CN117891128A - 一种主动力调制的微纳精度热压印装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种主动力调制的微纳精度热压印装置及方法，所述装置包括上夹具和下夹具，所述上夹具上设置有压力控制系统，所述压力控制系统能够控制样品与上夹具之间的压力，且能够在保载阶段主动控制压力波动范围；所述上夹具和下夹具设置在加热腔内，所述加热腔与控温单元相连，所述控温单元控制加热腔处于设定的温度条件下；本发明通过设置的压力控制系统实现主动控制压印压力，可以在保载阶段主动控制压力波动范围，实现在一定的温度、压力和保载时间等工艺参数下进行热压印成型，既可以避免过高的操作成本，又可以实现高精度的复刻目标。
Description
技术领域
本发明涉及材料微结构成型技术领域，尤其涉及一种主动力调制的微纳精度热压印装置和方法。
背景技术
微结构成型技术是在微纳米尺度下对材料进行一系列设计、加工、检测的多学科交叉应用的前沿科学技术，在微机电系统、微光学系统、生物医学等领域有着巨大的应用价值。模具压印成型法是一种典型的微结构成型技术，具备良好的跨微纳米尺度加工能力。这种方法是将板料样品放在具有表面起伏纹路的模具上，通过压力作用使样品填充模具表面的凹凸部分，从而得到复刻了模具表面起伏纹路的成品。
从工作温度的角度来看，模具压印分为冷压印成型和热压印成型。冷压印成型是指在常温下进行压印，冷压印工艺对模具的要求比较高，尤其对于硬度较大的样品，比如金属样品压印，冷压印工艺需要采用足够大的压力才可以达到精确复刻模具图案的目的。所以通常这种冷压印模具制作成本高、使用寿命低，导致这种工艺不经济、不环保。另一个思路是通过升温达到板料样品的固液转变温度(比如非晶态物质的玻璃转变点、晶态物质的熔点)再进行压印工艺，即热压印成型。由于样品发生了一定程度的软化，所以热压印的操作难度大大降低，也降低了对模具的强度要求。但是在热压印保载过程中，施加的压力是无约束、被动式控制的，并且压印平面会随着样品的横向铺展而受力不均匀，最终会导致压印成品精度不高，品控不稳定等一系列问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种主动力调制的微纳精度热压印装置和方法，通过设置的压力控制系统实现主动控制压印压力，在一定的温度、压力和保载时间等工艺参数下进行热压印成型，既可以避免过高的操作成本，又可以实现高精度的复刻目标。
本发明的技术方案如下：
在本发明的第一方面，提供了一种主动力调制的微纳精度热压印装置，包括上夹具和下夹具，所述上夹具上设置有压力控制系统，所述压力控制系统能够控制样品与上夹具之间的压力，且能够在保载阶段主动控制压力波动范围；所述上夹具和下夹具设置在加热腔内，所述加热腔与控温单元相连，所述控温单元控制加热腔处于设定的温度条件下。
在本发明的一些实施方式中，所述压力控制系统设置在上夹具的上方，所述下夹具、模具和样品从下至上依次设置在操作台上。
在本发明的一些实施方式中，所述加热腔能够调控腔内的环境氛围，使加热腔内处于惰性气体环境或空气环境中。
在本发明的一些实施方式中，所述压力控制系统包括压力控制器和压力传感器，所述压力传感器用于检测上夹具所施加的压力并将压力值变化反馈给压力控制器，使压力控制器主动控制具有周期性波动特征的压力输出。
在本发明的一些实施方式中，所述加热腔通过温度监控热电偶与控温单元相连，所述控温单元通过温度监控热电偶获取加热腔内的温度，并控制加热腔内的温度保持在设定温度。
在本发明的第二方面，提供了一种主动力调制的微纳精度热压印方法，包括以下步骤：
根据待加工样品特性，获取针对特定样品的保温温度、加载压力和保载时间的最佳参数组合；
将待加工样品贴合模具表面纹路后，放置于下夹具中心位置；
操作压力控制系统，使上夹具在样品表面预加载一定压力，固定样品和模具位置；
设置加热腔的环境氛围，并设定保温温度，通过控温单元使加热腔内快速达到设定温度，然后进行保温；
设定加载压力，通过压力控制系统加载到设定压力，然后用主动控制的方式保载，即控制压力在有限的范围内进行周期性波动；
达到设定的保载时间后，卸载、降温，完成压印成型过程。
在本发明的一些实施方式中，在进行样品放置前对样品和模具的表面进行预处理，使样品表面平整，模具表面纹路清晰无异物。
在本发明的一些实施方式中，最佳的保温温度、加载压力和保载时间参数组合的获取方法包括：多个水平下的全组合方法或正交实验法，根据样品复刻纹路的起伏程度达到对应的模具上原纹路起伏程度的比例，确定最佳参数组合。
在本发明的一些实施方式中，在保载过程中，压力控制系统主动控制压力波动范围始终在1％以内。
在本发明的一些实施方式中，所述加热腔设定的目标温度处于压力控制系统、控温单元和夹具的安全使用范围内。
本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：
(1)本发明采用主动控制式压力控制系统进行热压印成型，可以解决一般热压印成型过程中由于无约束力控制导致的精度低、品控差的问题。同时，压印过程对模具的强度要求不高，所需压力较低，操作简单，达到了既避免过高的操作成本，又实现高精度压印复刻的目标。
(2)本发明在针对温度、压力和保载时间三因素的不同水平选择问题上，提供了全组合方法和正交实验法两种筛选思路，对参数和对应的水平比较少时，采用全组合确定最佳参数组合，对于参数和对应的水平较多时采用正交实验法确定最佳参数组合，可以简捷高效地衡量各个因素不同水平下的复刻质量。
(3)本发明提供的主动力调制的微纳精度热压印方法，提出根据特定样品的特性，来确定该特定样品的保温温度、加载压力和保载时间最佳参数组合，然后根据该最佳参数组合能够进行该特定样品的批量压印，不同的样品对应不同的保温温度、加载压力和保载时间最佳参数组合，与现有的直接根据经验对参数进行设定的方式相比，实现了高精度压印复刻的目标。
附图说明
图1为本发明实施例中的主动力调制的微纳精度热压印装置结构示意图；
图2中的(a)(b)分别为Zr基非晶合金样品和一元硬币模具的外形照片，其中(b)中的白色方框是样品放置的位置；
图3中的(a)(b)(c)分别为一元硬币模具表面的三维高度图、二维热图和沿线剖面图，其中(c)剖面图是沿着(b)中的虚线得到的；
图4中的(a)(b)(c)分别为压印后的样品表面的三维高度图、二维热图和沿线剖面图，其中(c)剖面图是沿着(b)中的虚线得到的；
图5表示在加载-保载-卸载过程中实时记录的压力实际数据值，放大图展示了保载阶段主动控制压力波动细节情况。
图中：101、控温单元；102、加热腔；103、温度监控热电偶；201、压力控制器；202、压力传感器；301、操作台；302、下夹具；303、上夹具；4、样品；5、模具。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明的一种典型的实施方式中，提出一种主动力调制的微纳精度热压印装置，包括下夹具302和上夹具303，所述上夹具303上设置有压力控制系统，所述压力控制系统能够控制样品4与上夹具303之间的压力，且能够在保载阶段主动控制压力波动范围；所述下夹具302和上夹具303设置在加热腔102内，所述加热腔102与控温单元101相连，所述控温单元101控制加热腔102处于设定的温度条件下。
在本实施例中，所述压力控制系统设置在上夹具303的上方，所述下夹具302、模具5和样品4从下至上依次设置在操作台301上，同时，压力控制系统可以记录输出力的大小值。
所述压力控制系统包括压力控制器201和压力传感器202，压力传感器202对微小应变或压力值变化有高灵敏度，结合高效的电信号反馈机制，使得压力控制器201可以达到主动控制具有周期性波动特征的输出压力的效果。
在本实施例中，所述加热腔102能够调控腔内的环境氛围，使加热腔102内处于惰性气体环境或空气环境中，根据样品在热压印过程中是否容易发生氧化反应来选择环境氛围，如果样品不易氧化，选择空气环境即可。反之，选择惰性气体环境，比如氩气环境。
在本实施例中，所述下夹具302和上夹具303采用相同规则形状的高强度材料制成，如圆形或方形的高强钢材料。
在本实施例中，所述加热腔102通过温度监控热电偶103与控温单元101相连，控温单元101、加热腔102和温度监控热电偶103组成控温系统，用来调控加热腔内的温度，具体的，所述控温单元101通过温度监控热电偶103获取加热腔内的温度，并控制加热腔102内的温度保持在设定温度。通过设置的加热腔能够对腔体内部整体进行加热并保温，可以获得大范围均匀稳定的温度场。
在使用时，下夹具302和上夹具303的几何中心放置于压力传感器202的中心处，同时需要进行校平，以保证样品均匀受力。
本实施例提供的主动力调制的微纳精度热压印装置，通过设置的压力控制系统加载到设定压力，然后主动控制进行保载，即保载阶段主动控制压力的波动范围，可以解决一般热压印成型过程中由于无约束力控制导致的精度低、品控差的问题。同时，通过设置的加热腔为压印过程提供不同的环境氛围和温度，实现了高精度压印复刻的目标。
实施例2
本发明的一种典型的实施方式中，提出一种主动力调制的微纳精度热压印方法，采用实施例1所述的微纳精度热压印装置来实现，包括以下步骤：
根据待加工样品特性，获取针对特定样品的保温温度、加载压力和保载时间的最佳参数组合；
将待加工样品贴合模具表面纹路后，放置于下夹具中心位置，以保证受力均匀；
操作压力控制系统，使上夹具在样品表面预加载一定压力，固定样品和模具位置；
设置加热腔的环境氛围，并设定保温温度，通过控温单元使加热腔内快速达到设定温度，然后进行保温；
设定加载压力，通过压力控制系统加载到设定压力，然后用主动控制的方式进行保载，即控制压力在有限的范围内进行周期性波动；
达到设定的保载时间后，卸载、降温，完成压印成型过程。
在本实施例中，在进行样品放置前，选择上下表面平行的板状样品，并对样品和模具的表面进行预处理，使样品表面平整，模具表面纹路清晰无异物。
在本实施例中，在保载过程中，压力控制系统主动控制压力波动范围始终在1％以内，以进行精确保载过程。
在本实施例中，所述加热腔设定的保温温度处于压力控制系统、控温单元和夹具的安全使用范围内。
在本实施例中，三个参数保温温度、加载压力和保载时间的最佳参数组合正交试验法来确定。
样品以Zr基非晶合金为例如图2中的(a)所示，模具以一元硬币为例如图2中的(b)所示，最佳的保温温度、加载压力和保载时间参数组合可以由全组合方法或正交试验法来确定，具体说明如下：
在本实施例中，三个参数分别有五个水平，保温温度：643K，653K，663K，673K，683K；加载压力：50N，100N，200N，300N，400N；保载时间：5min，10min，15min，20min，25min。
全组合方法即取三个参数所有水平之间的组合，共有5*5*5＝125种方案，也就是说，需要进行125次试验来确定最佳的参数组合；正交试验法可以依据正交设计原理，在确保能够对每个参数的每个水平都进行考察的前提下，选择全组合中的部分组合，以达到寻求最佳参数组合的目标。具体来说，本实施例中三参数五水平情况需要25次正交试验，如下表1所示。
表1本实施例正交试验设计的25种组合
对比全组合方法和正交试验法，全组合方法充分考虑了所有可能的组合，但是试验量大。适用于参数和对应的水平比较少的时候，不适用于本实施例。而正交试验法可以用较少的试验次数评价全部的参数水平，适合本实施例。经过一系列正交试验后，根据样品复刻纹路的起伏程度达到对应的模具上原纹路起伏程度的比例(比例越接近于100％，证明压印精度越高)确定最佳参数组合为673K，300N，15min。
按照最佳参数组合对Zr基非晶合金的压印过程如下：
(1)对样品4和模具5进行表面处理，保证其平整清洁，模具5表面纹路清晰无异物；
(2)将样品4贴合模具5表面纹路后，一齐放置于下夹具302中心位置，保证样品4和模具5在压印过程中受力均匀；
(3)利用压力控制系统，使上夹具303在样品4表面预加载一定压力，固定样品4和模具5的相对位置，保证接触良好，法向受力均匀，稳定控制；
(4)关闭加热腔102，由于样品4具有良好的抗氧化性，故采用空气环境进行压印成型；
(5)设定加热腔102目标温度为673K，升温速率为15K/min，待达到目标温度后保温5min；
(6)设定目标压力为300N，压力控制系统加载速率为50N/s，达到目标压力后，通过主动控制压力的方式，使得压力进行周期性波动且波动范围小于1％，以达到精确保载的目标；
(7)保载15min后，卸载，待加热腔102降温至室温后，取出样品4和模具5，完成压印成型过程。
通过白光干涉仪进行高度扫描，图3和图4分别展示了模具5和样品4的三维高度图、二维热图和沿线剖面图。以平均高度差定义模具5和样品4的图案起伏程度，二者的平均高度差分别是17.4和16.4微米，样品4的起伏程度达到模具5的94％，即采用本方法实现了高精度压印目标。
本实施案例中，在加载-保载-卸载过程中，压力传感器202可以实时记录压力的实际值，如图5所示，展示了保载阶段主动控制压力周期性波动范围始终在1％内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种主动力调制的微纳精度热压印装置，其特征在于，包括上夹具和下夹具，所述上夹具上设置有压力控制系统，所述压力控制系统能够控制样品与上夹具之间的压力，且能够在保载阶段主动控制压力波动范围；所述上夹具和下夹具设置在加热腔内，所述加热腔与控温单元相连，所述控温单元控制加热腔处于设定的温度条件下。
2.如权利要求1所述的主动力调制的微纳精度热压印装置，其特征在于，所述压力控制系统设置在上夹具的上方，所述下夹具、模具和样品从下至上依次设置在操作台上。
3.如权利要求1所述的主动力调制的微纳精度热压印装置，其特征在于，所述加热腔能够调控腔内的环境氛围，使加热腔内处于惰性气体环境或空气环境中。
4.如权利要求1所述的主动力调制的微纳精度热压印装置，其特征在于，所述所述压力控制系统包括压力控制器和压力传感器，所述压力传感器用于检测上夹具所施加的压力并将压力值变化反馈给压力控制器，使压力控制器主动控制具有周期性波动特征的压力输出。
5.如权利要求1所述的主动力调制的微纳精度热压印装置，其特征在于，所述加热腔通过温度监控热电偶与控温单元相连，所述控温单元通过温度监控热电偶获取加热腔内的温度，并控制加热腔内的温度保持在设定温度。
6.一种主动力调制的微纳精度热压印方法，采用如权利要求1-5任一项所述的微纳精度热压印装置来实现，其特征在于，包括以下步骤：
根据待加工样品特性，获取针对特定样品的保温温度、加载压力和保载时间的最佳参数组合；
将待加工样品贴合模具表面纹路后，放置于下夹具中心位置；
操作压力控制系统，使上夹具在样品表面预加载一定压力，固定样品和模具位置；
设置加热腔的环境氛围，并设定保温温度，通过控温单元使加热腔内快速达到设定温度，然后进行保温；
设定加载压力，通过压力控制系统加载到设定压力，然后用主动控制的方式保载，即控制压力在有限的范围内进行周期性波动；
达到设定的保载时间后，卸载、降温，完成压印成型过程。
7.如权利要求6所述的主动力调制的微纳精度热压印方法，其特征在于，在进行样品放置前对样品和模具的表面进行预处理，使样品表面平整，模具表面纹路清晰无异物。
8.如权利要求6所述的主动力调制的微纳精度热压印方法，其特征在于，最佳的保温温度、加载压力和保载时间参数组合的获取方法包括：多个水平下的全组合方法或正交实验法，根据样品复刻纹路的起伏程度达到对应的模具上原纹路起伏程度的比例，确定最佳参数组合。
9.如权利要求6所述的主动力调制的微纳精度热压印方法，其特征在于，在保载过程中，压力控制系统主动控制压力波动范围始终在1％以内。
10.如权利要求6所述的主动力调制的微纳精度热压印方法，其特征在于，所述加热腔设定的保温温度处于压力控制系统、控温单元和夹具的安全使用范围内。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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