CN110127594A - 一种高厚宽比微纳结构的制造方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高厚宽比微纳结构制造方法及装置，属于柔性电子制造邻域。该方法具体为：向基板上已喷印的微纳液滴图案施加电场，诱导微纳液滴图案的边缘横向收缩且纵向拉伸，形成高厚宽比微纳结构。装置包括上电极板、下电极板和外置高压放大器系统，上电极板、下电极板的导线连接端分别连接外置高压放大器系统，工作中已喷印微纳液滴图案的基板放置于下电极板上，外置高压放大器系统启动在上、下电极板之间形成电场，诱导微纳液滴图案边缘横向收缩并纵向拉伸形成高厚宽比微纳结构。本发明通过电场诱导产生高厚宽比的微纳图案，显著提高了微纳结构的制造效率，满足精度要求。

Description

一种高厚宽比微纳结构的制造方法及装置

技术领域

本发明涉及柔性电子制造邻域，具体涉及是一种高厚宽比微纳结构的制造方法与装置。

背景技术

随着科技的发展，对精细化装备的需求越来越强，柔性电子技术在微纳处理方面有着广阔的应用前景，特别是在传感器、柔性显示器、智能皮肤等领域有着广泛的需求。而如今，在纳米压印、光刻、喷墨打印等技术中的表面处理中，高厚宽比的微纳结构有很高的应用价值，但是对于这种不易制造的微纳结构，如何才能快速有效的制造成为一个需要解决的难题。

目前实现高厚宽比微纳结构多采用基板表面疏水镀层和基板表面纳米图案，由于不同墨水材料体系，存在不同的材料镀层和微纳图案处理，工艺繁琐、且厚宽比很难调控。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高厚宽比微纳结构的制造方法及装置，通过电场诱导产生高厚宽比的微纳图案，可方便调控厚宽比，显著提高了微纳结构的制造效率，方法简单，容易实现。

一种高厚宽比微纳结构制造方法，该方法具体为：向基板上已喷印的微纳液滴图案施加电场，诱导微纳液滴图案的边缘横向收缩且纵向拉伸，形成高厚宽比微纳结构。

进一步地，通过在300V～20kV范围调节电压、在0.1mm～100mm范围调节两电极间距的方式施加电场。

进一步地，还对高厚宽比微纳结构紫外固化或者热固化。

一种高厚宽比微纳结构制造装置，包括上电极板、下电极板和外置高压放大器系统，上电极板、下电极板的导线连接端分别连接外置高压直流放大器系统的输出端，工作中已喷印微纳液滴图案的基板放置于下电极板上，外置高压放大器系统启动在上、下电极板之间形成电场，诱导微纳液滴图案边缘横向收缩并纵向拉伸形成高厚宽比微纳结构。

进一步地，所述上电极板包括多个子电极板，多个子电极板分别连接外置高压放大器系统的多个通道，外置高压放大器系统向多个子电极板输出不同大小的电压。

进一步地，所述上电极板整体为硬质塑料制成框架，各子电极板安置在框架之中，子电极板之间通过绝缘体阻隔。

进一步地，所述下电极板上刻有用于标定的两条十字交叉的刻度线，下电极板的十字交叉点与上电极板的中心点对齐。

进一步地，还包括内置于所述下电极板的加热器和真空吸附装置，以及与上电极板成包围式设计的紫外灯罩，灯罩内部内置紫外灯。

进一步地，还包括立柱和安装于立柱上的Z轴电机，Z轴电机连接上电极板，Z轴电机带动上电极板上下移动以调整上、下电极板的间距。

进一步地，还包括内置于下电极板上的真空吸附装置。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，通过加载高压电场诱导产生高厚宽比的微纳图案，进而，使之边缘横向收缩且纵向拉伸形成高厚宽比结构，显著提高了微纳结构和图案的制造效率，能满足精度要求。制造高厚宽比微纳结构和图案原理简单明了，易于实现，并且可以与电流体喷印制造等最新高精尖技术相关联，在传感器制造、医疗、智能家居等应用领域有广阔的应用前景。

进一步地，将上电极板采用多块构成，对每块加载不同的电压，实现不同尺寸要求的高厚宽比微纳结构的制备，满足不同指标要求。考虑到电场之间的干扰，优选地通过绝缘体阻隔，防止电场之间的相互影响。另外，上电极板为多块，在制备过程中涉及到与下电极对位问题，优选地在下电极板刻画十字交叉刻度线，通过交叉点与上电极板的中心点对齐实现对位，操作简单，容易实现。

进一步地，还对高厚宽比微纳结构进行固化处理，实现结构快速固化定型。

进一步地，对上电极板位置纵向调整，以调整上、下电极板之间的间距，灵活调节加载电场强度，操作方便，容易实现。

进一步地，真空吸附装置可以用于将已喷印微纳液滴图案的软质基板(如柔性胶片)或硬质基板(如硅片)更紧密的吸附于下电极板上，保证制造高厚宽比微纳图案过程中，基板不会移动，进而改变制造效果，具有保证制造稳定的技术效果。

综上，本发明可实现高厚宽比微纳图案的制造，具有快速、可靠、易操作、易控制、低成本的优点。

附图说明

图1是高厚宽比效果示意图；

图2是本发明高厚宽比微纳结构制造装置实施例1结构示意图；

图3是本发明方法中喷印液滴效果示意图；

图4是本发明方法中调整上下基板间距效果示意图；

图5是本发明方法中电场有道液滴生长效果示意图；

图6是本发明方法中加热固化或紫外光固化效果示意图；

图7是本发明高厚宽比微纳结构制造装置实施例2结构示意图；

图8是本发明实施例2的上电极板结构示意图；

图9是本发明实施例2的下电极板结构示意图

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

101-虚线201-底座202-立柱301-上电极板302-下电极板303外置高压放大器系统401-紫外固化灯灯罩501-喷印基板30101-子电极板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

首先对本发明所述高厚宽比制造进行说明：液滴打印在基板上会平摊延展，而所谓高厚宽比制造是指将平摊延展的液滴面用电场诱导向上生长形成锥状液滴的过程，即图1所示过程。

实施例1：

图2是高厚宽比微纳结构制造装置实施例1结构示意图，图3-6是利用图1装置完成制造高厚宽比微纳结构的工艺流程示意图。

本实施例从功能上包括电机运动模组、微纳结构制造模组和固化模组。电机运动模组能控制Y轴和Z轴移动，Y轴电机装于底座201内，Z轴电机装于立柱202内；上电极板301可由Z轴电机控制在滑槽内上下移动，下电极板302可由Y轴电机控制在滑槽内左右移动，且两者连接外置外置高压放大器系统303；紫外固化灯灯罩401连接立柱外部滑槽，可手动上下移动。

所述上、下电极板301、302为同种长宽相同的金属板，上电极板301薄，下电极板302厚，其上所加电压范围可由外置高压放大器系统303进行调节，调节范围可以是0V～30kV，其中在在300V～20kV范围内效果最佳。按照电压越高、间距越小，则场强越大，厚宽比越大的原则对电压大小和间距进行调整，但切忌出现电压加的极高、而上下电极板之间的间距又极低的情况，并且保证实验中场强最大不能超过3kV/mm。

上电极板301位置可调，其与下电极板间距d可由Z轴电机精确控制，调整范围为0～50cm，而对于高厚宽比微纳结构的制造而言其有效调节间距范围为0.1mm～100mm(精度0.01mm)。

下电极板302内部集成有加热装置和真空吸附装置。

加热装置采用电阻丝加热装置，有效调节范围为0～500℃，温度控制精度为0.1℃，集成在下电极板中，能够通过对下电极板最顶层的金属板加热来加热已制造的微纳液滴图案进行塑形。

真空吸附装置集成在下电极板中，下电极板顶层金属板上有多个微小通孔，金属板下有一个密封腔室，当打开真空吸附之后，将已喷印的微纳液滴图案的基板放在下电极板上，会因为大气压原因将基板压紧在下电极板上，从而达到保证基板不移动的效果。

虚线101处为进行喷印实验基板501处，于101处喷印完后可直接一键快速移动置微纳结构和图案制造处，使喷印与制造一体化高效实现。

首先，结合图2与4所示，准备好喷印溶液(该溶液可以热固化和紫外固化)，并选择进行过疏水处理的硅片作为喷印基板501，将基板501放在下电极板302上，用底座201内Y轴电机将下电极板302移动至虚线101处进行如图3所示的喷印过程，在基板上喷印出如图1中喷印基板501所示的微纳图案。

然后，结合图2与5所示，调动立柱202中Z轴电机，调整上电极板301，使上下电极板之间有合适间距d。接通外置外置高压放大器系统303，调整电压，同时可进一步调整上下电极板间距d，诱导喷印基板501上的微纳液滴图案，使其边缘收缩并长高形成高厚宽比结构；

最后，结合图2与6所示，打开下电极板302的内置加热装置，设置合适温度，降下紫外灯及紫外灯罩401，打开紫外灯，进行固化，一段时间后，关闭紫外灯，升起紫外灯及紫外灯罩401，关闭直流高压放大器，升起上电极板301，取出载有微纳图案的喷印基板501即可。

实施例2：

图7给出了本发明装置的第二个实施例。实施例2所述装置与实施例1所述装置大部分结构相同，区别在于上电极板301和下电极板302的结构有所不同。

实施例2的上电极板301均分成了4个子电极板30101，如图8所示，每个电极板分别连接外置高压放大系统303中的2个直流高压放大器的4个通道，能通过电脑软件同时实现上电极板301上各块小电极板上的电压调控，同时上电极板301整体为硬质塑料制成框架，小电极板安置在框架之中，用绝缘体阻隔在各小电极板之间，则根据电磁理论可知，上电极板301与下电极板302之间的电场是匀强电场，而且板外无电场，各小电极版之间无电场，不会出现各块之间的电场相互影响。

而下电极板302为了保证操作者能够精确控制喷印基板501的位置，在下电极板302上标注有精确标准的刻度线，如图9所示，虚线表示两条相交的中心线也就是0线，旁边的实线表示标准的以中心线为基准的刻度线，同时两条0线与上电极板301的中心线完全对齐，确保上下电极板各块区域对正。

首先，准备好喷印溶液，并选择进行过疏水处理的硅片作为喷印基板501，将基板501放在下电极板302上，用底座201内Y轴电机将下电极板移动至虚线101处进行如图2所示的喷印过程，在基板上喷印出如图1中喷印基板501所示的微纳图案。

然后，调动立柱0202中Z轴电机，调整上电极板301，使上下电极板之间有合适间距d。接通外置外置高压放大器系统303，调整各块电极板间的电压，并进一步调整上下电极板间距d，诱导喷印基板501上的微纳液滴图案生长，使其边缘收缩并长高形成高厚宽比结构，这里所述喷印基板501可以根据需要进行位置调整，例如操作者希望喷印基板501上的图案能形成4块面积一样的高度不同的区域，只需要移动喷印基板501的中心位置与下电极板302的中心位置(两条0线交点)重合，然后在电脑上操作，使外置外置高压放大器系统303产生4个不同的电压即可。

最后，打开下电极板302的内置加热装置，设置合适温度，降下紫外灯及紫外灯罩401，打开紫外灯，进行固化，一段时间后，关闭紫外灯，升起紫外灯及紫外灯罩401，关闭直流高压放大器，升起上电极板301，取出载有微纳图案的喷印基板501即可。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高厚宽比微纳结构制造方法，其特征在于，该方法具体为：向基板上已喷印的微纳液滴图案施加电场，诱导微纳液滴图案的边缘横向收缩且纵向拉伸，形成高厚宽比微纳结构。

2.根据权利要求1所述的高厚宽比微纳结构制造方法，其特征在于，通过在300V～20kV范围调节电压、在0.1mm～100mm范围调节两电极间距的方式施加电场。

3.根据权利要求1或2所述的高厚宽比微纳结构制造方法，其特征在于，还对高厚宽比微纳结构进行紫外固化或者热固化。

4.一种高厚宽比微纳结构制造装置，其特征在于，包括上电极板、下电极板和外置高压放大器系统，上电极板、下电极板的导线连接端分别连接外置高压直流放大器系统的接口端，工作中已喷印微纳液滴图案的基板放置于下电极板上，外置高压放大器系统启动在上、下电极板之间形成电场，诱导微纳液滴图案边缘横向收缩并纵向拉伸，形成高厚宽比微纳结构。

5.根据权利要求4所述的高厚宽比微纳结构制造装置，其特征在于，所述上电极板包括多个子电极板，多个子电极板分别连接外置高压放大器系统的多个通道，外置高压放大器系统通过多个通道分别向多个子电极板输出不同大小的电压。

6.根据权利要求4或5所述的高厚宽比微纳结构制造装置，其特征在于，所述上电极板整体为硬质塑料制成框架，各子电极板安置在框架之中，子电极板之间通过绝缘体阻隔。

7.根据权利要求6所述的高厚宽比微纳结构制造装置，其特征在于，所述下电极板上刻有用于标定的两条十字交叉的刻度线，下电极板的十字交叉点与上电极板的中心点对齐。

8.根据权利要求4或5所述的高厚宽比微纳结构制造装置，其特征在于，还包括内置于所述下电极板的加热器和真空吸附装置，以及与上电极板成包围式设计的紫外灯罩，灯罩内部内置紫外灯。

9.根据权利要求4或5所述的高厚宽比微纳结构制造装置，其特征在于，还包括立柱和安装于立柱上的Z轴电机，Z轴电机连接上电极板，Z轴电机带动上电极板上下移动以调整上、下电极板的间距。

10.根据权利要求6或7所述的高厚宽比微纳结构制造装置，其特征在于，还包括内置于下电极板上的真空吸附装置。