CN113411061A - 基于体声波谐振器寄生模式的三维微阵列成型装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于体声波谐振器寄生模式的三维微阵列无模成型装置及成型方法。在压电基板上制作对称形的体声波谐振器，体声波谐振器固定于夹具上，在夹具的正上方装有荧光显微镜，把液体可固化材料放置于体声波谐振器正上方，且直接与体声波谐振器接触，超高频体声波在固液界面处产生强大的体积力，推动液体产生圆形波纹的三维表面形貌，接下来通过荧光显微镜汞灯激发的紫外光使其固化成型。本发明成型的微阵列结构间距大小为2‑3um，相比于表面声波谐振器缩小了十倍左右的间距，图形化微阵列结构起伏的间隔和幅度都可以通过施加的功率和频率来调节，能通过单个器件快速制作出可调节的微阵列结构，制造效率高，制造时间短。
Description
技术领域
本发明涉及快速成形技术领域的一种微阵列结构成形装置和方法，尤其涉及一种基于特超声体声波辅助三维微阵列结构成形制造装置及方法。
背景技术
具有聚合物基底的微阵列结构和阵列被广泛应用于微流控芯片，微电极的制作和柔性传感等多个领域，微阵列结构和阵列的制作方法目前主要有光刻技术，3D打印技术，超精密微机械制造，纳米压印和超声驻波场辅助等技术。这些技术都存在的一定缺点，其中，光刻技术需要掩模版模具，工艺复杂繁琐，且生产效率不高。3D打印技术设备成本高，工时长，并且受限于材料，导致成本高却制造效率低。超精密微机械制造对设备要求较高，需要特殊的设备，成本高，费时。
纳米压印技术在工作过程中需要加热，材料的热膨胀导致了尺寸误差以及脱模的困难，并且接下来的刻蚀过程难以控制也是其的缺点之一。
基于超声驻波辅助制作微阵列结构的方式可以高效快速的实现微阵列结构的制作，并且在生产效率高，产生的微阵列结构可以调节。目前现有的超声驻波场辅助阵列式微阵列结构的成形方法中，一般是通过多个表面声波谐振器器件的相互配合，共同作用产生驻波场，配合紫外光固化产生微阵列结构。但是，驻波场激发的一维和二维微阵列结构相对简单，难以满足更为复杂的微阵列结构制造需要，特别是三维的微阵列结构。并且这些微阵列结构需要多个声表面波谐振器的共同配合，加工复杂。于此同时，由于声表面波插齿电极间距的加工限制，一般声表面波的谐振频率集中在百兆赫兹，所以形成微阵列的间距很难小于十微米。由于这些综上所述，现有技术中缺少了一种快速、简便、并且制造精度更高的三维微阵列结构成形区域的成型方法与装置。
发明内容
为解决现有微成型技术的缺陷和超声驻波场辅助的阵列式微阵列结构成形方法中存在的问题，本发明提出了一种基于体声波谐振器寄生模式的三维微阵列无模成型装置及成型方法，利用体声波谐振器寄生模式将液态材料向上推动以产生三维的微阵列结构并利用荧光显微镜紫外光照射来固化结构，对于圆形的体声波谐振器，能够产生高度从中心到两边依次递减的环状三维结构。图形化微阵列结构起伏的间隔和幅度都可以通过施加的功率和频率来调节。
本发明的技术方案是：
一、一种基于体声波寄生模式的三维微阵列无模成型装置：
装置包括体声波谐振器、液态材料、支撑夹具、信号发生器、信号放大器、中央控制器和荧光显微镜；体声波谐振器通过支撑夹具布置在荧光显微镜的显微镜底座上，液态材料置于体声波谐振器表面，中央控制器的信号输出端依次经信号发生器、信号放大器后和体声波谐振器电连接，同时荧光显微镜的目镜上布置有CCD摄像头，CCD摄像头和中央控制器连接。
所述的体声波谐振器为薄膜体声波谐振器或者固体装配型体声波谐振器。
所述的薄膜体声波谐振器包括底电极、压电层、顶电极和硅基底；硅基底中间设置空腔结构，空腔结构之上设置电极层，电极层横跨于空腔结构而布置于硅基底之上，电极层包括从下到上依次层叠布置的底电极、压电层和顶电极，底电极和顶电极分别连接到信号发生器，液态材料置于顶电极上。其中底电极、顶电极的构成为金属，包括但不限于铝、钼、金、铬、钛、铜等及其合金。压电层的构成材料为压电材料，包括但不限于氮化铝、锆钛酸铅、氧化锌等压电材料及其掺杂材料。空腔结构为牺牲工艺制造或由背面刻蚀技术加工而成。
所述的固体装配型体声波谐振器包括底电极、压电层、顶电极、硅基底和布拉格反射层，硅基底中间之上布置布拉格反射层，布拉格反射层上面从下到上依次层叠布置底电极、压电层、顶电极，底电极和顶电极分别连接到信号发生器，液态材料置于顶电极上。
其中底电极、顶电极的构成为金属，包括但不限于铝、钼、金、铬、钛、铜等及其合金。压电层的构成材料为压电材料，包括但不限于氮化铝、锆钛酸铅、氧化锌等压电材料及其掺杂材料。布拉格反射层频率与谐振器工作频率匹配，包括但不限于氮化铝/钼、氮化铝/二氧化硅、钼/二氧化硅等交替结构。
所述的荧光显微镜带有CCD摄像头，且光源为汞灯。
优选的，信号发生器与功率放大器的工作频率与体声波谐振器的工作频率相适配，信号发生器产生的频率准确性较高，功率放大器保证信号无失真等现象存在。
优选的，体声波谐振器的面积大小在10k左右，以获得最佳的阻抗匹配和器件工作效率。
优选的，所述的中央控制器采用电子计算机。
所述体声波谐振器为平面对称，用于增强寄生模式的产生。
所述的体声波谐振器产生不同频率的体声波来产生不同的寄生模式，进而使得液态材料产生不同的微阵列结构。
通过中央控制器控制信号发生器生成和寄生模式的谐振频率相同的工作频率的信号通过信号放大器放大施加激励到体声波谐振器向液态材料激发出体声波，使得液态材料产生带有三维波纹的微阵列结构。
同时通过中央控制器调整控制信号发生器生成与不同寄生模式的谐振频率相同的工作频率的信号通过信号放大器放大施加激励到体声波谐振器向液态材料激发出不同工作频率的体声波，进而调整液态材料所产生带有三维波纹的微阵列结构的形貌。
二、一种基于体声波寄生模式的三维微阵列无模成型方法：
1)通过网络分析仪测量出体声波谐振器的寄生模式的谐振频率；
2)把体声波谐振器的表面用等离子机进行亲水处理，使得体声波谐振器的表面黏附一层液态材料；
3)把体声波谐振器固定在水平平面的荧光显微镜的显微镜底座上面，将体声波谐振器依次经信号放大器和信号发生器后中央控制器相连接；
4)开启信号发生器，把信号发生器输出特超声射频电信号，特超声射频电信号的频率调节到与寄生模式的谐振频率相同，将特超声射频电信号通过信号放大器放大并且作用于特超声的体声波谐振器，体声波谐振器产生机械振动产生的兰姆波耦合进液态材料产生体积力推动，形成带有三维波纹的微阵列结构；
5)通过与中央控制器相连的荧光显微镜上的CCD摄像头观察液态材料的形变，同时在中央控制器上调整体声波谐振器的工作频率和工作电压以改变液态材料微阵列结构的形貌；
6)转换荧光显微镜的紫外滤光片，利用荧光显微镜的紫外光对液态材料进行固化。
本发明在压电基板上制作圆形、方形及各种对称形的体声波谐振器，体声波谐振器固定于夹具上，在夹具的正上方装有荧光显微镜，用于观察和固化微阵列结构。把液体可固化材料放置于体声波谐振器正上方，且直接与体声波谐振器接触，超高频体声波在固液界面处产生强大的体积力，推动液体产生圆形波纹的三维表面形貌，接下来通过荧光显微镜汞灯激发的紫外光使其固化成型。
本发明驱动的各类对称形体声波谐振器的谐振频率为2Ghz以上，产生的微阵列结构间距大小为2-3um，相比于表面声波谐振器，缩小了十倍左右的间距，而且对于圆形的体声波谐振器，能够产生高度从中心到两边依次递减的环状三维结构。图形化微阵列结构起伏的间隔和幅度都可以通过施加的功率和频率来调节。
本发明的有益效果：
(1)本发明能够本发明能通过单个器件快速制作出可调节的三维的环状微阵列结构以及其他形状的微阵列结构，并且能够通过荧光显微镜的紫外光进行快速的固化，可用于多种微阵列结构的制作，用途广泛。
(2)体声波谐振器的谐振频率为2Ghz以上，产生的微阵列结构间距大小为2-3um，相比于传统的表面声波谐振器，缩小了十倍左右的间距，而且能够通过单个器件制作出微阵列结构和三维的微阵列结构，能够制作复杂的结构，具有多种应用。
(3)图形化微阵列结构起伏的间隔和幅度都可以通过施加的功率和频率来调节，可以用单个器件制作多种微阵列结构，器件利用效率高。
本发明能通过单个器件快速制作出可调节的微阵列结构，制造效率高，制造时间短，不需要模具。
附图说明
图1为本发明体声波谐振器寄生模式的三维微阵列无模成型装置示意图；
图2为一种体声波谐振器结构示意图(刨面)；
图3为另一种体声波谐振器结构示意图(刨面)；
图4为体声波谐振器结构示意图(俯视)；
图5为实施例谐振频率为2.6GHz的体声波谐振器阻抗曲线图；
图6为体声波谐振器工作原理；(a)表示在主模状态下的谐振器工作情况，(b)表示在寄生模式下的谐振器工作情况；
图7为圆形体声波谐振器图案化工作实例图；
图8为方形体声波谐振器图案化工作实例图；
图9为本发明实施例的微阵列结构的图像采集图；
图10为图9中沿径向直线的形貌曲线图。
图1中：1为体声波谐振器、2为液态材料、3为支撑夹具、4为射频信号发生器、5为射频信号放大器、6为中央控制器，7为带有CCD摄像头以及光源为汞灯的荧光显微镜。
图2和图3中：40为薄膜体声波谐振器、41为固体装配型体声波谐振器。其中401为底电极、402为压电层、403为顶电极、404为硅基底、405为空腔结构。411为底电极、412为压电层、413为顶电极、414为硅基底、416为布拉格反射层。
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所示，装置包括体声波谐振器1、液态材料2、支撑夹具3、信号发生器5、信号放大器4、中央控制器6和用于观察的荧光显微镜7；体声波谐振器1通过支撑夹具3布置在荧光显微镜7的显微镜底座上，液态材料2置于体声波谐振器1表面，中央控制器6的信号输出端依次经信号发生器5、信号放大器4后和体声波谐振器1电连接，同时荧光显微镜7的目镜上布置有CCD摄像头，CCD摄像头和中央控制器6电连接。
体声波谐振器1为薄膜体声波谐振器40或者固体装配型体声波谐振器41。
如图2所示，薄膜体声波谐振器40包括底电极401、压电层402、顶电极403和硅基底404；硅基底404中间设置空腔结构405，空腔结构405之上设置电极层，电极层横跨于空腔结构405而布置于硅基底404之上，电极层包括从下到上依次层叠布置的底电极401、压电层402和顶电极403，底电极401和顶电极403分别连接到信号发生器5，液态材料2置于顶电极403上。
如图3所示，固体装配型体声波谐振器41包括底电极411、压电层412、顶电极413、硅基底414和布拉格反射层416，硅基底414中间之上布置布拉格反射层416，布拉格反射层416上面从下到上依次层叠布置底电极411、压电层412、顶电极413，底电极411和顶电极413分别连接到信号发生器5，液态材料2置于顶电极413上。布拉格反射层416与工作频率相适配，以获得更好的工作状态。
具体实施的荧光显微镜7带有CCD摄像头，且光源为汞灯。荧光显微镜7选择带有紫外汞灯的型号，以便在选取合适成型状态后快速固化。
体声波谐振器1发出体声波到液态材料2，将液态材料2向上推动以产生三维的液态环状波纹结构；开启体声波谐振器1的瞬间，谐振器的不同寄生模式会使液态材料2产生对应的微阵列结构，微阵列结构在荧光显微镜7下面能够清楚看到，被CCD摄像头采集，再利用荧光显微镜7的紫外光照射到微阵列结构实现固化。
体声波谐振器1为平面对称结构，用于增强寄生模式的产生，如图4所示，其具体形状包括但不限于：圆形、椭圆形、矩形、六边形以及他们的简单组合。
如图4所示，体声波谐振器1的工作区域的形状为中心对称形状或轴对称形状，包括但不限于圆形410、矩形420、六边形430、椭圆形440、梯形450以及上述形状其中两个的组合460。对称结构可以增强器件的寄生模式，从而驱动光敏液体产生特定形状的形变。
体声波谐振器1为圆形对称或者方形对称结构，分别形成环形波峰波谷的微阵列结构形貌和点状波峰波谷的微阵列结构形貌。
体声波谐振器1产生不同频率的体声波来控制不同的谐振峰产生不同的寄生模式，进而使得液态材料2产生不同的微阵列结构。
具体工作机制如图6所示，在主模式的谐振频率激励下，体声波谐振器1产生体声波的波长与自身中的压电层402/412厚度相同，此时谐振状态表现为压电层整体运动，进而压电层带动上下电极层整体上下运动，如图6(a)所示而液态材料2表面上各处位置的运动保持一致，不能产生微阵列结构。
在寄生模式的谐振频率激励下，体声波谐振器1所产生的声波波长与薄自身中的压电层402/412厚度不同，导致谐振的声波传播路径偏移，在体声波谐振器1的压电层402/412上表面形成随空间位置变化的振幅强度，如图6(b)所示，进而使得液态材料2表面上能够形成微阵列结构。
体声波谐振器通常应用于射频领域作为谐振器或者滤波器，体声波谐振器中存在寄生模式，寄生模式会耗散器件的性能，因此过去的体声波谐振器通常被设计成非对称结构，如五边形来抑制寄生模式的产生。在这种情况下器件的振动不能形成有规律的图案。
因此，本发明创新性地却利用了体声波器件的寄生模式进行三维微成型，采取了对称形状的体声波器件，使得体声波器件的寄生模式增强，从而利用寄生模式使得器件形成能随频率变化的振动模式从而形成有规律的图案并利用这一效应制作三维微阵列结构。
本发明创新性地发现了体声波器件的寄生模式相比主模式却能够三维微成型，因此通过中央控制器6控制信号发生器5生成和寄生模式的谐振频率相同的工作频率的信号通过信号放大器4放大施加激励到体声波谐振器1向液态材料2激发出体声波，使得液态材料2产生带有三维波纹的微阵列结构。
本发明创新性地发现了体声波器件的寄生模式不仅仅具有一种三维微成型方式，因此同时通过中央控制器6调整控制信号发生器5生成与不同寄生模式的谐振频率相同的工作频率的信号通过信号放大器4放大施加激励到体声波谐振器1向液态材料2激发出不同工作频率的体声波，进而调整液态材料2所产生带有三维波纹的微阵列结构的形貌。
所描述的主模式和寄生模式如图5所示，多处A处为寄生模式的谐振频率，器件在B处时阻抗最低为主模式的串联谐振频率，C处为主模式的并联谐振频率，寄生模式的谐振频率A分布在主模式的谐振频率B、C附近，体现为电学性能随频率发生变化。图5的A处有五个，即具有五种带有三维波纹的微阵列结构的成型控制方式。
本发明具体实施工作过程包括：
1)通过网络分析仪测量出体声波谐振器1的寄生模式的谐振频率；
2)把体声波谐振器1的表面用等离子机进行亲水处理，使得体声波谐振器1的表面黏附一层薄薄的液态材料2；
3)把体声波谐振器1通过固定装置固定在水平平面的荧光显微镜7的显微镜底座上面，将体声波谐振器1依次经信号放大器4和信号发生器5后中央控制器6相连接；
4)开启信号发生器5，把信号发生器5输出特超声射频电信号，特超声射频电信号的频率调节到与寄生模式的谐振频率相同，将特超声射频电信号通过信号放大器4放大并且作用于特超声的体声波谐振器1，体声波谐振器1产生机械振动产生的兰姆波耦合进液态材料2产生体积力推动，形成带有三维波纹的微阵列结构；
5)通过与中央控制器6相连的荧光显微镜7上的CCD摄像头观察液态材料2的形变，同时在中央控制器6上调整体声波谐振器1的工作频率和工作电压以改变液态材料2微阵列结构的形貌；
6)转换荧光显微镜7的紫外滤光片，利用荧光显微镜7的紫外光对液态材料2进行固化。
调整体声波谐振器1的工作频率是指调整为体声波谐振器1的不同寄生模式的谐振频率，能调节微阵列结构的在水平平面上重复结构的周期间距。周期间距是指沿水平面方向上一个波峰和一个波谷的总长度。
调整体声波谐振器1的工作电压是指调整为体声波谐振器1发出体声波的信号强度，能调节微阵列结构的垂直于水平平面的高度。
如图5、图6所示，通过网络分析仪测出器件的阻抗频率曲线，能够得到A为寄生模式的谐振频率点，B为主模式的串联谐振频率点和C为主模式的并联谐振频率点。用来制作微阵列结构的频率即为A寄生模式的谐振频率点。调整信号发生器的频率于寄生模式的谐振频率点即可产生微阵列结构。
在压电层两侧的电极上施加交流电压，在主模式处体现为器件的整体振动的谐振，对于对称的结构，声波会在压电层内部形成特定的反射，导致在其他频率也可以产生谐振称为寄生模式谐振。利用这一特点可以在对称结构的体声波谐振器产生周期性的振动分布。根据频率的不同，周期分布的间距也会不同。
进一步的，这些周期性的振动分布会推动器件上方的光敏液体的液态材料2，由于声波和液体表面张力的共同作用导致光敏液体的液态材料2也发生对应的形变。
如图7，圆形器件表面可以产生三维环形的光敏图案，产生从中心向外以波峰环和波谷环依次交替布置的微阵列结构形貌，整体高度会从中心至两边逐渐下降。
同时调整工作频率，形成光敏图案的间隔周期也会发生改变。分别采用两种不同的寄生模式的频率，就可以得到不同周期间距大小的环状结构，411和412分别是两种不同频率下圆形体声波谐振器寄生模式产生的微阵列结构。411的频率高于412的频率，工作频率越高，波峰和波谷之间的周期间距越宽，即圆环数越少。
如图8，方形器件表面可以产生网格状的光敏图案，产生以波峰方格和波谷方格依次相邻交替布置的微阵列结构形貌，即波峰方格周围四边的方格均为波谷方格。
同时调整工作频率，形成光敏图案的周期间距也会发生改变。421和422分别是两种不同频率下正方形体声波谐振器寄生模式产生的微阵列结构。421的频率高于422的频率，工作频率越高，波峰和波谷之间的周期间距越宽，即方格数越少。
如图9和图10，固化后的结构，通过AFM测量表面结构，固化之后的微阵列结构是一个三维的图形，形成了一环一环的形状，整个器件为圆形器件，直径为100um，每个圆环的宽度大于为2um均匀排布。
图10中，横坐标是液态材料2表面在径向方向的坐标位置，纵坐标是液态材料2表面在高度方向的坐标位置。于此同时，中心圆环的高度最高，大约为250nm，从中心圆环的高度向两边的圆环高度依次递减，最外层圆环的高度大约为30nm。形成了一个梯度的三维圆环结构。
Claims (10)
1.一种基于体声波寄生模式的三维微阵列无模成型装置，其特征在于：包括体声波谐振器(1)、液态材料(2)、支撑夹具(3)、信号发生器(5)、信号放大器(4)、中央控制器(6)和荧光显微镜(7)；体声波谐振器(1)通过支撑夹具(3)布置在荧光显微镜(7)的显微镜底座上，液态材料(2)置于体声波谐振器(1)表面，中央控制器(6)的信号输出端依次经信号发生器(5)、信号放大器(4)后和体声波谐振器(1)电连接，同时荧光显微镜(7)的目镜上布置有CCD摄像头，CCD摄像头和中央控制器(6)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于体声波寄生模式的三维微阵列无模成型装置，其特征在于：所述的体声波谐振器(1)为薄膜体声波谐振器(40)或者固体装配型体声波谐振器(41)。
3.根据权利要求2所述的一种基于体声波寄生模式的三维微阵列无模成型装置，其特征在于：所述的薄膜体声波谐振器(40)包括底电极(401)、压电层(402)、顶电极(403)和硅基底(404)；硅基底(404)中间设置空腔结构(405)，空腔结构(405)之上设置电极层，电极层横跨于空腔结构(405)而布置于硅基底(404)之上，电极层包括从下到上依次层叠布置的底电极(401)、压电层(402)和顶电极(403)，底电极(401)和顶电极(403)分别连接到信号发生器(5)，液态材料(2)置于顶电极(403)上。
4.根据权利要求2所述的一种基于体声波寄生模式的三维微阵列无模成型装置，其特征在于：所述的固体装配型体声波谐振器(41)包括底电极(411)、压电层(412)、顶电极(413)、硅基底(414)和布拉格反射层(416)，硅基底(414)中间之上布置布拉格反射层(416)，布拉格反射层(416)上面从下到上依次层叠布置底电极(411)、压电层(412)、顶电极(413)，底电极(411)和顶电极(413)分别连接到信号发生器(5)，液态材料(2)置于顶电极(413)上。
5.根据权利要求1所述的一种基于体声波寄生模式的三维微阵列无模成型装置，其特征在于：所述的荧光显微镜(7)带有CCD摄像头，且光源为汞灯。
6.根据权利要求1所述的一种基于体声波寄生模式的三维微阵列无模成型装置，其特征在于：所述体声波谐振器(1)为平面对称，用于增强寄生模式的产生。
7.根据权利要求1所述的一种基于体声波寄生模式的三维微阵列无模成型装置，其特征在于：所述的体声波谐振器(1)产生不同频率的体声波来产生不同的寄生模式，进而使得液态材料(2)产生不同的微阵列结构。
8.根据权利要求1所述的一种基于体声波寄生模式的三维微阵列无模成型装置，其特征在于：通过中央控制器(6)控制信号发生器(5)生成和寄生模式的谐振频率相同的工作频率的信号通过信号放大器(4)放大施加激励到体声波谐振器(1)向液态材料(2)激发出体声波，使得液态材料(2)产生带有三维波纹的微阵列结构。
9.根据权利要求1所述的一种基于体声波寄生模式的三维微阵列无模成型装置，其特征在于：同时通过中央控制器(6)调整控制信号发生器(5)生成与不同寄生模式的谐振频率相同的工作频率的信号通过信号放大器(4)放大施加激励到体声波谐振器(1)向液态材料(2)激发出不同工作频率的体声波，进而调整液态材料(2)所产生带有三维波纹的微阵列结构的形貌。
10.应用于权利要求1-9任一所述三维微阵列无模成型装置的一种基于体声波寄生模式的三维微阵列无模成型方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)通过网络分析仪测量出体声波谐振器(1)的寄生模式的谐振频率；
2)把体声波谐振器(1)的表面用等离子机进行亲水处理，使得体声波谐振器(1)的表面黏附一层液态材料(2)；
3)把体声波谐振器(1)固定在水平平面的荧光显微镜(7)的显微镜底座上面，将体声波谐振器(1)依次经信号放大器(4)和信号发生器(5)后中央控制器(6)相连接；
4)开启信号发生器(5)，把信号发生器(5)输出特超声射频电信号，特超声射频电信号的频率调节到与寄生模式的谐振频率相同，将特超声射频电信号通过信号放大器(4)放大并且作用于特超声的体声波谐振器(1)，体声波谐振器(1)产生机械振动产生的兰姆波耦合进液态材料(2)产生体积力推动，形成带有三维波纹的微阵列结构；
5)通过与中央控制器(6)相连的荧光显微镜(7)上的CCD摄像头观察液态材料(2)的形变，同时在中央控制器(6)上调整体声波谐振器(1)的工作频率和工作电压以改变液态材料(2)微阵列结构的形貌；
6)转换荧光显微镜(7)的紫外滤光片，利用荧光显微镜(7)的紫外光对液态材料(2)进行固化。
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