芯片、汇聚透镜、双面抛光铌酸锂晶片、叉指换能器、PDMS氮气保护壳、紫外光源、准直透镜和光学支架；双面抛光铌酸锂晶片布置在光学支架中心的透光孔上，至少一对叉指换能器正交排布在双面抛光铌酸锂晶片的四周，光敏液体涂覆于至少一对叉指换能器包围形成的双面抛光铌酸锂晶片中心区域内，PDMS氮气保护壳密封盖在光学支架上，并覆盖在双面抛光铌酸锂晶片的上方。

光学支架的透光孔的正下方依次设置有汇聚透镜和数字式微棱镜芯片，紫外光源和准直透镜依次倾斜安装在光学支架的侧面，紫外光源、准直透镜和数字式微棱镜芯片的中心位于同一直线上，紫外光源发出的紫外光经准直透镜变为平行光后通过数字式微棱镜芯片进行选择反射，再由汇聚透镜汇聚紫外光透过光学支架的透光孔和双面抛光铌酸锂晶片照射到光敏液体上。

优选的，叉指换能器均为均匀等周期叉指换能器，叉指换能器的中心位置重合，每对叉指换能器均产生声表面波驻波场，声表面波驻波场耦合入光敏液体中。

优选的，数字光控制采用的数字式微棱镜芯片是具有选择反射功能的DMD芯片，或者是阵列式LED数字光源。

优选的，至少一对叉指换能器、光敏液体、双面抛光铌酸锂晶片均位于PDMS氮气保护壳和光学支架之间形成密封空间内。

二、基于数字光的超声辅助微结构选区成形制造方法，包括以下步骤：

步骤1)：通过微量移液器在双面抛光铌酸锂晶片上涂覆光敏液体，使光敏液体均匀覆盖于双面抛光铌酸锂晶片的中心区域，将叉指换能器与信号发生器相连，启动信号发生器，至少一对叉指换能器利用逆压电效应在双面抛光铌酸锂晶片上产生声表面驻波场，声表面驻波场耦合入光敏液体内，光敏液体受到声表面驻波场中的声辐射力作用，从而在光敏液体表面形成微结构阵列。

步骤2)：在至少一对叉指换能器上方放置PDMS氮气保护壳，向PDMS氮气保护壳和光学支架之间形成的密封空间内通入氮气以排尽空气，待微结构阵列稳定且氮气充满后，设置具有图形的数字式DMD掩膜版，打开紫外光源，紫外光源发出的紫外光经准直透镜形成平行紫外光后照射在数字式微棱镜芯片上，数字式微棱镜芯片根据DMD掩膜版的图形将平行紫外光进行选择反射，位于DMD掩膜版图形区域内的平行紫外光向上依次穿过汇聚透镜、双面抛光铌酸锂晶片照射到光敏液体，光敏液体被照射到的区域形成曝光区域，曝光区域的光敏液体固化，曝光区域之外的光敏液体未固化。

步骤3)：关闭紫外光源和信号发生器，停止通氮气，撤掉PDMS氮气保护壳，用酒精冲洗去掉未固化的光敏液体，从而在双面抛光铌酸锂晶片上得到具有图形(指定形状)的微结构阵列薄膜。

输入不同图形的DMD掩膜版，形成不同图形的曝光区域，从而得到具有不同图形的微结构阵列薄膜。

微结构阵列的形态由叉指换能器的工作频率、输入电压和输入相位以及叉指换能器的排布位置和工作状态调整。叉指换能器的工作状态具体包括打开状态和关闭状态。

步骤3)中关闭信号发生器后，再次打开紫外光源进行二次曝光，在双面抛光铌酸锂晶片上得到部分具有微结构的聚合物表面，一次曝光形成的聚合物具有微结构，二次曝光形成的聚合物为光滑表面。

在一对叉指换能器的作用下，光敏液体表面形成波纹状的一维微结构阵列；在两对叉指换能器的作用下，光敏液体表面形成点阵状的二维微结构阵列。

本发明设置由紫外光源至双面抛光铌酸锂晶片的光路，紫外光源经准直透镜照射到通过投影式DMD芯片上，再经汇聚透镜汇聚后照射入双面抛光铌酸锂晶片上方的光敏液体内，通过投影式DMD芯片中的微棱镜进行选择反射，使得微结构成形区域的形态、大小可控，而且基于数字光技术，设计不同的数字掩膜版制造出指定范围的光滑波纹状微结构，实现了实现紫外光的数字选择，成形区域控制精度高，响应速度快等优点。

本发明具有的有益效果是：

(1)通过设计不同的数字掩膜版，利用数字式微棱镜装置(DMD)实现紫外光数字选择，完成微结构成形区域的控制，具有成形区域控制精度高，响应速度快等优点。

(2)通过叉指换能器设计，结合多对换能器的输出频率、幅值、相位以及开启或关闭的工作状态的独立控制，可以改变阵列式微结构的周期、高度、形貌。

(3)可通过二次曝光，制造出具有部分微结构的聚合物表面，同时可实现微结构区域的控制。

附图说明

图1是本发明的装置示意图。

图2是两对叉指换能器的俯视示意图。

图3是本发明的紫外光光路示意图。

图4是使用六边形掩膜版并开启两对换能器的制造成形示意图。

图5是使用阵列式圆形掩膜版并开启一对换能器的制造成形示意图。

图6是本发明二次曝光后得到的具有微结构的聚合物示意图。

图中，1.数字式微棱镜芯片、2.汇聚透镜、3.双面抛光铌酸锂晶片、4.光敏液体、5.PDMS氮气保护壳、6.叉指换能器、7.紫外光源、8.准直透镜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1、图3所示，光学支架9中心设计有可以通过光的圆孔作为透光孔；双面抛光铌酸锂晶片3布置在光学支架9中心的透光孔上，双面抛光铌酸锂晶片3为透明，两对叉指换能器6正交排布在双面抛光铌酸锂晶片3的四周，每对叉指换能器6包括两个叉指换能器6，两个叉指换能器6以双面抛光铌酸锂晶片3为中心对称布置在双面抛光铌酸锂晶片3的两侧。

光敏液体4涂覆于两对叉指换能器6包围形成的双面抛光铌酸锂晶片中心区域内，PDMS氮气保护壳5密封盖在光学支架9上，并覆盖在双面抛光铌酸锂晶片3的上方。氮气保护壳5覆盖的面积要完全覆盖所有的叉指换能器6，光敏液体4涂敷于两对换能器之间的中心位置。

如图1所示，两对叉指换能器6和光敏液体4均位于双面抛光铌酸锂晶片3、PDMS氮气保护壳5和光学支架9之间形成密封空间内。

光学支架9的透光孔的正下方依次设置有汇聚透镜2和数字式微棱镜芯片1，紫外光源7和准直透镜8依次倾斜安装在光学支架9的侧面，紫外光源7、准直透镜8和数字式微棱镜芯片1的中心位于同一直线上，紫外光源7发出的紫外光经准直透镜8变为平行光后通过数字式微棱镜芯片1进行选择反射，再由汇聚透镜2汇聚紫外光透过光学支架9的透光孔和双面抛光铌酸锂晶片3照射到光敏液体4上。

两对叉指换能器6均为均匀等周期叉指换能器，两对叉指换能器6的中心位置重合。每对叉指换能器6均产生声表面波驻波场，声表面波驻波场通过瑞利角θ耦合入光敏液体4中。在两对叉指换能器6的作用下，光敏液体4表面产生点阵状的二维微结构。在一对叉指换能器6的作用下，光敏液体4表面形成波纹状的一维微结构阵列。具体实施中，叉指换能器6的对数不限于两对，可以为多对，但至少应为一对。

通过输入不同图形的DMD掩膜版，形成不同图形的曝光区域，从而得到具有不同图形的微结构阵列薄膜。微结构阵列的形态由叉指换能器的工作频率、输入电压和输入相位以及叉指换能器的排布位置和工作状态调整。叉指换能器的工作状态具体包括打开状态和关闭状态。

在一对叉指换能器的作用下，光敏液体表面形成波纹状的一维微结构阵列；在两对叉指换能器的作用下，光敏液体表面形成点阵状的二维微结构阵列。

数字式微棱镜芯片1为具有选择反射功能的DMD芯片，或者是阵列式LED数字光源等数字光设备。

如图2所示，叉指换能器6通过光刻与电子束蒸镀工艺制作而成，两对完全相同的叉指换能器6通过MEMS工艺在双面抛光铌酸锂晶片3制备得到，具体制造流程如下：

1)根据叉指换能器设计相应的掩膜版，掩膜版电极部分区域需设计为不透光的以增大光刻成功率，双面抛光的128度Y切铌酸锂(LiNbO3)晶片3作为基底材料。

2)分别加入丙酮、甲醛、异丙醇对晶片进行超声清洗，以除去晶片3表面灰尘，增加晶片3对光刻胶的附着力。每次清洗完用去离子水清洗后烘干。涂覆光刻负胶，匀胶机转速3000/min，时间15s，以保证光刻后光刻胶的厚度为1μm左右。

3)将晶片3在90℃下烘干2min后放置掩膜版进行第一次曝光，曝光时间8s，曝光后的晶片3在120℃下烘干1min，之后进行第二次整片曝光，曝光时间3min。

4)将晶片3放入负胶显影液40s并轻轻摇晃晶片，之后用去离子水进行冲洗后吹干。

5)选择电子束蒸镀作为物理气相沉积沉积方案，靶材为铝，每片蒸镀30min，后放入丙酮溶液超声清洗剥离30min，即可得到叉指换能器6。

如图3所示，整个装置光路示意图具体为：紫外光源7发出的紫外光，经凸透镜8变为平行光后，以α＝24°照射在数字式微棱镜芯片1上，经数字式微棱镜芯片1选择向上反射，经汇聚透镜2进一步汇聚，汇聚后的平行紫外光透过支架上的透光孔，然后穿过双面抛光铌酸锂晶片3照入光敏液体4内。

实施例一

如图4所示，本实施例是在开启两对换能器，并且使用图形为六边形的数字掩膜版的实施结果示意图。

步骤1)通过微量移液器在双面抛光铌酸锂晶片3上涂覆光敏液体4，使光敏液体4均匀覆盖于双面抛光铌酸锂晶片3的中心区域，将两对叉指换能器与信号发生器相连，启动信号发生器，叉指换能器6利用逆压电效应在双面抛光铌酸锂晶片3上产生稳定的声表面驻波场，声表面驻波场耦合入光敏液体4内，光敏液体4受到二维的声表面驻波场中的声辐射力作用产生周期性微结构图案，从而在光敏液体4表面形成二维点阵状的微结构阵列。

步骤2)在两对叉指换能器6上方放置PDMS氮气保护壳5，向PDMS氮气保护壳5和光学支架9与双面抛光铌酸锂晶片3之间形成的密封空间内通入氮气以排尽空气，待微结构阵列稳定且氮气充满腔体后，设置六边形掩膜版并输入六边形的DMD掩膜版，打开紫外光源7，紫外光源7发出的紫外光经准直透镜8形成平行紫外光后照射在数字式微棱镜芯片1上，数字式微棱镜芯片1根据DMD掩膜版的图形将平行紫外光进行选择反射，位于DMD掩膜版六边形图形区域内的平行紫外光在汇聚透镜2进行进一步汇聚，经汇聚透镜2汇聚后的平行紫外光穿过双面抛光铌酸锂晶片3照射入光敏液体4内，位于DMD掩膜版图形区域内的平行紫外光照射入光敏液体4内形成曝光区域，曝光区域的光敏液体4固化，曝光区域之外的光敏液体4未固化。

具体实施中，光敏液体4涂覆的面积应大于紫外光经六边形掩膜版形成的六边形外轮廓。

步骤3)关闭紫外光源7和信号发生器，停止通氮气，撤掉PDMS氮气保护壳5，用酒精冲洗去掉未固化的光敏液体，从而在双面抛光铌酸锂晶片3上得到六边形的微结构阵列薄膜。

实施例二

如图5所示，本实施例是在开启一对换能器，并且使用阵列式圆形的数字掩膜版的实施结果示意图。

步骤1)通过微量移液器在双面抛光铌酸锂晶片3上涂覆光敏液体4，使光敏液体4均匀覆盖于双面抛光铌酸锂晶片3的中心区域，将一对叉指换能器与信号发生器相连，启动信号发生器，叉指换能器6利用逆压电效应在双面抛光铌酸锂晶片3上产生的声表面驻波场，声表面驻波场耦合入光敏液体4内，光敏液体4受到的声表面驻波场中的声辐射力作用产生周期性微结构图案，从而在光敏液体4表面形成一维波纹状的微结构阵列。

步骤2)在一对叉指换能器6上方放置PDMS氮气保护壳5，向PDMS氮气保护壳5内通入氮气以排尽空气，待微结构阵列稳定且氮气充满腔体后，设置阵列式圆形的数字掩膜版，打开紫外光源7，紫外光源7发出的紫外光依次经准直透镜8、数字式微棱镜芯片1上、汇聚透镜2、双面抛光铌酸锂晶片3后照射入光敏液体4内，位于四个阵列式的圆形区域内的平行紫外光照射入光敏液体4内形成曝光区域，曝光区域的光敏液体4固化，曝光区域之外的光敏液体4未固化。

步骤3)关闭紫外光源7和信号发生器，停止通氮气，撤掉PDMS氮气保护壳5，用酒精冲洗去掉未固化的光敏液体，从而在双面抛光铌酸锂晶片3上得到阵列式圆形的微结构阵列薄膜。

实施例三

如图6所示，本实施例是在开启两对换能器，同时使用阵列式圆形的数字掩膜版、方形数字掩膜版，并且结合二次曝光的实施结果示意图。

步骤1)在双面抛光铌酸锂晶片3上涂覆光敏液体4，将两对叉指换能器与信号发生器相连，启动信号发生器，叉指换能器6在双面抛光铌酸锂晶片3上产生的声表面驻波场，声表面驻波场耦合入光敏液体4内，从而在光敏液体4表面形成点阵状的微结构阵列。

步骤2)在两对叉指换能器6上方放置PDMS氮气保护壳5，向PDMS氮气保护壳5内通入氮气以排尽空气，待微结构阵列稳定且氮气充满腔体后，设置阵列式圆形的数字掩膜版，打开紫外光源7进行曝光，曝光区域的光敏液体4固化，曝光区域之外的光敏液体4未固化，得到四个阵列式的圆形微结构。

步骤3)关闭叉指换能器6，选用方形掩膜版，打开紫外光源7进行二次曝光，二次曝光区域的光敏液体4因为没有声表面驻波场的作用，将不会出现微结构条纹。之后关闭通入氮气，紫外光源7，移去氮气保护壳5，用酒精冲洗未固化的光敏液体4，即可得到在平整的液膜表面上的四个阵列式圆形微结构，即具有微结构的聚合物表面。

本实施例在步骤3)中，先关闭信号发生器，然后再次打开紫外光源进行二次曝光，在双面抛光铌酸锂晶片上上得到具有部分微结构的聚合物表面，一次曝光形成的聚合物具有微结构，二次曝光形成的聚合物为光滑表面。

本发明利用叉指换能器激发的超声能场，使光预聚物表面产生周期性形貌，基于DMD对紫外光进行选择反射，最后通过对曝光区域的光敏液体进行光固化，实现微结构阵列成形区域控制。相对于单一使用DMD芯片的投影式3D打印技术来讲，本发明可以在一次曝光下制造出波纹状光滑微结构，并可进一步结合声辐射力非接触式操控粒子的特性，实现具有多材料的微结构制造。

Claims (9)

1.一种基于数字光的超声辅助微结构选区成形制造装置，其特征在于：包括数字式微棱镜芯片(1)、汇聚透镜(2)、双面抛光铌酸锂晶片(3)、叉指换能器(6)、PDMS氮气保护壳(5)、紫外光源(7)、准直透镜(8)和光学支架(9)；双面抛光铌酸锂晶片(3)布置在光学支架(9)中心的透光孔上，至少一对叉指换能器(6)正交排布在双面抛光铌酸锂晶片(3)的四周，光敏液体(4)涂覆于至少一对叉指换能器(6)包围形成的双面抛光铌酸锂晶片(3)中心区域内，PDMS氮气保护壳(5)密封盖在光学支架(9)上，并覆盖在双面抛光铌酸锂晶片(3)的上方；光学支架(9)的透光孔的正下方依次设置有汇聚透镜(2)和数字式微棱镜芯片(1)，紫外光源(7)和准直透镜(8)依次倾斜安装在光学支架(9)的侧面，紫外光源(7)、准直透镜(8)和数字式微棱镜芯片(1)的中心位于同一直线上，紫外光源(7)发出的紫外光经准直透镜(8)变为平行光后通过数字式微棱镜芯片(1)进行选择反射，再由汇聚透镜(2)汇聚紫外光透过光学支架(9)的透光孔和双面抛光铌酸锂晶片(3)照射到光敏液体(4)上。

2.根据权利要求1所述的基于数字光的超声辅助微结构选区成形制造装置，其特征在于：至少一对叉指换能器(6)均为均匀等周期叉指换能器，各对叉指换能器(6)的中心位置重合，每对叉指换能器(6)均产生声表面波驻波场，声表面波驻波场耦合入光敏液体(4)中。

3.根据权利要求1所述的基于数字光的超声辅助微结构选区成形制造装置，其特征在于：数字光调控采用的数字式微棱镜芯片(1)是具有选择反射功能的DMD芯片，或者是阵列式LED数字光源。

4.根据权利要求1所述的基于数字光的超声辅助微结构选区成形制造装置，其特征在于：所述的至少一对叉指换能器(6)、光敏液体(4)、双面抛光铌酸锂晶片(3)均位于PDMS氮气保护壳(5)和光学支架(9)之间形成的密封空间内。

5.一种基于数字光的超声辅助微结构选区成形制造方法，其特征包括以下各步骤：

步骤1)：通过微量移液器在双面抛光铌酸锂晶片(3)上涂覆光敏液体(4)，使光敏液体(4)均匀覆盖于双面抛光铌酸锂晶片(3)的中心区域，将叉指换能器(6)与信号发生器相连，启动信号发生器，至少一对叉指换能器(6)在双面抛光铌酸锂晶片(3)上产生声表面驻波场，声表面驻波场耦合入光敏液体(4)内，在光敏液体(4)表面形成微结构阵列；

步骤2)：在至少一对叉指换能器(6)上方放置PDMS氮气保护壳(5)，向PDMS氮气保护壳(5)和光学支架(9)之间形成的密封空间内通入氮气，待微结构阵列稳定且氮气充满后，设置具有图形的DMD掩膜版，打开紫外光源(7)，紫外光源(7)发出的紫外光经准直透镜(8)形成平行紫外光后照射在数字式微棱镜芯片(1)上，数字式微棱镜芯片(1)根据DMD掩膜版的图形将平行紫外光进行选择反射，位于DMD掩膜版图形区域内的平行紫外光向上依次穿过汇聚透镜(2)、双面抛光铌酸锂晶片(3)照射到光敏液体(4)，光敏液体(4)被照射到的区域形成曝光区域，曝光区域的光敏液体(4)固化；

步骤3)：关闭紫外光源(7)和信号发生器，停止通氮气，撤掉PDMS氮气保护壳(5)，用酒精冲洗去掉未固化的光敏液体(4)，从而在双面抛光铌酸锂晶片(3)上得到具有图形的微结构阵列薄膜。

6.根据权利要求5所述的基于数字光的超声辅助微结构选区成形制造方法，其特征在于：输入不同图形的DMD掩膜版，形成不同图形的曝光区域，从而得到具有不同图形的微结构阵列薄膜。

7.根据权利要求5所述的基于数字光的超声辅助微结构选区成形制造方法，其特征在于：微结构阵列的形态由叉指换能器(6)的工作频率、输入电压和输入相位以及叉指换能器(6)的排布位置和工作状态调整。

8.根据权利要求5所述的基于数字光的超声辅助微结构选区成形制造方法，其特征在于：步骤3)中关闭信号发生器后，再次选择不同的数字掩膜版，打开紫外光源(7)进行二次曝光，在双面抛光铌酸锂晶片(3)上得到具有部分微结构的聚合物表面，具有部分微结构的聚合物表面包括两层微结构，一次曝光形成的微结构作为上层微结构，二次曝光形成的微结构作为基层微结构，上层微结构位于基层微结构表面上，二次曝光形成的聚合物为光滑表面。

9.根据权利要求5所述的基于数字光的超声辅助微结构选区成形制造方法，其特征在于：在一对叉指换能器(6)的作用下，光敏液体(4)表面形成波纹状的一维微结构阵列；在两对叉指换能器(6)的作用下，光敏液体(4)表面形成点阵状的二维微结构阵列。

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