CN110549596A - 一种嵌入式叠层结构制备装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种嵌入式叠层结构制备装置及方法。本发明提供的装置包括上层喷头、下层喷头、单刃刀片、上层储液箱、上层溶液泵、下层储液箱、下层溶液泵、运动平台、基底、静电屏蔽罩和高压电源。本发明采用上层喷头和下层喷头同时直写，通过高压静电进行精准定位，高效地制备出微纳米级别的嵌入式叠层结构，解决现有技术制备嵌入式叠层结构效率低、结构形状精度低、结构上下不对称、结构尺度大等问题。
Description
技术领域
本发明涉及微纳米结构制备技术领域，具体为一种嵌入式叠层结构制备装置及方法。
背景技术
微纳米尺度的叠层结构通常由上下两层材料堆叠而成，可用于制作上下两层叠加的结构，还可进一步加工成悬空结构、悬臂梁结构等，在MEMS器件、微流控芯片、半导体等领域中具有广泛应用。
叠层结构通常采用快速成型技术制作而成，该技术借助计算机辅助设计预先规划好走线，通过移动笔头或基底，将设计模型快速实物化。快速成型技术常见有光固化成型、选择性激光烧结成型以及分层实体成型几种类型。
光固化成型技术(SLA)，是目前最为成熟和广泛应用的一种快速成型制造工艺。这种工艺以液态光敏树脂为原材料，在计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓轨迹对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合(固化)反应，从而形成零件的一个薄层截面。完成一个扫描区域的液态光敏树脂固化层后，工作台下降一个层厚，使固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂然后重复扫描、固化，新固化的一层牢固地粘接在一层上，如此反复直至完成整个零件的固化成型。
选择性激光烧结成型(SLS)，选择性激光烧结法是在工作台上均匀铺上一层很薄(100μ-200μ)的金属粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层截面轮廓逐点地进行扫描、烧结，使粉末固化成截面形状。完成一个层面后工作台下降一个层厚，滚动铺粉机构在已烧结的表面再铺上一层粉末进行下一层烧结。未烧结的粉末保留在原位置起支撑作用，这个过程重复进行直至完成整个零件的扫描、烧结，去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理后便获得需要的零件。
分层实体成型(LOM)，该工艺是将单面涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起，位于上方的激光切割器按照CAD分层模型所获数据，用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓，然后新的一层纸再叠加在上面，通过热压装置和下面已切割层粘合在一起，激光束再次切割，如此反复逐层切割、粘合、切割，直至整个模型制作完成。
可见上述现有快速成型工艺方法都需要分层制造，再一层一层地离散叠加从底至顶完成零件的制作过程。由于该叠层结构的制备工艺方法都是一层一层地制造零件再粘结成型，效率低，结构形状精度低且结构上下不对称。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有叠层结构的制备工艺方法都是一层一层地制造零件再粘结成型，效率低，结构形状精度低且结构上下不对称的缺陷，提供一种嵌入式叠层结构制备装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种嵌入式叠层结构制备装置，其特征是，包括：上层喷头、下层喷头、单刃刀片、上层储液箱、上层溶液泵、下层储液箱、下层溶液泵、运动平台、基底、高压电源、运动平台驱动器；
上层喷头与下层喷头竖直平行设置；单刃刀片设于下层喷头水平侧面且单刃刀片的刀尖低于下层喷头；所述下层喷头与单刃刀片的刀尖都插入基底；所述上层喷头、下层喷头与单刃刀片设置于同一水平直线上；所述上层喷头的下端与基底上表面之间保持预设高度的间距；上层储液箱、上层溶液泵和上层喷头三者连通，上层溶液泵将上层溶液输送至上层喷头；下层储液箱、下层溶液泵和下层喷头三者连通，下层溶液泵将下层溶液输送至下层喷头；
所述运动平台设置于上层喷头与下层喷头正下方，并且所述运动平台与所述运动平台驱动器连接，通过运动平台驱动器编程实现运动平台按照预设路径和速度在XYZ轴方向上移动；基底可固定设于运动平台上表面；
所述上层喷头与下层喷头均由导电材料制成，所述上层喷头与所述下层喷头分别与高压电源电性连接且两者电性相反。
作为优选地，所述上层喷头、下层喷头，两者平行竖直设置，内径范围均为50μm～1500μm，下层喷头低于上层喷头10μm～3000μm。
作为优选地，所述单刃刀片的刀尖低于下层喷头10μm～3000μm，刀刃长度范围为2mm～50mm，刀刃夹角α值范围为10°～60°。
作为优选地，上层溶液泵将上层溶液输送至上层喷头，流量范围为10μl/hr～10ml/hr。
作为优选地，下层溶液泵将下层溶液输送至下层喷头，流量范围为10μl/hr～10ml/hr
作为优选地，上层喷头与基底的间距范围为5μm～2000μm，下层喷头插入基底部分的深度范围为5μm～3000μm，单刃刀片的刀尖插入基底部分的深度范围为5μm～5000μm。
作为优选地，还包括静电屏蔽罩，所述静电屏蔽罩由绝缘材料制成，其垂直设置于上层喷头的环形外围且静电屏蔽罩的下端不触及基底。
作为优选地，所述高压电源输出电压的绝对值在0kV至30kV之间。
作为优选地，所述装置还包括工业相机和显示器，所述工业相机正对上层喷头，即时将直写图像传输到所述显示器进行显示和存档。
本发明还提供了一种嵌入式叠层结构制备方法，包括以下步骤：
步骤1.采用如上技术方案提供的嵌入式叠层结构制备装置，将上层溶液装入上层储液箱，将下层溶液装入下层储液箱，将基底安装固定于运动平台上；
步骤2.开启上层溶液泵，设定上层溶液泵对上层喷头的供液速度；
步骤3.开启下层溶液泵，设定下层溶液泵对下层喷头的供液速度；
步骤4.开启高压电源，设定正极和负极的输出电压值；
步骤5.开启运动平台，沿着Z轴移动，使下层喷头及单刃刀片分别以设定深度插入基底内部；
步骤6.设定运动平台沿刀刃反方向的移动速度及路径；
步骤7.开启运动平台，此时单刃刀片在基底上制备出沟槽，同时下层喷头向沟槽内填充下层溶液，形成下层结构，随后再由上层喷头向下层结构上表面沉积电性相反的上层溶液，形成上层结构；
步骤8.停止所有装置。
本发明所达到的有益效果：
(1)本发明由单刃刀片插入基底制备沟槽，由下层喷头填充下层溶液，再由上层喷头沉积上层溶液，以上动作在直写中一次完成，因此可以提高效率；
(2)因为本发明上层溶液和下层溶液所带的电性相反，在制备上层结构过程中，下层结构对上层喷头直写起静电吸引、定位沉积作用，使上层溶液能准确地沉积到下层结构上方，所以能提高叠层结构的形状精度，避免出现叠层结构上下不对称、歪斜等问题；
(3)上层喷头在直写时，喷头出口的液滴在强静电场中会发生电液耦合作用，液滴形变成泰勒锥，与直接接触式直写相比，参与直写的泰勒锥锥尖的直径小，因此直写出的上层结构宽度可以更小，可以更加高效地直写出微纳米级结构；
(4)本发明设置了静电屏蔽罩，其垂直设置于上层喷头的环形外围，保护上层喷头在直写时不受外部电场、气流的影响，使整个装置更安全可靠，进一步提高叠层结构的精度；
(5)本发明设置工业相机和显示器，工业相机正对上层喷头，即时将直写图像传输到所述显示器进行显示和存档，使整个装置操作更加便捷。
附图说明
图1是本发明的一种实施例的装置示意图；
图中附图标记的含义：
1运动平台，2基底，3叠层结构，4工业相机，5显示器，6上层储液箱，7上层溶液泵，8高压电源，9下层溶液泵，10下层储液箱，11上层喷头，12下层喷头，13静电屏蔽罩，14单刃刀片；
图2是本发明的原理图；
图中附图标记的含义：3-1下层结构，3-2上层结构，12-1下层喷头插入基底部分，14-1刀尖；
图3是单刃刀片的一种实施例的重要结构示意图；
图中附图标记的含义：14-1刀尖，14-2刀刃，α为刀刃夹角；
图4是根据本技术方案制备的平面有序化阵列结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1:一种嵌入式叠层结构制备装置，具体如下：
上层喷头11与下层喷头12平行竖直设置，均由导电材料制成，内径范围均为50μm～1500μm，下层喷头12低于上层喷头1110μm～3000μm，本实施例采用点胶平口针头作为上层喷头11、下层喷头12。
单刃刀片14设于下层喷头12侧面，刀尖14-1位于下层喷头12下方10μm～3000μm。刀刃14-2长度范围为2mm～50mm，刀刃夹角α值范围为10°～60°，本实施例的单刃刀片14由美工刀片加工而成，其刀刃14-2长度10mm，刀刃夹角α值为30°。
设有上层储液箱6和上层溶液泵7，上层储液箱6、上层溶液泵7和上层喷头11三者连通，上层储液箱6用于储存上层溶液，上层溶液泵7将上层溶液输送至上层喷头11，流量范围为10μl/hr～10ml/hr。本实施例采用精密注射泵作为上层溶液泵7。
设有下层储液箱10和下层溶液泵9，下层储液箱10、下层溶液泵9和下层喷头12三者连通，下层储液箱10用于储存下层溶液，下层溶液泵9将下层溶液输送至下层喷头12，流量范围为10μl/hr～10ml/hr。本实施例采用精密注射泵作为下层溶液泵9。
运动平台1设置于上层喷头11与下层喷头12正下方，所述运动平台与所述运动平台驱动器(图中未示出)连接，运动平台1可以通过平台驱动器编程并按照预设路径和速度在XYZ轴方向上移动。运动平台采用现有技术实现，在此不做赘述。基底2可固定于运动平台1上表面，上层喷头11与基底2的间距范围为5μm～2000μm，下层喷头插入基底部分12-1的深度范围为5μm～3000μm，单刃刀片插入基底部分的深度范围为5μm～5000μm。
静电屏蔽罩13设置于上层喷头11与基底2之间，由绝缘材料制成，静电屏蔽罩13垂直设置于上层喷头的环形外围且静电屏蔽罩的下端不触及基底，保护上层喷头11在直写时不受外部电场、气流的影响，本实施例采用亚克力材料制成的透明薄壁圆筒作为静电屏蔽罩13。
高压电源8的正极(或负极)与上层喷头11电性连接，输出电压范围为0kV～30kV(或-30kV～0kV)，高压电源8的负极(或正极)与下层喷头12电性连接，输出电压范围为-30kV～0kV(或0kV～30kV)，上层喷头11与下层喷头12的电性相反。
在以上实施例的基础上，所述嵌入式叠层结构制备装置包括工业相机4和显示器5，工业相机4正对上层喷头11，即时将直写图像传输到显示器5，便于观察和存档。
工作原理：如图1、图2及图3所示，下层喷头12设有单刃刀片14，当运动平台1沿着Z轴向上移动时，下层喷头12及单刃刀片14以某预设深度插入基底2，随后运动平台1在XY平面沿着刀刃14-2反方向(图2中所示速度方向)移动时，一方面，单刃刀片14在基底2上刻制出一条特定长度、宽度及深度的沟槽；另一方面，下层喷头12向沟槽注入下层溶液，形成下层结构3-1。因为下层喷头12与高压电源8的负极(或正极)电性连接，所以下层喷头12向沟槽填充的下层溶液带有残余负电荷(或正电荷)。制备出的沟槽随运动平台1移动至上层喷头11正下方，上层喷头11与高压电源8的正极(或负极)电性连接，该电性与沟槽里的下层溶液所带电荷电性相反，所以在上层喷头11与沟槽之间形成强静电场，上层喷头11的液滴在强静电场中发生电液耦合喷印，向沟槽喷射，最后直写出上层结构3-2。上层结构3-2和下层结构3-1构成叠层结构3，即本技术方案所要制备的结构，其中，下层结构3-1为埋层。图4为直写出的平面有序化阵列结构，该基底2上有三条埋层-叠层结构3。
本发明具有如下显著收益：
1)由单刃刀片14制备沟槽，由下层喷头12填充下层溶液，再由上层喷头11沉积上层溶液，以上动作在直写中一次完成，因此可以提高效率。
2)因为上层溶液和下层溶液所带的电性相反，在制备上层结构3-2过程中，下层结构3-1对上层喷头11直写起静电吸引、定位沉积作用，使上层溶液能准确地沉积到下层结构3-1上方，所以能提高叠层结构3的形状精度，避免出现叠层结构3上下不对称、歪斜等问题。
3)上层喷头11在直写时，喷头出口的液滴在强静电场中会发生电液耦合作用，液滴形变成泰勒锥，与直接接触式直写相比，参与直写的泰勒锥锥尖的直径小，因此直写出的上层结构3-2宽度可以更小，可以更加高效地直写出微纳米级结构。
实施例2：一种嵌入式叠层结构制备的方法，采用以上实施例提供的一种嵌入式叠层结构制备装置。
本实施例中，基底2为PDMS，上层溶液为PEO溶液(浓度12％，溶质为PEO，溶剂为酒精和蒸馏水，体积比为1:1)，上层喷头11内径为210μm，下层溶液为PVDF溶液(浓度15％，溶质为PVDF，溶剂为丙酮和DMF混合溶剂，体积比为1:1)，下层喷头12内径为260μm，下层喷头12位于上层喷头11下方50μm，刀尖14-1位于下层喷头12下方20μm。高压电源8的正极与上层喷头11电性连接，高压电源8的负极与下层喷头12电性连接。
步骤1.搭建以上实施例提供的一种嵌入式叠层结构制备装置，将PEO溶液装入上层储液箱6，将PVDF溶液装入下层储液箱10，将PDMS基底2安装固定于运动平台1上；
步骤2.开启上层溶液泵7，设定上层溶液泵7对上层喷头11的供液速度为100μl/hr；
步骤3.开启下层溶液泵9，设定下层溶液泵9对下层喷头12的供液速度为120μl/hr；
步骤4.开启高压电源8，正极输出电压值为10kV，负极输出电压值为-8kV；
步骤5.开启运动平台1，沿着Z轴向上移动，使下层喷头12及单刃刀片14插入基底2内部，其中，上层喷头11与基底2的间距为20μm，下层喷头插入基底部分12-1的深度为30μm，单刃刀片插入基底部分的深度为50μm；
步骤6.设定运动平台1沿刀刃14-2反方向移动的速度10mm/s及路径(直线)；
步骤7.开启工业相机4和显示器5，开启运动平台1，此时单刃刀片14在基底2上制备出沟槽，同时下层喷头12向沟槽内填充下层溶液，形成下层结构3-1，随后上层喷头11向下层结构3-1上表面沉积电性相反的上层溶液，形成上层结构3-2；
步骤8.停止所有装置。
实施例3:一种嵌入式叠层结构制备的方法，采用以上实施例提供的一种嵌入式叠层结构制备装置。
本实施例中，基底2为PDMS，上层溶液为PEO溶液(浓度15％，溶质为PEO，溶剂为酒精和蒸馏水，体积比为1:1)，上层喷头11内径为320μm，下层溶液为石墨溶液(浓度13％，溶质为99.5％高纯度鳞片石墨，溶剂为聚氧化乙烯(PEO)和N-甲基吡咯烷酮(NMP)，体积比为1:1)，下层喷头12内径为260μm，下层喷头12位于上层喷头11下方50μm，刀尖14-1位于下层喷头12下方20μm。高压电源8的正极与上层喷头11电性连接，高压电源8的负极与下层喷头12电性连接。
步骤1.按图1搭建装置，将PEO溶液装入上层储液箱6，将石墨溶液装入下层储液箱10，将PDMS基底2安装固定于运动平台1上；
步骤2.开启上层溶液泵7，设定上层溶液泵7对上层喷头11的供液速度为150μl/hr；
步骤3.开启下层溶液泵9，设定下层溶液泵9对下层喷头12的供液速度为200μl/hr；
步骤4.开启高压电源8，正极输出电压值为8kV，负极输出电压值为-8kV；
步骤5.开启运动平台1，沿着Z轴向上移动，使下层喷头12及单刃刀片14插入基底2内部，其中，上层喷头11与基底2的间距为20μm，下层喷头插入基底部分12-1的深度为40μm，单刃刀片插入基底部分的深度为60μm；
步骤6.设定运动平台1沿刀刃14-2反方向移动的速度15mm/s及路径(直线)；
步骤7.开启工业相机4和显示器5，开启运动平台1，此时单刃刀片14在基底2上制备出沟槽，同时下层喷头12向沟槽内填充下层溶液，形成下层结构3-1，随后上层喷头11向下层结构3-1上表面沉积电性相反的上层溶液，形成上层结构3-2；
步骤8.停止所有装置。
本发明采用上层喷头和下层喷头同时直写，通过高压静电进行精准定位，高效地制备出微纳米级别的嵌入式叠层结构，解决现有技术制备嵌入式叠层结构效率低、结构形状精度低、结构上下不对称、结构尺度大等问题。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种嵌入式叠层结构制备装置，其特征是，包括：上层喷头、下层喷头、单刃刀片、上层储液箱、上层溶液泵、下层储液箱、下层溶液泵、运动平台、基底、高压电源和运动平台驱动器；
上层喷头与下层喷头竖直平行设置；单刃刀片设于下层喷头水平侧面且单刃刀片的刀尖低于下层喷头；所述下层喷头与单刃刀片的刀尖都插入基底；所述上层喷头、下层喷头与单刃刀片设置于同一水平直线上；所述上层喷头的下端与基底上表面之间保持预设高度的间距；上层储液箱、上层溶液泵和上层喷头三者连通，上层溶液泵将上层溶液输送至上层喷头；下层储液箱、下层溶液泵和下层喷头三者连通，下层溶液泵将下层溶液输送至下层喷头；
所述运动平台设置于上层喷头与下层喷头正下方，并且所述运动平台与所述运动平台驱动器连接，通过运动平台驱动器编程实现运动平台按照预设路径和速度在XYZ轴方向上移动；基底可固定设于运动平台上表面；
所述上层喷头与下层喷头均由导电材料制成，所述上层喷头与所述下层喷头分别与高压电源电性连接且两者电性相反。
2.根据权利要求1所述的一种嵌入式叠层结构制备装置，其特征在于，所述上层喷头、下层喷头，两者平行竖直设置，内径范围均为50μm～1500μm，下层喷头低于上层喷头10μm～3000μm。
3.根据权利要求1所述的一种嵌入式叠层结构制备装置，其特征在于，所述单刃刀片的刀尖低于下层喷头10μm～3000μm，刀刃长度范围为2mm～50mm，刀刃夹角α值范围为10°～60°。
4.根据权利要求1所述的一种嵌入式叠层结构制备装置，其特征在于，上层溶液泵将上层溶液输送至上层喷头，流量范围为10μl/hr～10ml/hr。
5.根据权利要求1所述的一种嵌入式叠层结构制备装置，其特征在于，下层溶液泵将下层溶液输送至下层喷头，流量范围为10μl/hr～10ml/hr。
6.根据权利要求1所述的一种嵌入式叠层结构制备装置，其特征在于，上层喷头与基底的间距范围为5μm～2000μm，下层喷头插入基底部分的深度范围为5μm～3000μm，单刃刀片的刀尖插入基底部分的深度范围为5μm～5000μm。
7.根据权利要求1所述的一种嵌入式叠层结构制备装置，其特征在于，还包括静电屏蔽罩，所述静电屏蔽罩由绝缘材料制成，其垂直设置于上层喷头的环形外围且静电屏蔽罩的下端不触及基底。
8.根据权利要求1所述的一种嵌入式叠层结构制备装置，其特征在于，所述高压电源输出电压的绝对值在0kV至30kV之间。
9.根据权利要求1所述的一种嵌入式叠层结构制备装置，其特征在于，所述装置还包括工业相机和显示器，所述工业相机正对上层喷头，即时将直写图像传输到所述显示器进行显示和存档。
10.一种嵌入式叠层结构制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.采用如权利要求1～9中任意一项权利要求所述的嵌入式叠层结构制备装置，将上层溶液装入上层储液箱，将下层溶液装入下层储液箱，将基底安装固定于运动平台上；
步骤2.开启上层溶液泵，设定上层溶液泵对上层喷头的供液速度；
步骤3.开启下层溶液泵，设定下层溶液泵对下层喷头的供液速度；
步骤4.开启高压电源，设定正极和负极的输出电压值；
步骤5.开启运动平台，沿着Z轴移动，使下层喷头及单刃刀片分别以设定深度插入基底内部；
步骤6.设定运动平台沿刀刃反方向的移动速度及路径；
步骤7.开启运动平台，此时单刃刀片在基底上制备出沟槽，同时下层喷头向沟槽内填充下层溶液，形成下层结构，随后再由上层喷头向下层结构上表面沉积电性相反的上层溶液，形成上层结构；
步骤8.停止所有装置。
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