CN114905855A - 一种微圆周曲面共形敏感结构及其制备方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于微结构制备领域，并具体公开了一种微圆周曲面共形敏感结构及其制备方法和装置，其如下步骤：S1、在微圆周曲面上制备一层疏水层，然后对微圆周表面进行图案化照射，得到可限制液滴滑移的图案化亲水区域，使待沉积区域亲水，非沉积区域疏水；S2、采用电流体喷印工艺在微圆周表面喷印液滴，液滴沉积到图案化亲水区域内；S3、对图案化亲水区域内沉积的液滴立即进行加热处理，使液滴中的溶剂蒸发，完成微圆周曲面共形敏感结构制备。本发明整合了精准定位限域加工位置、高精度高分辨率电喷印和快速烧结固化后处理的技术，实现在微圆周等高曲率表面上对传感器等共形敏感结构的制备。

Description

一种微圆周曲面共形敏感结构及其制备方法和装置

技术领域

本发明属于微结构制备领域，更具体地，涉及一种微圆周曲面共形敏感结构及其制备方法和装置。

背景技术

在微圆周面上加工微结构作为微纳结构加工的新兴领域，在医疗手术机器人和飞行器结构监测等领域均具有广泛应用。例如，微圆周表面集成阵列传感器赋予植入式手术机器人自感知能力，能精确掌握病人生理环境条件(如温度、压力、硬度等信息)；光纤传感器有远距离信号传输的优势，但其所测温度/应变信号难以解耦，在光纤表面制造传感器来解耦，可以在飞行器机翼变形、结构健康监测中带来颠覆式应用。

但是传统的微纳结构加工技术例如丝网印刷技术、转印技术、光刻技术和放电加工技术等，重点在于平面基底上的加工，在曲面上、尤其是微圆周曲面上加工时，往往因为加工面太小，局部曲率过大等问题，难以实现高精度、复杂图案的加工。例如用光刻图案化-曲面转印方法制造精度不够，且异质材料集成难，而热压印工艺实现光纤传感阵列的集成加工复杂、功能单一，均无法实现在微圆周面上微纳复杂结构的加工。

鉴于上述传统制造工艺所存在的问题，近年来一些新的更为有效的曲面微纳加工工艺不断被研发出来。其中，等离子刻蚀技术作为一种成本低廉、环境要求低、加工速度快的工艺技术，被广泛应用于碳基材料的刻蚀加工。中国专利201710326311.0中公开了一种微等离子体刻蚀加工的装置与方法，结合了直写式和掩膜式加工方式，能在平面柔性衬底上实现不同面积大小的等离子体刻蚀加工，但没有解决曲率较大的微圆周曲面的加工问题。中国专利201410840455.4中公开了一种用位图叠加制备二次微曲面结构的方法，实现了等离子体刻蚀在曲面的加工，但仍然没有克服等离子体刻蚀工艺只能进行减材制造的局限性。

随着增材制造方面的需求增加，电流体喷印技术依托可实现亚微米分辨率、可打印高粘度液体等独特优势，逐渐成为了一种高分辨率、高精度的新型关键制造技术。在中国专利201710252260.1中公开了一种联合应用电流体喷印技术进行增材加工，等离子体刻蚀技术进行减材加工的一体化喷印装置，并能使用等离子体对电喷印材料进行实时表面改性、电喷印沉积材料的烧结固化或同步进行增减材加工以实现复杂图案及多层结构的快速成型，但是等离子刻蚀主要是依靠活性粒子与被刻蚀材料(即被加工介质)进行反应，形成挥发性反应物而被去除实现加工，对介质的表面性质造成了较大影响；这一装置在微圆周曲面的加工中，也会因为加工表面曲率过大，难以将电喷印的液滴准确沉积到所需位置；另外，因为对材料进行表面改性和烧结固化均是使用等离子体喷头，难以在对材料进行实时表面改性的同时对电喷印液滴进行快速烧结固化。中国专利202011341350.6中公开了一种等离子微束同轴电极化诱导电喷打印的装置和方法，利用等离子体的感生强电场聚焦电喷射流飞行通道的空间电场，并用等离子体气流的流场复合约束射流鞭动和减小非均匀电场导致的曲面沉积时滑移，可以实现射流高精度高分辨率精准曲面共形定位沉积，但因为没有快速烧结固化环节，射流液滴也比较难保证在大曲率微圆周的疏水曲面保持不滑移状态。

综上所述，现有的技术或是不能实现微圆周表面的精准限域以确保复杂图案加工的精度，或是仅能依靠微等离子体刻蚀实现有限材料的减材制造，或是没有整合快速烧结固化保证加工质量和方便后续处理。因此，需要一种能整合精准定位限域加工位置、高精度高分辨率电喷印和快速烧结固化后处理的技术，实现在微圆周等高曲率表面上传感器等共形敏感结构的制备。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种微圆周曲面共形敏感结构及其制备方法和装置，其目的在于，实现在微圆周等高曲率表面上对共形敏感结构的制备，并提高制备精度。

为实现上述目的，按照本发明第一方面，提出了一种微圆周曲面共形敏感结构的制备方法，包括如下步骤：

S1、在微圆周曲面上制备一层疏水层，然后对微圆周表面进行图案化照射，得到可限制液滴滑移的图案化亲水区域；

S2、采用电流体喷印工艺在微圆周表面喷印液滴，液滴沉积到图案化亲水区域内；

S3、对图案化亲水区域内沉积的液滴立即进行加热处理，使液滴中的溶剂蒸发，完成微圆周曲面共形敏感结构制备。

作为进一步优选的，通过大气等离子体对微圆周进行图案化照射，在得到图案化亲水区域的同时，使亲水区域沉积有携带电荷的活性分子。

作为进一步优选的，在等离子体射流外层引入鞘气进行辅助。

作为进一步优选的，等离子体射流由高压脉冲击穿氦气产生，高压脉冲电压为3kV～7kV，等离子体喷嘴直径不大于5mm。

作为进一步优选的，通过激光烧结、经透镜聚光的红外烧结或者氙灯光子烧结对液滴进行加热。

作为进一步优选的，采用特氟龙、派瑞林c型或三氯十八烷基硅烷材料，通过物理气相沉积或化学气相沉积在微圆周曲面上沉积疏水层。

按照本发明的第二方面，提供了一种微圆周曲面共形敏感结构，其采用上述制备方法制备而成。

按照本发明的第三方面，提供了一种微圆周曲面共形敏感结构的制备装置，包括一体化安装的界面改性喷头、电喷印喷头和加热后处理喷头，且界面改性喷头、电喷印喷头和加热后处理喷头聚焦对准在微圆周表面的同一空间位点；

所述界面改性喷头用于对微圆周表面进行图案化照射，得到可限制液滴滑移的图案化亲水区域；所述电喷印喷头用于在微圆周表面喷印液滴，使液滴沉积到图案化亲水区域内；所述加热后处理喷头用于对图案化亲水区域内沉积的液滴立即进行加热处理。

作为进一步优选的，还包括直驱电机和中心架，微圆周结构一端固定在所述直驱电机上，另一端架在所述中心架上；所述中心架上安装有张力传感器，用于保证微圆周结构保持合适的张力。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、本发明提出面向微圆周共形喷印的电流体喷印制造新方法，利用亲疏水图案化对微液滴冲击滑移误差的调控机制，实现复杂曲面上高可控性电流体共形喷印，进而形成“图案化限域-电流体喷印-热处理”的成套标准化工艺，可实现跨尺度高精密微圆周结构的制备，特别适合制备以胃镜、手术机器人、光纤等微圆周类传感器为代表的，长径比大的、高曲率半径的曲面共形敏感结构。

2、本发明提出了微圆周表面微墨滴定域定向输运与对准沉积控制技术，利用图案化界面改性工艺调整微圆周局域表面能，精确控制微圆周上墨滴沉积、融合等过程，消除了功能液滴在微圆周等曲面沉积过程产生滑移并影响敏感异质结构制造的一致性的问题，能够支撑高曲率曲面基板上传感器的高精度喷印制造。

3、本发明通过微等离子体对表界面进行定域电荷沉积和润湿性调控以锚固液滴。具体的，大气压低温等离子体射流在开放空间中产生，由于其气体温度低、化学活性强、无污染等独特的技术优势，采用大气低温等离子体技术进行表面改性，同时会使大量携带电荷的活性分子沉积在亲水区域表面，这部分电荷可以为后续电流体喷印液滴实现牵引的效果，实现功能墨液的高精度自对准沉积。

4、对大气等离子体射流引入外层鞘气辅助，使得等离子射流具有聚焦输运效果，实现精准固定角度撞击微圆周表面。此外，通过控制等离子体喷嘴小口径，并调控电压参数，实现等离子体射流束径约束同时保持高喷射长度，以适应微圆周尺寸小、曲率大的特性。

5、本发明设计了界面改性-电流体喷印-加热后处理一体化的集成多功能喷头，将三个功能的喷头整合到一起作为整体移动，且三个功能模块聚焦对准微圆周表面的同一空间位点；采用空间高频准同步的方式，先后采用表面改性、电流体喷印、加热后处理对微圆周表面同一位点完成功能结构生成的全部过程。从而保证在对微圆周表面进行精细加工时，不同喷头能时刻对准同一位置，提高加工图案的分辨率，减少因为各喷头间相互位置的误差或喷头独立移动时造成的误差对最终加工图案精度的影响。

6、设计了基于张力保持的细长轴微圆周曲面加工刚度增强装置，提高了加工时结构自身刚度，提高了微圆周曲面上喷印功能结构的定位和重复定位精度，解决了弱刚度微圆周纤维状曲面上加工传感器结构困难的问题，满足微圆周微结构的高精度高分辨率图案化喷印的需求。

7、针对异质敏感结构的功能生成和性能增强难题，采用多工艺复合方法以提高墨液功能。采用光/电/力/热等外场对喷印沉积结构形位和性能进行调控建立“等离子体限域-电流体喷印-红外激光退火”的异质微结构制造的成套标准化工艺，实现多场复合电流体喷印形性构筑，突破薄膜类/微圆周类敏感异质单元复合与功能高效生成的制造瓶颈。

附图说明

图1为本发明实施例微圆周曲面共形敏感结构的制备装置结构示意图；

图2为本发明实施例微圆周曲面共形敏感制备方法流程图；

图3为本发明实施例微圆周曲面共形敏感结构的制备装置模型图。

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：，1-待加工材料，2-加工图案，3-界面改性喷头，4-电喷印喷头，5-加热后处理喷头，6-直驱电机，7-张力传感器，8-中心架。

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。

本发明实施例提供的一种微圆周曲面共形敏感结构的制备装置，如图1和图3所示，包括相对位置固定且一体化安装的界面改性喷头3、电喷印喷头4和加热后处理喷头5，形成界面改性-电流体喷印-加热后处理一体化集成多功能喷头，界面改性喷头3、电喷印喷头4和加热后处理喷头5聚焦对准在微圆周表面的同一空间位点。满足大规模微圆周表面喷印需要，可对多功能一体化喷头进行阵列化设计和布置。

此外，针对弱刚度的微圆周体表面的高精度高分辨率喷印，制备装置还包括高精度回转装置和张力张紧装置，通过其配合保证其微圆周可以满足高精度打印的同轴度和旋转精度需求。

进一步的，选用高精度大气等离子体喷头为微圆周界面提供亲疏水图案化的界面改性的工艺窗口；选用激光、近红外线加热模块为沉积在微圆周表面的功能墨液进行加热退火，固化成型。

进一步的，待加工材料1(即微圆周体)一端固定在高精度的直驱电机6上，另一端架在中心架8上，通过中心架8上的张力传感器7保证微圆周体保持在合适的张力区间，直驱电机6上配备有高精度编码器。

本发明实施例提供的一种微圆周曲面共形敏感结构的制备方法，如图2所示，包括如下步骤：

S1、制备待打印材料，将待打印材料固定到工作区域。

具体的，待打印材料可以是纤维状或光纤状等细长轴形微圆周体，对待打印表面做清洁等预处理，保证其表面光滑洁净，满足功能界面要求。

S2、针对微圆周曲面打印的结构进行多层切片划分，逐层将喷印的图案提取出，进行喷印路径规划设计，并将喷印路径导入到打印设备中，对打印装置进行校正和前处理。

具体的，可采用UG等成熟商用软件对喷印结构进行数字化建模，建模后采用增材制造切片软件工具，对其进行切片设计提取，得到逐层分布的图案后，采用最优喷印路线进行规划微圆周纤维的转动和喷印头的平行移动，实现一体化喷印头与微圆周曲面的相对位移运动。

S3、通过表面改性的方式对微圆周光滑曲面进行亲疏水图案化处理，使功能结构喷印区域为极度亲水，而不需要沉积位置区域极度疏水，同时为后续电流体喷印步骤提供锚固点，满足微液滴曲面沉积滑移的约束条件。

进一步的，采用特氟龙、派瑞林c型或三氯十八烷基硅烷等材料，利用物理气相沉积或化学气相沉积的工艺方法在微圆周光滑曲面上沉积一层疏水层，然后采用等离子体或者UV灯光对微圆周表面进行图案化照射，实现界面局域亲水变化，得到一个可以限制液滴滑移的图案化的亲水区域。

更进一步的，采用大气等离子体技术进行表面改性，同时大量携带电荷的活性分子被沉积在了亲水区域表面，这部分电荷可以为后续电流体喷印液滴实现牵引的效果，实现功能墨液的高精度自对准沉积。优选的，等离子体射流由高压脉冲击穿氦气产生，高压脉冲电压为3kV～7kV，频率为1kHz级，脉宽为1μs级，上升下降沿为10ns级。

S4、控制纤维状微圆周表面亲水区域与电流体喷印头的相对位置，采用电流体喷印工艺在纤维状微圆周表面喷印精细尺寸的液滴，形成高分辨率功能结构。

进一步的，采用玻璃拉制的微米级口径的高分辨率喷头和方波交流的电压波形，产生更高细小尺寸的液滴，满足微圆周表面图案化分辨率要求。

进一步的，在对局部打印区域进行亲水和电荷沉积的界面改性后，借助亲水区域的锚固作用，结合高精度运动旋转平台，按照规划的喷印路径，控制喷头与微圆周的相对移动，实现电流体按需喷印和液滴的高精度限域沉积，满足微圆周微结构的高精度高分辨率图案化喷印。

S5、电流体喷印的液滴沉积到待打印区域后，随即使用加热后处理工艺对图案化亲水区域内沉积的墨液进行加热处理，利用局部高密度热量蒸发墨液中的溶剂，生成墨液功能，从而在微圆周表面得到加工图案2，实现电流体限域喷印图案结构的功能一步生成。

具体的，用于加热后处理的工艺，可以选择高能量密度的激光烧结和经透镜聚光的红外烧结或者氙灯光子烧结，也可以采用其他方式得到高热能实现烧结固化。优选的，采用激光烧结，其具有瞬时功率高，光斑面积小，可速度局部加热的特点，从而实现高分辨图案的选择性率烧结。

制备过程中，电流体喷印的节奏与表面改性图案化的节奏保持一致，利用界面改性-电流体喷印-加热后处理一体化集成多功能喷头，采用空间高频准同步的方式，先后采用表面改性、电流体喷印、加热后处理对微圆周表面同一位点完成功能结构生成的全部过程。本发明通过设计液滴稳定飞行-沉积-退火的“等离子体-电流体-激光”加工头模组，形成微圆周表面异质结构高精度喷印制造成套标准化工艺，实现高曲率表面传感器标准化喷印制造。

以下为具体实施例：

制备微圆周曲面共形敏感结构，包括如下步骤：

1)选取、预处理待打印材料光纤。选取直径125μm，长度2mm的光纤作为待打印材料，并对其进行超声清洗，超声功率尽量小，这里选择70w功率，用去离子水超声10min去除表面杂质后，放置在70°的烘箱中干燥10min。优选用物理气相沉积的工艺方法使特氟龙在光纤光滑曲面上沉积一层疏水层。

2)光纤定位到打印区域。将光纤的一端固定到高精度直驱电机(MH11-24GR)上，该电机配24位高精度编码器，可以将绝对旋转精度控制在±3-5″。将光纤的另一端架在中心架上，确保同轴度和回转精度。中心架上设置张力传感器，通过实时监测调整中心架的水平位置，保证光纤绷紧并保持在合适的张力区间，避免影响后续加工步骤。

3)用UG软件对喷印结构进行数字化建模，采用增材制造切片工具进行切片设计提取，得到逐层分布图案，规划喷印的最优路线，并确定该路线对应的电机转动和喷印头的移动。

4)对等离子体改性-电流体喷印-激光加热退火一体化集成喷头校正，使三个功能对应的喷头均对准光纤上的同一空间位点，微调一体化集成喷头的位置使其到达规划路线中的喷印头起点位置。

5)从等离子体喷头喷射等离子体射流对光纤表面进行图案化处理，等离子体射流由高压脉冲击穿氦气产生，高压脉冲电压为5kV，频率为2kHz，脉宽为1μs，上升下降沿为20ns，等离子体使光纤上的疏水层局部变化为亲水区域，实现表面改性；同时大量携带电荷的活性分子被沉积在了亲水区域表面，这部分电荷可以为后续电流体喷印液滴实现吸引的效果，实现功能墨液的高精度自对准沉积。

6)使用高分辨率电喷印喷头配合脉冲电压，在对局部打印区域进行亲水和电荷沉积的界面改性后，借助亲水区域的锚固作用，按照规划的最优喷印路径，配合一体化喷头的平移与高精度电机的旋转，实现电喷头与光纤的精确移动，实现高精度高分辨率图案化喷印。

7)电流体喷印的液滴沉积到待打印区域后，使用高能量密度的激光烧结固化液滴。使等离子体改性-电流体喷印-激光烧结的节奏保持一致，一次性实现光纤表面位点的功能结构生成过程。

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 (9)

1.一种微圆周曲面共形敏感结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在微圆周曲面上制备一层疏水层，然后对微圆周表面进行图案化照射，得到可限制液滴滑移的图案化亲水区域；

S2、采用电流体喷印工艺在微圆周表面喷印液滴，液滴沉积到图案化亲水区域内；

S3、对图案化亲水区域内沉积的液滴立即进行加热处理，使液滴中的溶剂蒸发，完成微圆周曲面共形敏感结构制备。

2.如权利要求1所述的微圆周曲面共形敏感结构的制备方法，其特征在于，通过大气等离子体对微圆周进行图案化照射，在得到图案化亲水区域的同时，使亲水区域沉积有携带电荷的活性分子。

3.如权利要求2所述的微圆周曲面共形敏感结构的制备方法，其特征在于，在等离子体射流外层引入鞘气进行辅助。

4.如权利要求2所述的微圆周曲面共形敏感结构的制备方法，其特征在于，等离子体射流由高压脉冲击穿氦气产生，高压脉冲电压为3kV～7kV，等离子体喷嘴直径不大于5mm。

5.如权利要求1所述的微圆周曲面共形敏感结构的制备方法，其特征在于，通过激光烧结、经透镜聚光的红外烧结或者氙灯光子烧结对液滴进行加热。

6.如权利要求1-5任一项所述的微圆周曲面共形敏感结构的制备方法，其特征在于，采用特氟龙、派瑞林c型或三氯十八烷基硅烷材料，通过物理气相沉积或化学气相沉积在微圆周曲面上沉积疏水层。

7.一种微圆周曲面共形敏感结构，采用如权利要求1-6任一项所述的制备方法制备而成。

8.一种微圆周曲面共形敏感结构的制备装置，其特征在于，包括一体化安装的界面改性喷头、电喷印喷头和加热后处理喷头，且界面改性喷头、电喷印喷头和加热后处理喷头聚焦对准在微圆周表面的同一空间位点；

所述界面改性喷头用于对微圆周表面进行图案化照射，得到可限制液滴滑移的图案化亲水区域；所述电喷印喷头用于在微圆周表面喷印液滴，使液滴沉积到图案化亲水区域内；所述加热后处理喷头用于对图案化亲水区域内沉积的液滴立即进行加热处理。

9.如权利要求8所述的微圆周曲面共形敏感结构的制备装置，其特征在于，还包括直驱电机和中心架，微圆周结构一端固定在所述直驱电机上，另一端架在所述中心架上；所述中心架上安装有张力传感器，用于保证微圆周结构保持合适的张力。

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