CN110587977A - 基于斜指换能器的可变间距微结构的制备装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于斜指换能器的可变间距微结构的制备装置及方法。铌酸锂晶片上有一对斜指电极，中央布置有玻璃液槽；液态光敏预聚物置于玻璃液槽内；UV固化灯置于铌酸锂晶片下方。两个斜指换能器上加振幅变化、具有相位差且相位差变化的激励信号，两侧激励信号产生的声表面波叠加到液态光敏预聚物，形成峰谷高度变化/峰线谷线变化的可调变间距微阵列结构，通过紫外光照射使其固化成形。本发明能实现快速、可调控地制造微阵列结构，具有操作简便、生产效率高、结构可调控等特点。
Description
技术领域
本发明涉及微成形方法及成形装置，尤其是涉及一种基于斜指换能器的可变间距微结构的制备装置及方法。
背景技术
图案化微阵列结构成形方法和工艺是微制造领域的一个重要研究课题，在生物医学、航空航天、电子信息等领域具有广泛的应用。图案化微阵列结构可以被用于化学物质检测、药物筛选等，使得化学反应处于一定程度上可控的微环境中，保证反应的特异性；此外，表面的微阵列形貌能产生较大的摩擦力，因此适用于作为一般微小构件的外表层，如仿生皮肤的外表层。
目前，图案化微阵列结构的制造主要可分为模具成形法和无模成形法两类。模具成形法需要采用模具或者掩膜，光刻法和软光刻法是两种典型的模具成形法。光刻法采用特定波长光照下会发生化学反应的光刻胶，在掩模板的遮挡下，光照以使未遮挡部分曝光并发生反应，然后去除相应区域上的材料的加工过程。软光刻法是指采用柔性材料制造成软光刻所需的特定形状的柔性印章、模具或者掩模，再利用该柔性印章、模具或掩模进行微观结构的加工或复制的工艺。模具成形法使用单一模具或者掩模只能制造一种微结构，不能改变所制造的微结构的样式，当所需制造的图案化微阵列结构发生改变的时候，就必须设计全新的光刻模具或者柔性模具，制造周期长，灵活性比较低。
无模成形法包括超精密微机械制造技术、增材制造技术等。超精密微机械制造技术是利用微型化的加工设备对工件进行加工的方法，如微铣床、微车床等。这种方法跟宏观的机械加工设备操作方法相同，但是这种微制造技术对微制造设备要求较高，生产周期长，生产效率低。增材制造技术，如喷墨打印法、光固化打印法等，喷头的热效应或紫外光照射对材料的性能存在一定程度的损伤，并且增材制造技术的制造精度较低，难以满足高精度应用场合的需求。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于斜指换能器的可变间距微结构的制备装置及方法。特定的叠加信号在斜指电极的不同位置产生不同波长的声表面波，声表面波在铌酸锂晶片表面传播，以瑞利角进入液态光敏预聚物内产生特定驻波声场，并在液态光敏预聚物表面形成对应微阵列结构，结构稳定后通过紫外光照射使其固化成形，从而实现可变间距微结构的制备。
本发明采用的技术方案如下：
一、一种基于斜指换能器的可变间距微结构的制备装置，其特征在于：
装置包括铌酸锂晶片、叉指电极、玻璃液槽和UV固化灯，在铌酸锂晶片上表面的两侧光刻有一对叉指电极，在铌酸锂晶片上表面的中间布置有玻璃液槽，玻璃液槽中有液态光敏预聚物，UV固化灯置于玻璃液槽正下方，一对叉指电极对称布置在玻璃液槽的两侧；所述的叉指电极为斜指电极，斜指电极为由两个手指形电极交叉交错布置构成，手指形电极的每根电极指的指宽、相邻电极指之间的间隙统一均从一侧的手指形电极到另一侧的手指形电极由细到粗逐渐变化；斜指电极与铌酸锂晶片构成声表面波斜指换能器，信号发生器的输出通道与声表面波斜指换能器的两个斜指电极相连；通过信号发生器向两侧的两个斜指电极施加不同频率的激励信号时，在不同指宽所在位置产生不同波长的声表面波。
所述的玻璃液槽底面胶结于铌酸锂晶片中央。
所述的斜指电极包括上层100nm金和下层20nm钛，金和钛通过光刻和物理气相沉积的方法在铌酸锂晶片上形成。
所述的玻璃液槽为无底玻璃液槽，通过玻璃底面与铌酸锂晶片胶结，玻璃液槽的整体宽度大于等于声表面波斜指换能器的声孔径L。
本发明设计了特殊的斜指电极，并且通过斜指电极指宽与间距线性变化，施加不同频率的激励信号时，在不同指宽位置产生不同波长的声表面波。
二、一种基于斜指换能器的可变间距微结构的制备方法，方法包括以下各步骤：
(1)采用权利要求1-4任一所述的制备装置，将声表面波斜指换能器的斜指电极与信号发生器的输出通道相连，将液态光敏预聚物通过微量注射泵注入玻璃液槽内；
(2)根据所需制备的微阵列结构的形状设置信号发生器输出信号，信号发生器发出激励信号施加到两侧的斜指电极，在叠加的高频交变电场的作用下斜指电极不同指宽位置产生不同波长的声表面波，经铌酸锂晶片表面传播以瑞利角进入液态光敏预聚物内并产生稳定的驻波声场，在液态光敏预聚物表面形成所需的微阵列结构；
(3)待液态光敏预聚物表面形成的微阵列结构稳定后，采用UV固化灯对玻璃液槽区域进行照射，使微阵列结构的液态光敏预聚物固化成形，从而获得所需的微阵列结构的固体产品；
(4)计算获得最高频率fh＝c/(4*wh)和最低频率fl＝c/(4*wl)，c表示铌酸锂晶片中声表面波传播方向的声速，wh表示最小指宽，wl表示最大指宽；将最高频率fh和最低频率fl的激励信号分别对应到斜指电极指宽和间隙渐变的两端，最高频率fh和最低频率fl的激励信号之间的间隔频率变化和斜指电极指长线性对应，从中选择最高频率fh和最低频率fl之间任意频率范围的激励信号，进而线性对应控制斜指电极指宽和间隙最大处及指宽和间隙最小处之间对应区域范围产生声表面波，实现微阵列结构的成形。
信号发生器向两侧的斜指电极输出频率相同布置的激励信号，即一侧斜指电极的沿指宽和间隙最大处和指宽到间隙最小处之间的频率起始和变化与另一侧的相同。
具体实施中，斜指电极指宽和间隙最小的一端对应施加最高频率fh的激励信号，斜指电极指宽和间隙最大的一端对应施加最低频率fl的激励信号。
通过信号发生器向两侧的斜指电极输出振幅变化、具有相位差且相位差变化的激励信号，两侧激励信号产生的声表面波叠加到液态光敏预聚物，形成以玻璃液槽中心线对称或者不对称的峰谷高度变化/峰线谷线变化的可调变间距微阵列结构。
所述步骤(4)中，通过信号发生器向两侧的斜指电极输出振幅相等、无相位差的密集等差频率的激励信号，密集等差频率的两侧激励信号产生的声表面波叠加到液态光敏预聚物，形成以玻璃液槽中心线对称排布的沿指宽和间隙变化方向(即垂直于声表面波传播方向)的线性变间距微阵列结构，玻璃液槽中心线为两侧的斜指电极对称布置的中心线，微阵列结构具有峰结构和谷结构，沿声表面波传播方向，相邻两个峰结构或相邻两个谷结构之间的间距从指宽和间隙较小向指宽和间隙较大的方向由λ1＝c/2f1线性变化至λ2＝c/2f2，f1和f2分别表示信号发生器向两侧的斜指电极输出信号的频率范围的最高值和最低值，信号发生器向两侧的斜指电极的频率范围f1～f2处于最高频率fh和最低频率fl之间，微阵列结构固体产品的整体宽度为[(f1-f2)Lfhfl]/[(fh-fl)f1f2]。
所述步骤(4)中，通过信号发生器向两侧的斜指电极输出振幅统一连续线性变化、无相位差的密集等差频率的激励信号，密集等差频率的两侧激励信号产生的声表面波叠加到液态光敏预聚物，形成以玻璃液槽中心线对称排布的沿指宽和间隙变化方向(即垂直于声表面波传播方向)的峰谷高度变化的线性变间距微阵列结构，玻璃液槽中心线为两侧的斜指电极对称布置的中心线，微阵列结构具有峰结构和谷结构，沿声表面波传播方向，相邻两个峰结构或相邻两个谷结构之间的间距从指宽和间隙较小向指宽和间隙较大的方向由λ1＝c/2f1线性变化至λ2＝c/2f2，f1和f2分别表示信号发生器向两侧的斜指电极输出信号的频率范围的最高值和最低值，信号发生器向两侧的斜指电极的频率范围f1～f2处于最高频率fh和最低频率fl之间，微阵列结构固体产品的整体宽度为[(f1-f2)Lfhfl]/[(fh-fl)f1f2]。
所述步骤(4)中，通过信号发生器向两侧的斜指电极输出振幅统一连续线性变化、具有相位差且相位差分段线性连续变化的密集等差频率的激励信号，密集等差频率的两侧激励信号产生的声表面波叠加到液态光敏预聚物，形成沿指宽和间隙变化方向(即垂直于声表面波传播方向)的峰谷高度变化、相位差变化的可调控变间距微阵列结构，玻璃液槽中心线为两侧的斜指电极对称布置的中心线，微阵列结构具有峰结构和谷结构，沿声表面波传播方向，相邻两个峰结构或相邻两个谷结构之间的间距从指宽和间隙较小向指宽和间隙较大的方向由λ1＝c/2f1线性变化至λ2＝c/2f2，f1和f2分别表示信号发生器向两侧的斜指电极输出信号的频率范围的最高值和最低值，信号发生器向两侧的斜指电极的频率范围f1～f2处于最高频率fh和最低频率fl之间，微阵列结构固体产品的整体宽度为[(f1-f2)Lfhfl]/[(fh-fl)f1f2]。
本发明具有的有益效果是：
(1)本发明通过叠加信号引发的混合声表面波在液态光敏预聚物表面形成理想的微阵列结构，通过紫外光照射快速固化微阵列结构，这种方法适用于多种液态光敏材料的表面微阵列结构成形制造；
(2)改变叠加信号的频段、振幅、相位差等参数，可实现微阵列结构的调整，结构设计灵活；
(3)利用高频的声表面波使液态光敏材材料面形成理想的微阵列结构，成形速度快，紫外光固化成形后的光敏材料，固化速度快，整个生产过程周期短，生产效率高；
(4)本发明所用设备简单、操作简便，在铌酸锂晶片上光刻斜指电极，制造工艺成熟。
附图说明
图1是基于斜指换能器的可变间距微结构的制备装置示意图。
图2是本发明的斜指电极的俯视图。
图3是实施例叠加信号A的振幅、相位-频率关系图。
图4是实施例在叠加信号A下启动装置的示意图。
图5是实施例在叠加信号A下制备的微阵列结构的轮廓示意图。
图6是实施例叠加信号B的振幅、相位-频率关系图。
图7是实施例在叠加信号B下启动装置的示意图。
图8是实施例在叠加信号B下制备的微阵列结构的轮廓示意图。
图9是实施例叠加信号C的振幅、相位-频率关系图。
图10是实施例在叠加信号C下启动装置的示意图。
图11是实施例在叠加信号C下制备的微阵列结构的轮廓示意图。
图中：1、铌酸锂晶片，2、斜指电极，3、玻璃液槽，4、液态光敏预聚物，5、UV固化灯，6、混合声表面波，7、微阵列结构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明包括铌酸锂晶片1、叉指电极、玻璃液槽3和UV固化灯5，在铌酸锂晶片1上表面的两侧光刻有一对叉指电极，在铌酸锂晶片1上表面的中间布置有玻璃液槽3，玻璃液槽3中有液态光敏预聚物4，UV固化灯5置于玻璃液槽3正下方，一对叉指电极对称布置在玻璃液槽3的两侧。其中的叉指电极为斜指电极2，斜指电极2为由两个手指形电极交叉交错布置构成，手指形电极主要由多根电极指构成，手指形电极的每根电极指的指宽、相邻电极指之间的间隙统一均从一侧的手指形电极到另一侧的手指形电极由细到粗逐渐变化，即沿电极指的延伸方向指宽和间隙线性渐变，斜指电极2整体的电极指的指宽、相邻电极指之间的间隙也从一侧到另一侧统一由细到粗或者统一由粗到细渐变化，形成类似如图2所示的梯形渐变叉指电极结构。每根电极指的指宽尺寸和变化均相同，每条间隙也尺寸和变化均相同，指宽和间隙变化趋势也统一，沿铌酸锂晶片1表面传播方向上的各处指宽和间隙均相同。
具体实施中，如图2所示，斜指换能器的声孔径为L＝18mm，最小指宽为wh＝35μm，对应最高频率fh＝c/(4*wh)＝28.3MHz，最大指宽为wl＝70μm，对应最低频率fl＝c/(4*wl)＝14.1MHz，其中声表面波沿128°Y-X切的铌酸锂晶片的X方向传播，声速c＝3960m/s。
斜指电极2与铌酸锂晶片1构成声表面波斜指换能器，信号发生器的输出通道与声表面波斜指换能器的两个斜指电极2相连；信号发生器输出激励信号到两个斜指电极2发出声表面波，两侧的声表面波叠加形成混合声表面波6，声表面波经铌酸锂晶片表面传播到玻璃液槽3中的液态光敏预聚物4，使得液态光敏预聚物4形成微阵列结构7，通过UV固化灯5光照微阵列结构7固化，获得微阵列结构的产品。
通过信号发生器向两侧的两个斜指电极2施加不同频率的激励信号时，在不同指宽所在位置产生不同波长的声表面波。指宽乘以频率为波速，波速保持固定，指宽越大，频率越小，波长越大，从而调整指宽和设计各处的指宽调整声表面波的频率和波长。
斜指电极2包括上层100nm金和下层20nm钛，金和钛通过光刻和物理气相沉积的方法在铌酸锂晶片1上形成。
玻璃液槽3为无底玻璃液槽，通过玻璃底面与铌酸锂晶片1胶结，玻璃液槽3的整体宽度大于等于声表面波斜指换能器的声孔径L。
本发明的实施例及其具体实施过程如下：
实施例1
(1)制造基于斜指换能器的可变间距微结构的制备装置。在铌酸锂晶片1上旋涂一层正性光刻胶，烘烤晶片后采用斜指电级图案透光、其余部分镀有金属铬层的掩膜板进行曝光，洗去曝光的光刻胶，在晶片上获得与金属电极形状大小相同的无胶区域；采用物理气相沉积的方法在铌酸锂晶片上沉积一层厚度为20nm的金属钛，随后继续沉积一层100nm厚的金属金，最后用丙酮溶解掉残余的光刻胶及多余的金属薄膜。
无底的薄壁玻璃液槽3宽度为25mm，长度为20mm，通过胶体粘接于铌酸锂晶片上一对斜指电极的中间，最终装置结构如图1所示。
(2)液态光敏预聚物的基底为聚乙二醇二丙烯酸酯，光引发剂为Irgacure-2959，两者的质量比为199:1，将液态光敏预聚物通过微量注射泵注入玻璃液槽内，控制液层厚度为30～50μm。
(3)将声表面波换能器与信号发生器的输出通道相连，如图3所示，设置输出信号A为频率14.1MHz到18.9MHz的两侧振幅相等的密集等差频率叠加信号，且两个斜指换能器上所加同频激励信号无相位差。
频率14.1MHz到18.9MHz分别对应于斜指电极2上的宽和间隙较大处到宽和间隙较小处，具体位置起始和终止见如图4示意。
(4)如图4所示，启动信号发生器，在叠加的高频交变电场的作用下叉指换能器不同位置产生不同波长的混合声表面波6，并在铌酸锂晶片表面传播，以瑞利角进入液态光敏预聚物内并产生特定驻波声场，在液态光敏预聚物表面形成微阵列结构7。
(5)待液态光敏预聚物表面形成的微阵列结构7稳定后，采用UV固化灯5对玻璃液槽3进行照射，使具有表面微阵列结构的液态光敏预聚物固化成形，获得的微阵列结构的轮廓示意图如图5所示，其中实线为微阵列结构的峰结构，虚线为微阵列结构的谷结构。
实施例2
如图6、7所示，设置输出信号B为频率18.9MHz到28.3MHz的两侧振幅作相同线性变化的密集等差频率叠加信号，且两个斜指换能器上所加同频激励信号无相位差，启动信号发生器，待微阵列结构稳定后，使用UV固化灯5进行固化，获得的微阵列结构的轮廓示意图如图8所示。
频率18.9MHz到28.3MHz分别对应于斜指电极2上的宽和间隙较大处到宽和间隙较小处，具体位置起始和终止见如图7和图8示意。
实施例3
如图9、10所示，设置输出信号C为频率14.1MHz到28.3MHz的两侧振幅作相同线性变化的密集等差频率叠加信号，两个斜指换能器上所加同频激励信号相位差如图9所示，相位差分四个阶段做如图中折线的线性变化，启动信号发生器，待微阵列结构稳定后，使用UV固化灯5进行固化，获得的微阵列结构的轮廓示意图如图11所示。
频率14.1MHz到28.3MHz分别对应于斜指电极2上的宽和间隙较大处到宽和间隙较小处，具体位置起始和终止见如图10和图11示意。
本实例用了一对斜指换能器，可以对微阵列结构的宽度、间距进行调节，并对高度、阵列形状等进行局部调控，也可以布置多对斜指换能器，实现更高自由度的微阵列结构设计制造。
Claims (9)
1.一种基于斜指换能器的可变间距微结构的制备装置，包括铌酸锂晶片(1)、叉指电极、玻璃液槽(3)和UV固化灯(5)，在铌酸锂晶片(1)上表面的两侧光刻有一对叉指电极，在铌酸锂晶片(1)上表面的中间布置有玻璃液槽(3)，玻璃液槽(3)中有液态光敏预聚物(4)，UV固化灯(5)置于玻璃液槽(3)正下方，一对叉指电极对称布置在玻璃液槽(3)的两侧；其特征在于：所述的叉指电极为斜指电极(2)，斜指电极(2)为由两个手指形电极交叉交错布置构成，手指形电极的每根电极指的指宽、相邻电极指之间的间隙统一均从一侧的手指形电极到另一侧的手指形电极由细到粗逐渐变化；斜指电极(2)与铌酸锂晶片(1)构成声表面波斜指换能器，信号发生器的输出通道与声表面波斜指换能器的两个斜指电极(2)相连；通过信号发生器向两侧的两个斜指电极(2)施加不同频率的激励信号时，在不同指宽所在位置产生不同波长的声表面波。
2.根据权利要求1所述的一种基于斜指换能器的可变间距微结构的制备装置，其特征在于：所述的玻璃液槽(3)底面胶结于铌酸锂晶片(1)中央。
3.根据权利要求1所述的一种基于斜指换能器的可变间距微结构的制备装置，其特征在于：所述的斜指电极(2)包括上层100nm金和下层20nm钛，金和钛通过光刻和物理气相沉积的方法在铌酸锂晶片(1)上形成。
4.根据权利要求1所述的一种基于斜指换能器的可变间距微结构的制备装置，其特征在于：所述的玻璃液槽(3)为无底玻璃液槽，通过玻璃底面与铌酸锂晶片(1)胶结，玻璃液槽(3)的整体宽度大于等于声表面波斜指换能器的声孔径L。
5.一种基于斜指换能器的可变间距微结构的制备方法，其特征在于方法包括以下各步骤：
(1)采用权利要求1-4任一所述的制备装置，将声表面波斜指换能器的斜指电极(2)与信号发生器的输出通道相连，将液态光敏预聚物(4)通过微量注射泵注入玻璃液槽(3)内；
(2)根据所需制备的微阵列结构(7)的形状设置信号发生器输出信号，信号发生器发出激励信号施加到两侧的斜指电极(2)，在叠加的高频交变电场的作用下斜指电极(2)不同指宽位置产生不同波长的声表面波，经铌酸锂晶片(1)表面传播进入液态光敏预聚物(4)内并产生稳定的驻波声场，在液态光敏预聚物(4)表面形成所需的微阵列结构(7)；
(3)待液态光敏预聚物(4)表面形成的微阵列结构(7)稳定后，采用UV固化灯(5)对玻璃液槽(3)区域进行照射，使微阵列结构的液态光敏预聚物(4)固化成形，从而获得所需的微阵列结构的固体产品；
(4)计算获得最高频率fh＝c/(4*wh)和最低频率fl＝c/(4*wl)，c表示铌酸锂晶片(1)中声表面波传播方向的声速，wh表示最小指宽，wl表示最大指宽；将最高频率fh和最低频率fl的激励信号分别对应到斜指电极(2)指宽和间隙渐变的两端，从中选择最高频率fh和最低频率fl之间任意频率范围的激励信号，进而线性对应控制斜指电极(2)指宽和间隙最大处及指宽和间隙最小处之间对应区域范围产生声表面波，实现微阵列结构的成形。
6.根据权利要求5所述的一种基于斜指换能器的可变间距微结构的制备方法，其特征在于：通过信号发生器向两侧的斜指电极(2)输出振幅变化、具有相位差且相位差变化的激励信号，两侧激励信号产生的声表面波叠加到液态光敏预聚物(4)，形成以玻璃液槽(3)中心线对称或者不对称的峰谷高度变化/峰线谷线变化的可调变间距微阵列结构。
7.根据权利要求6所述的一种基于斜指换能器的可变间距微结构的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中，通过信号发生器向两侧的斜指电极(2)输出振幅相等、无相位差的密集等差频率的激励信号，密集等差频率的两侧激励信号产生的声表面波叠加到液态光敏预聚物(4)，形成以玻璃液槽(3)中心线对称排布的沿指宽和间隙变化方向的线性变间距微阵列结构(7)，微阵列结构具有峰结构和谷结构，沿声表面波传播方向，相邻两个峰结构或相邻两个谷结构之间的间距从指宽和间隙较小向指宽和间隙较大的方向由λ1＝c/2f1线性变化至λ2＝c/2f2，f1和f2分别表示信号发生器向两侧的斜指电极(2)输出信号的频率范围的最高值和最低值，信号发生器向两侧的斜指电极(2)的频率范围f1～f2处于最高频率fh和最低频率fl之间，微阵列结构固体产品的整体宽度为[(f1-f2)Lfhfl]/[(fh-fl)f1f2]。
8.根据权利要求6所述的一种基于斜指换能器的可变间距微结构的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中，通过信号发生器向两侧的斜指电极(2)输出振幅统一变化、无相位差的密集等差频率的激励信号，密集等差频率的两侧激励信号产生的声表面波叠加到液态光敏预聚物(4)，形成以玻璃液槽(3)中心线对称排布的沿指宽和间隙变化方向的峰谷高度变化的线性变间距微阵列结构(7)，微阵列结构具有峰结构和谷结构，沿声表面波传播方向，相邻两个峰结构或相邻两个谷结构之间的间距从指宽和间隙较小向指宽和间隙较大的方向由λ1＝c/2f1线性变化至λ2＝c/2f2，f1和f2分别表示信号发生器向两侧的斜指电极(2)输出信号的频率范围的最高值和最低值，信号发生器向两侧的斜指电极(2)的频率范围f1～f2处于最高频率fh和最低频率fl之间，微阵列结构固体产品的整体宽度为[(f1-f2)Lfhfl]/[(fh-fl)f1f2]。
9.根据权利要求6所述的一种基于斜指换能器的可变间距微结构的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中，通过信号发生器向两侧的斜指电极(2)输出振幅统一变化、具有相位差且相位差分段线性连续变化的密集等差频率的激励信号，密集等差频率的两侧激励信号产生的声表面波叠加到液态光敏预聚物(4)，形成沿指宽和间隙变化方向的峰谷高度变化、相位差变化的可调控变间距微阵列结构(7)，微阵列结构具有峰结构和谷结构，沿声表面波传播方向，相邻两个峰结构或相邻两个谷结构之间的间距从指宽和间隙较小向指宽和间隙较大的方向由λ1＝c/2f1线性变化至λ2＝c/2f2，f1和f2分别表示信号发生器向两侧的斜指电极(2)输出信号的频率范围的最高值和最低值，信号发生器向两侧的斜指电极(2)的频率范围f1～f2处于最高频率fh和最低频率fl之间，微阵列结构固体产品的整体宽度为[(f1-f2)Lfhfl]/[(fh-fl)f1f2]。
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