RU187667U1 - Устройство для формирования планарной микроструктуры с рельефной поверхностью из термоотверждаемой полимерной композиции методом контактного копирования - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области получения полимерных микроэлементов методом контактного копирования (наноимпринтинга) и может быть использована для изготовления планарных микроструктур с рельефной поверхностью из термоотверждаемых полимеров. Сущность: устройство включает основание (1) с подложкодержателем (2) для размещения подложки (3) с нанесенным термоотверждаемым составом полимерной композиции. Основание (1) снабжено нагревательным элементом (9). На основании (1) закреплена направляющая втулка (5), на которой установлена верхняя плита (4) пресс-прижима с приводом вертикального перемещения. Привод вертикального перемещения выполнен в виде трех равномерно расположенных компактных моторизованных приводов (7) с шаговым двигателем, закрепленных на основании (1). Плита (4) пресс-прижима установлена на выдвижных шторках (6) компактных моторизованных приводов (7). На верхней плите (4) пресс-прижима закреплена матрица-штамп (8) с формообразующей поверхностью в виде “зеркальной” копии формируемого рельефа микроструктуры. Технический результат: повышение точности формирования планарной микроструктуры с заданной рельефной поверхностью из термоотверждаемой полимерной композиции. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Полезная модель относится к области получения полимерных микроэлементов методом контактного копирования (наноимпринтинга) и может быть использована для повышения качества изготовления планарных микроструктур, в том числе, и многослойных планарных систем, с рельефной поверхностью из термоотверждаемых полимеров.

Из уровня техники известно устройство для формирования изделий из термоотверждаемых (термореактивных) полимеров, содержащее пресс-форму, снабженную нагревательным элементом (см. Архипова И.А., Елигбаева Г.Ж. Учебное пособие «Основы технологии переработки полимеров»: - Алматы: КазНИТУ, 2015, с. 4-18; RU 2404891 С2, В29С 39/10,2010). Однако данное решение не приспособлено для изготовления многослойных планарных систем с рельефной поверхностью.

Из уровня техники также известно формирования планарных микроструктур методом контактного копирования (наноимпринта) из термоотверждаемой полимерной композиции, которую наносят на подложку и прижимают штампом с последующей термополимеризацией полимера под действием нагрева (см. Фокина М.И., Денисюк И.Ю., Бурункова Ю.Э., Полимеры в интегральной оптике - физика, технология и применение. Учебное пособие. С-Петербург, СПб ГИТМО (ТУ), 2007, с 80 -89). Также известно устройство для формирования планарной микроструктуры с рельефной поверхностью из отверждаемой полимерной композиции путем контактного копирования рельефа матрицы, включающем основание с подложкодержателем для размещения подложки с нанесенным составом полимерной композиции, верхнюю плиту пресс-прижима, установленную в направляющей втулке с возможностью вертикального перемещения, на которой закреплена матрица-штамп с формообразующей поверхностью в виде „зеркальной” копии формируемого рельефа микроструктуры, и средство для активизирования процесса полимеризации (US 5597613 A, B05D 5/06, 1997). Основной недостаток известного устройства заключается в том, что технологические операции, необходимые для плоскопараллельного перемещения плиты пресс-прижима с матрицей-штампом в вертикальном направлении относительно основания производятся вручную, что не обеспечивает высокой точности изготовления планарных микроэлементов.

Технический результат, на получение которого направлена полезная модель, заключается в повышении точности формирования планарной микроструктуры с заданной рельефной поверхностью из термоотверждаемой полимерной композиции.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в устройстве для формирования планарной микроструктуры с рельефной поверхностью из термоотверждаемой полимерной композиции путем контактного копирования рельефа матрицы, включающем основание с подложкодержателем для размещения подложки с нанесенным термоотверждаемым составом полимерной композиции, снабженное нагревательным элементом, верхнюю плиту пресс-прижима, установленную в направляющей втулке с возможностью вертикального перемещения, на которой закреплена матрица-штамп с формообразующей поверхностью в виде „зеркальной” копии формируемого рельефа микроструктуры, и нагревательный элемент, согласно полезной модели, верхняя плита пресс-прижима снабжена приводом вертикального перемещения, который выполнен в виде трех равномерно расположенных компактных моторизованных приводов с шаговым двигателем, закрепленных на основании, на выдвижных штоках которых установлена плита пресс-прижима.

Предпочтительно, подложкодержатель выполнен из материала с высокой теплопроводностью.

При этом подложкодержатель снабжен вакуумным прижимом для закрепления-фиксирования подложки.

Кроме того, на основании закреплен механический пресс-прижим, давящий шток которого воздействует - передает осевое усилие на плиту пресс-прижима.

Предпочтительно, рабочая поверхность матрицы-штампа выполнена с антиадгезионным покрытием по отношению к материалу термоотверждаемой полимерной композиции.

Кроме того, заявленное устройство снабжено блоком питания и управления с программным модулем автоматизированного управления вертикальным перемещением - позиционированием матрицы-штампа, к которому подключены контроллеры шаговых двигателей моторизованных приводов.

При этом нагревательный элемент выполнен в виде электронагревателя с терморегулятором и подключен к блоку питания и управления.

Заявленная конструкция устройства, включающая плиту пресс-прижима, установленную в направляющей втулке параллельно основанию и снабженную приводом вертикального перемещения, на которой закреплена матрица-штамп с формообразующей поверхностью в виде „зеркальной” копии формируемого рельефа микроструктуры, обеспечивает возможность точного многократного, в том числе, и многослойного, формирования (копирования) планарной нано-микроструктуры с рельефной поверхностью из термоотверждаемой полимерной композиции за счет автоматизированного прецизионного позиционирование плиты пресс-прижима с матрицей-штампом в вертикальном направлении относительно основания и, соответственно, параллельно подложки посредством привода, который, предпочтительно, выполнен в виде трех равномерно расположенных компактных моторизованных микроприводов с шаговым двигателем, подключенных к программному модулю автоматизированного управления системой позиционирования матрицы-штампа блока питания и управления.

Наличие пресс-прижима, например винтового, давящий шток которого воздействует - передает осевое усилие на плиту пресс-прижима обеспечивает дополнительное к весу плиты пресс-прижима продавливание термополимеризуемой полимерной композиции и надежное заполнение объема, определяемый рельефом поверхности матрицы-штампа, что повышает точность воспроизведения - формирования заданной планарной микроструктуры.

При этом заявленное устройство расширяет арсенал технических средств, предназначенных для автоматизированного формирования планарной микроструктуры с рельефной поверхностью из термоотверждаемой полимерной композиции.

На чертеже схематично представлен общий вид заявленного устройства для формирования планарной микроструктуры с рельефной поверхностью.

Устройство для формирования планарной нано-микроструктуры с рельефной поверхностью из термоотверждаемой полимерной композиции путем контактного копирования рельефа матрицы в процессе термополимеризации включает горизонтальное основание 1 с подложкодержателем 2, на котором закрепляют-фиксируют подложку 3 (например, из плавленого кварца или стекла К8), верхнюю плиту 4 пресс-прижима, которая установлена с возможностью вертикального перемещения в закрепленной на основании 1 направляющей втулке 5 и свободно оперта (или шарнирно закреплена) на выдвижные штоки 6 (при этом концы штоков 6 вставлены в лунки, выполненные в плите 4 пресс-прижима) трех компактных моторизованных приводов 7 с шаговым двигателем (например, моторизованных приводов 8СМА28-10 фирмы Standa), образующих единый привод вертикального перемещения, которые равномерно закреплены на основании 1. На верхней плите 4 пресс-прижима закрепляют гибкую силоксановую матрицу-штамп 8 с формообразующей поверхностью в виде „зеркальной” копии оригинала с формируемым рельефом микроструктуры, выполненную, например, из «Силастика Т-4», представляющего собой вязкую текучую прозрачную композицию на основе силиконового каучука, способную переходить в резиноподобное состояние после смешивания с отвердителем при комнатной температуре. При этом плита 4 пресс-прижима, предпочтительно, выполнена с цилиндрической боковой поверхностью и в плане имеет овалообразную форму (на чертеже не показано), а направляющая втулка 5 выполнена в виде закрепленного на основании 1 цилиндрического стакана, внутренняя боковая поверхность которого выполнена сопряженной с овалообразной боковой поверхностью плиты 4 пресс-прижима.

Автоматизированное плоскопараллельное позиционирование формообразующей поверхности матрицы-штампа 8 при перемещении в вертикальном направлении относительно горизонтального основания 1 и подложки 3 обеспечивает программный модуль автоматизированного управления вертикальным перемещением - позиционированием матрицы-штампа блока питания и управления, выполненный, например, на основе компьютера, (на чертеже не показано), к которому подключены контроллеры шаговых двигателей моторизованных приводов 7.

Подложкодержатель 2 снабжен нагревательным элементом 9, выполненный, предпочтительно, в виде электронагревателя с терморегулятором, который подключен к блоку питания и управления (на чертеже не показано). Кроме того, подложкодержатель 2 снабжен вакуумным прижимом 10 для закрепления-фиксирования подложки

Предпочтительно, рабочая поверхность матрицы-штампа 8 выполнена с антиадгезионным покрытием по отношению к материалу термоотверждаемой полимерной композиции.

Кроме того, на основании 1 может быть дополнительно установлен механический пресс 11, давящий шток которого воздействует - передает осевое усилие на плиту 4 пресс-прижима.

Заявленное устройство для формирования планарной микроструктуры с рельефной поверхностью работает следующим образом.

Рабочую поверхность подложки 3 покрывают адгезионным слоем на основе 0,1% (вес.) водно-изопропанольного (50/50) раствора метакрилоилоксипропилтриэтоксисилана толщиной не более 250 нм, помещают подложку 3 на подложкодержатель 2 горизонтального основания 1, включают вакуумный насос 12 вакуумного прижима 10 и надежно фиксируют подложку 3 на подложкодержателе 2. Формообразующую силоксановой матрицы-штампа 8 обрабатывают антиадгезионным составом на основе паров смеси диметилдихлорсилана и триметилхлорсилана с последующей гидролизацией в парах воды. На подложку 3 помещают 35÷40 мкл термополимерной композиции, которую предварительно приготовляют путем растворения в полимеризующемся компоненте олигокарбонатметакрилата Д-1 (98 масс. ч.) истертого в мелкодисперсный порошок термоинициатора 2,2'-азодиизобутиронитрила (АИБН) (2 масс. ч.) при температуре 40°С при интенсивном перемешивании на магнитной мешалке (скорость 250 об./мин) в течение 1 часа.

С помощью программного модуля автоматизированного управления вертикальным перемещением - позиционированием матрицы-штампа блока питания и управления, к которому подключены контроллеры шаговых двигателей моторизованных приводов 7, производят автоматизированное плоскопараллельное перемещении - опускание плиты 4 пресс-прижима с матрицей-штампом 8, установленной на выдвижных штоках 6 трех компактных моторизованных приводов 7, в вертикальном направлении относительно горизонтального основания 1 до заданного расстояния между подложкой 3 и формообразующей поверхностью матрицы-штампа 8, равного, например, 60 мкм. При этом жидкая термополимерная композиция прижимается матрицей-штампом 8, полимер растекается по подложке 3, заполняя объем, определяемый рельефом формообразующей поверхности матрицы-штампа 8. Для лучшего затекания полимера в мелкие элементы структуры формообразующей поверхности плиту 4 пресс-прижима с матрицей-штампом 8 можно дополнительно прижать с помощью механического пресса 11. Включают электронагреватель нагревательного элемента 9, и с помощью терморегулятора, подключенного к блоку питания и управления (на чертеже не показано), поддерживают температуру термополимерной композиции на уровне 80-85°С в течение 30 минут до полного распада термоинициатора. При этом рельеф формообразующей поверхности матрицы-штампа 8 переносится на подложку 3. После окончания процесса термоотверждения выключают электронагреватель нагревательного элемента 9 и обеспечивают остывание сформированной планарной микроструктуры с рельефной поверхностью до комнатной температуры. Затем с помощью программного модуля автоматизированного управления вертикальным перемещением - позиционированием матрицы-штампа блока питания и управления, воздействуя на шаговые двигатели моторизованных приводов 7, производят подъем плиты 4 пресс-прижима с матрицей-штампом 8, при этом формообразующая поверхность матрицы-штампа 8 с антиадгезионным покрытием легко отделяется от подложки 3 с нанесенным рельефным полимерным слоем. Выключают вакуумный насос 12 вакуумного прижима 10 и снимают подложку 3 с приготовленной планарной микроструктурой с подложкодержателя 2.

Claims (7)

1. Устройство для формирования планарной микроструктуры с рельефной поверхностью из термоотверждаемой полимерной композиции путем контактного копирования рельефа матрицы, включающее основание с подложкодержателем для размещения подложки с нанесенным термоотверждаемым составом полимерной композиции, снабженным нагревательным элементом, верхнюю плиту пресс-прижима, установленную в направляющей втулке с возможностью вертикального перемещения, на которой закреплена матрица-штамп с формообразующей поверхностью в виде "зеркальной" копии формируемого рельефа микроструктуры, отличающееся тем, что верхняя плита пресс-прижима снабжена приводом вертикального перемещения, который выполнен в виде трех равномерно расположенных компактных моторизованных приводов с шаговым двигателем, закрепленных на основании, на выдвижных штоках которых установлена плита пресс-прижима.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что подложкодержатель снабжен вакуумным прижимом для закрепления-фиксирования подложки.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что подложкодержатель выполнен из материала с высокой теплопроводностью.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на основании закреплен механический пресс-прижим, давящий шток которого воздействует - передает осевое усилие на плиту пресс-прижима.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что рабочая поверхность матрицы-штампа выполнена с антиадгезионным покрытием по отношению к материалу термоотверждаемой полимерной композиции.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что снабжено блоком питания и управления с программным модулем автоматизированного управления вертикальным перемещением - позиционированием матрицы-штампа, к которому подключены контроллеры шаговых двигателей моторизованных приводов.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что нагревательный элемент выполнен в виде электронагревателя с терморегулятором и подключен к блоку питания и управления.

Images