CN105730006A - 一种基于电流体动力的多功能微加工平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流体动力的多功能微加工平台，包括微加工喷头单元、接收基板单元、过程监测单元和***控制单元；其中，所述的微加工喷头单元包括微加工模式调节器、喷头和进液装置；所述的接收基板单元包括接收基底、导电层、加热层和二维移动平台；所述的过程监测单元包括白光源、单筒显微镜和相机；所述的***控制单元包括移动平台控制器、高压电源放大器和计算机。该多功能微加工平台，集成电喷涂、电纺丝、电喷印和墨水直写四种微加工模式，实现微米/亚微米尺度点、线段的图案化微加工。

Description

一种基于电流体动力的多功能微加工平台

技术领域

本发明属于微加工技术领域，具体来说，涉及一种基于电流体动力的多功能微加工平台。

背景技术

材料表面结构微加工及图案化在微米和纳米尺度上的需求推动了新型加工技术的开发。与此同时，微加工技术的发展也开拓了传统材料在微纳尺度上物理、化学和生物性质的研究。近年来，通过光刻蚀、电子束刻蚀、离子刻蚀、气相沉积等物理微加工技术，大量新型微纳结构被成功制造。在集成电路、信息存储器件、微型传感器、微流体器件、微型光学器件和器官芯片等领域中实现了更快响应速度、更廉价成本、更低功耗和更优性能。

由于具备标准化的制作流程，打印技术得到越来越广泛的应用。目前，喷墨打印技术、微阀打印技术、激光诱导转移打印技术、超声打印技术均得到一定的发展，在生物材料微加工领域得到广泛关注。尤其是喷墨打印技术，凭借其制备简便、成本低廉的优势，已经广泛应用于各类功能器件的制备。然而喷墨打印技术打印精度受喷孔直径的限制，喷孔引发的阻塞问题也不可避免。与之相比，基于电流体动力的喷印技术是基于静电效应的非接触式喷墨打印过程，其打印精度可达喷孔直径的1/100，实施过程中也避免了阻塞问题。同时，该***可以提供连续打印模式用于制备线状图案。此外，电流体动力平台通过控制喷头与接收基板的距离和施加电压即可提供多种微加工模式。现有基于电流体动力的微加工***适用的材料对于粘度等要求较高，且集成度不高，无法满足实验室及工业生产中的需求。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于电流体动力的多功能微加工平台，集成电喷涂、电纺丝、电喷印和墨水直写四种微加工模式，实现微米/亚微米尺度点、线段的图案化微加工。

技术方案：针对上述问题，本发明实施例提供的技术方案是：

一种基于电流体动力的多功能微加工平台，所述的微加工平台包括微加工喷头单元、接收基板单元、过程监测单元和***控制单元；其中，所述的微加工喷头单元包括微加工模式调节器、喷头和进液装置，喷头固定连接在微加工模式调节器上，进液装置的液体进出端通过进液管与喷头连接；所述的接收基板单元包括接收基底、导电层、加热层和二维移动平台，接收基底、导电层、加热层从上向下依次固定连接在二维移动平台的顶面，接收基底位于喷头下方；所述的过程监测单元包括白光源、单筒显微镜和相机，白光源位于喷头的一侧，单筒显微镜和相机位于喷头的另一侧；单筒显微镜连接在相机镜头上，且单筒显微镜的镜头与白光源的发光面相对；所述的***控制单元包括移动平台控制器、高压电源放大器和计算机，计算机的信号输入端与相机的信号输出端通过相机输出线连接，计算机的第一信号输出端与移动平台控制器的信号输入端通过移动平台控制器控制线连接，移动平台控制器的信号输出端通过移动平台控制连接线和二维移动平台的信号输入端连接；计算机的第二信号输出端与高压电源放大器的信号输入端通过高压电源放大器控制线连接；高压电源放大器的第一电源输出端与喷头通过高压电源输出线连接，高压电源放大器的第二电源输出端与导电层通过高压电源地线连接；计算机的第三信号输出端与进液装置的信号输入端通过进液装置控制线连接。

作为优选方案，所述的进液装置为蠕动泵或气泵。

作为优选方案，所述的喷头为平口金属针头，且喷头的内径为50-1000微米，外径为200-2000微米。

作为优选方案，所述的喷头为经过拉制的玻璃毛细管，喷头呈尖口状，喷头的针尖部分经过疏水处理，且针尖表面通过蒸镀附着导电层或内置导电丝，针尖的内径为0.1—1000微米，外径为1—2000微米。

作为优选方案，所述的接收基板单元中，导电层为导电玻璃或者金属片；加热层为硅橡胶加热板、PTC陶瓷加热片或者聚酰亚胺加热膜。

有益效果：相对于现有技术，本发明实施例具有以下优点：

（1）可集成四种微加工模式，针对不同的材料和加工要求选择合适的加工模式。本实施例的多功能微加工平台可以实现电纺丝模式、电喷印模式、电喷涂模式和墨水直写模式四种工作模式。同一平台能够实现四种微加工模式。

（2）提供高分辨率的加工能力。墨水直写模式下，打印精度受喷头内径限制，液滴半月面与接收基底接触面尺度为微米尺度范围。在电喷涂、电纺丝和电喷印模式下，在微米级喷头的基础上，喷头与接收基底之间强电场对喷头处液面具有拉伸汇聚作用。带电液体从电场力拉伸形成的泰勒锥锥尖处喷射，液滴的生成由电场力的控制，并不依赖于喷头，因此可生成尺寸远小于喷头内径的微结构。尤其是在电纺丝模式过程中，喷射形成的纤维悬挂于喷头与接收基底之间。移动平台的运动对其具有进一步拉伸的作用，使得最终沉积于接收基板的微结构尺寸降低。

（3）提供点状或连续拉丝的微结构。根据电流体动力学的原理，当喷头与接收基底之间强电场为直流信号时，墨水连续喷射，在接收基底上以纤维状分布，沉积形成连续丝状微结构；当喷头与接收基底之间强电场为脉冲信号时，墨水间歇性喷射，在接收基底上以点分布，沉积形成点状微结构。间歇喷射状态下，通过平移台速度调节相邻两点的距离，利用相邻液滴的融合形成连续线状微结构。

（4）避免了喷墨打印中喷头堵塞的问题。与传统喷墨打印中喷头处液滴挤压形成不同，电流体动力对喷头处液滴具有向外拉伸的作用。该作用力避免了外界灰尘和墨水中含有颗粒在喷头处聚集。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例中喷头为拉制的玻璃毛细管的结构示意图。

图中有：微加工模式调节器1、喷头2、接收基底3、导电层4、加热层5、二维移动平台6、白光源7、单筒显微镜8、相机9、移动平台控制连接线11、移动平台控制器12、移动平台控制器控制线13、高压电源输出线14、高压电源地线15、高压电源放大器16、高压电源放大器控制线17、计算机18、进液管19、进液装置20、进液装置控制线21、毛细管针尖22、毛细管固定片23。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明实施例进行详细的说明。

如图1和图2所示，本发明实施例的一种基于电流体动力的多功能微加工平台，包括微加工喷头单元、接收基板单元、过程监测单元和***控制单元。微加工喷头单元包括微加工模式调节器1、喷头2和进液装置20。所述的进液装置20为蠕动泵或气泵。喷头2固定连接在微加工模式调节器1上，进液装置20的液体进出端通过进液管19与喷头2连接。接收基板单元包括接收基底3、导电层4、加热层5和二维移动平台6，接收基底3、导电层4、加热层5从上向下依次固定连接在二维移动平台6的顶面，接收基底3位于喷头2下方。过程监测单元包括白光源7、单筒显微镜8和相机9，白光源7位于喷头2的一侧，单筒显微镜8和相机9位于喷头2的另一侧；单筒显微镜8连接在相机9镜头上，且单筒显微镜8的镜头与白光源7的发光面相对。***控制单元包括移动平台控制器12、高压电源放大器16和计算机18，计算机18的信号输入端与相机9的信号输出端通过相机输出线10连接，计算机18的第一信号输出端与移动平台控制器12的信号输入端通过移动平台控制器控制线13连接，移动平台控制器12的信号输出端通过移动平台控制连接线11和二维移动平台6的信号输入端连接；计算机18的第二信号输出端与高压电源放大器16的信号输入端通过高压电源放大器控制线17连接；高压电源放大器16的第一电源输出端与喷头2通过高压电源输出线14连接，高压电源放大器16的第二电源输出端与导电层4通过高压电源地线15连接；计算机18的第三信号输出端与进液装置20的信号输入端通过进液装置控制线21连接。

上述结构的多功能微加工平台可以实现电纺丝模式、电喷印模式、电喷涂模式和墨水直写模式四种工作模式。具体来说：

电纺丝模式：在该加工模式中，需要在喷头2和接收基底3之间设置高压电场。接收基底3固定于二维移动平台6上，喷头2垂直于接收基底3。喷头2末端连接注射泵，以保证加工过程中逐步增加喷头2与接收基底3之间直流电压的幅值。墨水中带异性电荷的离子和颗粒在喷嘴液面聚集。在电场力作用下，喷头2处液面随着电场强度的增加形成泰勒锥。当电场作用力突破液体表面张力的约束后，带电液体从泰勒锥锥尖处喷射。在离开喷头2处较短范围（约50毫米）内，喷射纤维的飞行轨迹仍保持初始方向。通过二维移动平台6的移动，在接收基底3表面接收墨水。如果带电液体的黏度能够满足纺丝要求，即喷射出的墨水呈现单一纤维状且飞行过程中不断裂，接收基底3材料表面就能够接收到连续线状微结构。同时，二维移动平台6的快速移动对于喷头2与接收基底3之间处于飞行状态中的墨水纤维具有拉伸作用，从而再次降低了纤维直径。本模式中，打印墨水具有较高黏度。如果施加的电压信号过大，会出现不可控的多股喷射现象。在纺丝纤维能够承受的范围，二维移动平台6的移动速度越高，接收纤维直径越小。

电喷印模式：与电纺丝模式类似，区别在于使用的电压为脉冲信号，且适用材料的黏度要求降低。因为电纺丝过程需要喷射出的墨水在喷头与接收材料之间呈现纤维状，而电喷印过程中继续喷射出墨水液滴即可，黏度要求降低。由于施加在喷头2与接收基底3之间的电压为脉冲信号，在电压峰值时，喷头2处喷射出的独立液滴；在电压谷值时，喷头2处没有液滴生成。在周期性电压信号作用下，尺寸均一的液滴稳定生成。在电喷印模式下，喷头2与接收基底3的距离很小。喷头1到接收基板8之间的距离由所使用的喷头内径决定，优选距离为2倍喷头内径的大小。

电喷涂模式：在电纺丝模式和电喷印模式中，施加电压过高均会造成电场力远大于液体表面张力，喷头处呈现不可控的喷射状态。受电压信号和墨水黏度的限制，喷射出的微结构呈现纤维状或者液滴状。在电喷涂模式模式下，接收基底3和喷头2之间的距离可以延长到更大的范围。电喷涂模式下使用高压电场实现墨水喷射，增加基底3与喷头2之间距离一方面是发挥电喷涂大面积快速加工的优势，另一方面是安全考虑。

墨水直写模式：该模式不需要在喷头2与接收基底3之间设置电场。接收基底3水平固定于二维移动平台6上，喷头2垂直于接收基底3。通过微加工模式调节器1控制喷头2和接收基底3之间的距离。当喷头2远离接收基底3时，墨水受喷头2处毛细力作用存储在储液管内，喷头2处液面无法接触到接收基底3。当喷头2与接收基底3之间的距离降低到1毫米内，喷头2处液面与接收基底3材料发生接触后，墨水不再受毛细力约束，从喷头2处流出。根据不同的材料和喷头2直径，调节喷头2与接收基底3之间的距离控制墨水流出速度，利用二维移动平台的移动实现二维图案的直写。

另外，上述实施例的多功能微加工平台可以实现微米/亚微米尺度点、线段的图案化微加工。墨水直写模式下，通过控制喷头2处墨水形成的半月面与接收基底3的接触实现微结构加工。受喷头2内径限制，液滴半月面与接收基底3接触面尺度为微米尺度范围。在电喷涂、电纺丝和电喷印模式下，在微米级喷头2的基础上，利用电流体动力学进一步提高加工精度。在喷头2与接收基底3之间设置强电场，墨水中带异性电荷的离子或颗粒在喷头液面聚集。在电场力的拉伸作用下，喷头2处液面形成泰勒锥。当局部电场作用力突破液体表面张力的约束后，带电液体从泰勒锥锥尖处喷射。液滴的生成由电场力的控制，并不依赖于喷头，因此可生成尺寸远小于喷头内径的液滴且避免喷头的堵塞。

作为优选方案，所述的喷头2为平口金属针头，且喷头2的内径为50-1000微米，外径为200-2000微米。或者，所述的喷头2为经过拉制的玻璃毛细管，喷头2呈尖口状，毛细管针尖22部分经过疏水处理，且针尖表面通过蒸镀附着导电层或内置导电丝，针尖的内径为0.1—1000微米，外径为1—2000微米。针尖表面蒸镀附着导电层或喷头2内置导电丝是为了构建针头电极。毛细管针尖22通过毛细管固定片23连接在微加工模式调节器1上。平口金属针头的成本较低，但受限于机械加工标准。玻璃毛细管提供了个性化定制的可能，同时其针尖尺度进一步降低到亚微米级别，为提高打印精度奠定了基础。

作为优选方案，所述的接收基板单元中，导电层4为导电玻璃或者金属片；加热层5为硅橡胶加热板、PTC陶瓷加热片或者聚酰亚胺加热膜。接收基底材料选自普通玻片、硅片、纸、聚合物薄膜等各类硬质或柔性材料。

上述实施例的多功能微加工平台，电纺丝模式、电喷印模式、电喷涂模式和墨水直写模式四种微加工模式均通过接收基板接收喷头处流出或喷射出的丝状或液滴状物质形成加工图案。其中电喷涂、电纺丝和电喷印三种模式需要在喷头2与接收基板3之间施加电场；墨水直写模式不需要施加电场。

四种微加工模式通过垂直于接收基板平面的微加工模式调节器实现切换，通过该微加工模式调节器控制喷头2与接收基底3之间的距离。微加工模式调节器1可由电动移动台或移动导轨组成。

作为优选方案，电喷涂模式下，喷头2与接收基底3之间工作距离为20毫米至300毫米。电纺丝模式下，喷头2与接收基底3之间的工作距离为10毫米至50毫米。电喷印模式下，喷头2与接收基底3之间的的工作距离为0.05毫米至5毫米。墨水直写模式下，喷头2与接收基底3之间的的最大工作距离为1毫米。

上述实施例的多功能微加工平台，接收基板3可根据需要水平固定，垂直固定，或者按特定角度固定。***控制单元通过面向用户的操作界面调节微加工环节中各参数。

***控制单元中，高压电源放大器16提供50千伏范围内直流电信号，或者峰值在50千伏范围内可编辑电信号。可由直流高压电源提供，也可由低电压信号发生器和高压放大器组合而成。高压电源放大器16的两级分别连接喷头2和导电层4。

本实施例中，微加工喷头单元用于切换微加工模式和固定进液喷头；接收基板单元通过二维移动平台的移动实现图案化微加工；过程监测单元用于实时监测电流体动力微加工过程；***控制单元根据过程检测单元实时反馈的加工效果通过计算机实现对移动平台控制器，驱动电压，进液装置的参数调节。

本发明实施例以电流体动力技术为基础构建微加工平台，由于不同的加工材料在电场作用下的不同状态，进而提供了电喷涂、电纺丝、电喷印等多种加工模式。相对于其他微加工***，基于电流体动力的微加工平台结构简单，精度高，提供多种加工模式，具有很好的实用性。

本发明实施例以电流体动力为基础构建微加工平台，根据液滴在电流体动力驱动下不同的状态可加工点状或丝状微加工，丰富了加工图案的微结构种类，尤其是连续线段加工避免了喷墨打印***中依靠相邻液滴融合进行连续微结构制备的苛刻要求。

实施例1电喷涂模式下制备光子晶体微球

（1）硬件选择：

选择金属针头（内径120微米，外径360微米）。金属针头和接收基板分别连接电压源的正负极。

（2）打印材料：

墨水为质量体积分数为5%的二氧化硅胶体晶体水溶液，接收材料为正十六烷溶液。

（3）参数选择：

喷头与接收材料的距离为20毫米，施加电压为3千伏直流电压。进液泵速度为10微升每分钟。移动平台以20毫米每秒速度延单一轴向做往复运动。

实施例2电纺丝模式下制备图案化聚氧化乙烯薄膜

（1）硬件选择：

选择金属针头（内径580微米，外径1000微米）。金属针头和接收基板分别连接电压源的正负极。

（2）打印材料：

墨水为质量体积分数为6%的聚氧化乙烯（分子量约为600000）水溶液，接收材料为玻璃片。

（3）参数选择：

喷头与接收材料的距离为30毫米，施加电压为3千伏直流电压。进液泵速度为20微升每分钟。移动平台以50毫米每秒速度延预设轨迹移动。

实施例3电喷印模式下制备光子晶体图案

（1）硬件选择：

选择拉制玻璃毛细管针尖作为针头（内径60微米，外径100微米）。针头尾部无需连接蠕动泵。针头不连接电压，接收基板连接电压源的输出线。

（2）打印材料：

墨水为质量体积分数为5%的二氧化硅胶体晶体乙二醇溶液，接收材料为涂覆特氟龙层的硅片。

（3）参数选择：

喷头与接收材料的距离为200微米，施加电压为频率1赫兹，幅值±1.5千伏的方波信号。移动平台以100微米每秒速度延预设轨迹移动。

实施例4墨水直写模式下制备石蜡孔道

（1）硬件选择：

选择玻璃针头（内径200微米，外径500微米），针头尾部连接蠕动泵。

（2）打印材料：

墨水为质量体积分数为10%的石蜡丙酮溶液，接收材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜。

（3）参数选择：

喷头与接收材料的距离为100微米。进液泵速度为5微升每分钟。移动平台以5毫米每秒速度延预设轨迹移动。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于电流体动力的多功能微加工平台，其特征在于，所述的微加工平台包括微加工喷头单元、接收基板单元、过程监测单元和***控制单元；其中，

所述的微加工喷头单元包括微加工模式调节器（1）、喷头（2）和进液装置（20），喷头（2）固定连接在微加工模式调节器（1）上，进液装置（20）的液体进出端通过进液管（19）与喷头（2）连接；

所述的接收基板单元包括接收基底（3）、导电层（4）、加热层（5）和二维移动平台（6），接收基底（3）、导电层（4）、加热层（5）从上向下依次固定连接在二维移动平台（6）的顶面，接收基底（3）位于喷头（2）下方；

所述的过程监测单元包括白光源（7）、单筒显微镜（8）和相机（9），白光源（7）位于喷头（2）的一侧，单筒显微镜（8）和相机（9）位于喷头（2）的另一侧；单筒显微镜（8）连接在相机（9）镜头上，且单筒显微镜（8）的镜头与白光源（7）的发光面相对；

所述的***控制单元包括移动平台控制器（12）、高压电源放大器（16）和计算机（18），计算机（18）的信号输入端与相机（9）的信号输出端通过相机输出线（10）连接，计算机（18）的第一信号输出端与移动平台控制器（12）的信号输入端通过移动平台控制器控制线（13）连接，移动平台控制器（12）的信号输出端通过移动平台控制连接线（11）和二维移动平台（6）的信号输入端连接；计算机（18）的第二信号输出端与高压电源放大器（16）的信号输入端通过高压电源放大器控制线（17）连接；高压电源放大器（16）的第一电源输出端与喷头（2）通过高压电源输出线（14）连接，高压电源放大器（16）的第二电源输出端与导电层（4）通过高压电源地线（15）连接；计算机（18）的第三信号输出端与进液装置（20）的信号输入端通过进液装置控制线（21）连接。

2.根据权利要求1所述的基于电流体动力的多功能微加工平台，其特征在于，所述的进液装置（20）为蠕动泵或气泵。

3.根据权利要求1所述的基于电流体动力的多功能微加工平台，其特征在于，所述的喷头（2）为平口金属针头，且喷头（2）的内径为50-1000微米，外径为200-2000微米。

4.根据权利要求1所述的基于电流体动力的多功能微加工平台，其特征在于，所述的喷头（2）为经过拉制的玻璃毛细管，喷头（2）呈尖口状，喷头（2）的针尖部分经过疏水处理，且针尖表面通过蒸镀附着导电层或内置导电丝，针尖的内径为0.1—1000微米，外径为1—2000微米。

5.根据权利要求1所述的基于电流体动力的多功能微加工平台，其特征在于，所述的接收基板单元中，导电层（4）为导电玻璃或者金属片；加热层（5）为硅橡胶加热板、PTC陶瓷加热片或者聚酰亚胺加热膜。