基于噴墨打印技術(shù)的在微圓周上加工微結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種加工微結(jié)構(gòu)的方法。特別是涉及一種基于噴墨打印技術(shù)的在微圓周上加工微結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前在平面基底(如玻璃、硅片、PDMS)上加工的微納結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)和光學(xué)檢測(cè)等領(lǐng)域。在平面基底上加工微納結(jié)構(gòu)主要采用的方法有絲網(wǎng)印刷技術(shù)、轉(zhuǎn)印技術(shù)、光刻技術(shù)和放電加工技術(shù)等，這些工藝比較成熟，能夠在平面基底上加工出任意圖形化的微納結(jié)構(gòu)。
[0003]近年來(lái)，在微型圓周面上加工微結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備小型化的需求正不斷增長(zhǎng)，作為新興領(lǐng)域，其有著廣泛的應(yīng)用前景。例如，在植入式測(cè)量領(lǐng)域，往往需要在能夠植入的微小探針上加工微電極或表面修飾，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)人體內(nèi)環(huán)境中的組分檢測(cè)；為提高光纖表面等離子共振傳感器的測(cè)量分辨率，需要在光纖圓周面上進(jìn)行金納米顆粒修飾；為實(shí)現(xiàn)當(dāng)前電磁設(shè)備的小型化，需要利用更小的微結(jié)構(gòu)來(lái)替代現(xiàn)有體積較大的導(dǎo)線去激發(fā)磁場(chǎng)。
[0004]上述傳統(tǒng)工藝只局限在平面基底上加工微結(jié)構(gòu)，然而，在圓周基底、尤其是在微型圓周基底上(例如直徑在微米級(jí)的光纖)加工微結(jié)構(gòu)仍然是個(gè)巨大挑戰(zhàn)。當(dāng)前在微圓周面上加工金屬微結(jié)構(gòu)可以采用的是靜電吸附和真空蒸鍍兩種方法，靜電吸附是利用化學(xué)方法在微型圓周面上綁定聚合物，然后將進(jìn)行過(guò)表面修飾的微圓周面浸入金屬納米顆粒的溶液中，利用聚合物和金屬的共價(jià)鍵作用，將金屬納米顆粒吸附在其表面；真空蒸鍍技術(shù)采用物理的方法，在真空室中將金屬單質(zhì)加熱至升華然后沉積在微型圓周表面，但是這兩種方法都無(wú)法控制微結(jié)構(gòu)在微型圓周面上的分布，無(wú)法滿足在微圓周面上進(jìn)行結(jié)構(gòu)圖形化的需求。
[0005]噴墨打印技術(shù)作為一種近年來(lái)逐漸興起的加工技術(shù)，提供了一種在微圓周面上加工任意形狀和分布的微結(jié)構(gòu)的新選擇。噴墨打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了只在指定區(qū)域沉積噴墨材料，無(wú)需掩膜，不需要大型真空設(shè)備，其自動(dòng)化程度高，加工過(guò)程高效、省時(shí)，是一種在微型圓周面上加工微結(jié)構(gòu)的理想方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)在微型圓周基底上加工任意形狀和分布的微結(jié)構(gòu)的基于噴墨打印技術(shù)的在微圓周上加工微結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)及方法。
[0007]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種基于噴墨打印技術(shù)的在微圓周上加工微結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，包括有:
[0008]三維微動(dòng)臺(tái)，有一個(gè)能夠在Y向上移動(dòng)的導(dǎo)軌，位于導(dǎo)軌上方能夠在X、Z向上移動(dòng)的用于固定進(jìn)行微結(jié)構(gòu)加工的噴頭的懸梁；
[0009]轉(zhuǎn)臺(tái)，設(shè)置在所述導(dǎo)軌的一端，通過(guò)導(dǎo)線連接控制單元，用于固定微圓周基底并能夠在控制單元的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)微圓周基底進(jìn)行正反向旋轉(zhuǎn)；
[0010]氣動(dòng)單元，通過(guò)氣管連接用于向所述的噴頭提供墨水的儲(chǔ)液管，用于調(diào)節(jié)噴印時(shí)噴頭處的氣壓，避免液滴在重力作用下從噴頭流出；
[0011]電驅(qū)動(dòng)單元，通過(guò)導(dǎo)線連接控制單元，用于在控制單元的控制下向噴頭輸出具有設(shè)定大小和周期的電壓，控制噴頭噴墨；
[0012]監(jiān)測(cè)單元，通過(guò)導(dǎo)線連接控制單元，有設(shè)置在導(dǎo)軌上的一個(gè)攝像頭和設(shè)置在懸梁上的一個(gè)攝像頭，用于調(diào)試噴頭時(shí)實(shí)時(shí)觀察液滴的噴射狀態(tài)以及噴射完成后液滴在微圓周基底上的分布情況。
[0013]所述的噴頭是壓電晶體噴頭。
[0014]所述的轉(zhuǎn)臺(tái)是通過(guò)一個(gè)八腳筒夾頭固定微圓周基底。
[0015]還設(shè)置有用于實(shí)現(xiàn)對(duì)微圓周基底進(jìn)行原位加熱的微型加熱器，所述微型加熱器包括有通過(guò)導(dǎo)線連接電源的導(dǎo)熱塊和設(shè)置在所述導(dǎo)熱塊上的用于向控制單元反饋加熱溫度的熱電偶，所述的導(dǎo)熱塊通過(guò)支架設(shè)置在所述導(dǎo)軌上。
[0016]一種用于基于噴墨打印技術(shù)的在微圓周上加工微結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)的方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0017]I)首先是準(zhǔn)備微圓周基底；
[0018]2)將微圓周基底插入到八腳筒夾頭上，再將八腳筒夾頭插入到構(gòu)成轉(zhuǎn)臺(tái)的基座上，并通過(guò)構(gòu)成轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)臺(tái)的螺帽進(jìn)行固定；
[0019]3)控制導(dǎo)軌向噴頭方向進(jìn)給，同時(shí)控制懸梁帶動(dòng)噴頭在X向上平動(dòng)至微圓周基底軸線正上方；
[0020]4)控制喂■頭在Z向從最尚點(diǎn)不斷下降至微圓周基底的弧面最尚點(diǎn)上方I?2mm處，然后保持噴頭X、Z軸靜止；
[0021]5)控制轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)、導(dǎo)軌沿Y軸進(jìn)給以及噴頭噴墨同步進(jìn)行。
[0022]步驟5)中，通過(guò)熱電偶監(jiān)測(cè)導(dǎo)熱塊的溫度，當(dāng)導(dǎo)熱塊的溫度大于180?220°C或小于180?220°C時(shí)，調(diào)整導(dǎo)熱塊的供電電壓，使導(dǎo)熱塊溫度保持在180?220°C。
[0023]本發(fā)明的基于噴墨打印技術(shù)的在微圓周上加工微結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)及方法，采用了集成八腳筒夾頭的高精度轉(zhuǎn)臺(tái)保證了圓周形基底的高同軸旋轉(zhuǎn)，避免了基底在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的擺動(dòng)偏軸問(wèn)題，然后將噴頭隨微動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)、轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)以及噴頭噴墨同步進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了圓周面上任意形狀的加工，最后利用微型加熱器避免了液滴在重力和離心力雙重作用下沿圓周表面流動(dòng)的問(wèn)題。相比于傳統(tǒng)在微型圓周基底上加工微結(jié)構(gòu)的方法，本發(fā)明高效簡(jiǎn)捷，自動(dòng)化程度高，尤其可以控制微型圓周基底上微結(jié)構(gòu)的分布和圖形化。具有如下特點(diǎn):
[0024]1.本發(fā)明中的微型圓周基底上微結(jié)構(gòu)的加工采用噴墨打印技術(shù)，與其他工藝相比，加工過(guò)程無(wú)需額外工具，流程簡(jiǎn)單直接。
[0025]2.本發(fā)明搭建了一套集成三維微動(dòng)臺(tái)的噴墨打印系統(tǒng)，在系統(tǒng)中引入了同軸度較高的轉(zhuǎn)臺(tái)，將轉(zhuǎn)臺(tái)固定在三維微動(dòng)臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)臺(tái)在微動(dòng)臺(tái)上的平動(dòng)。
[0026]3.本發(fā)明在轉(zhuǎn)臺(tái)前端集成了八腳筒夾頭，用于夾持圓柱形基底，并保證了圓柱形基底隨轉(zhuǎn)臺(tái)的高度同軸旋轉(zhuǎn)，有效地克服了微型圓周基底在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中由于傳統(tǒng)三腳夾持系統(tǒng)誤差而擺動(dòng)的非同軸旋轉(zhuǎn)問(wèn)題(圖3)，為在微型圓周基底上加工質(zhì)量較高的微結(jié)構(gòu)提供了可能。
[0027]4.本發(fā)明中利用噴墨系統(tǒng)的控制軟件控制噴嘴噴墨以及轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了在微型圓周基底上加工任意形狀和分布的微結(jié)構(gòu)。
[0028]5.本發(fā)明中采用了一種微型加熱器，以此克服噴印過(guò)程中液滴在圓周面上的流動(dòng)冋題。
[0029]6.本發(fā)明中采用的噴墨打印技術(shù)對(duì)噴墨材料無(wú)限制，可以在微型圓周面上加工如金屬、非金屬等任意材料的圖形。
【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1是在光纖上加工線圈的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖2是圓周形基底轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中非同軸轉(zhuǎn)動(dòng)問(wèn)題示意圖；
[0032]圖3是本發(fā)明基于噴墨打印技術(shù)的在微圓周上加工微結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖4是本發(fā)明所采用的高度同軸夾持結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖5是本發(fā)明所采用的圓周基底下方微型加熱器示意圖。
[0035]1:導(dǎo)軌2:懸梁
[0036]3:噴頭4:轉(zhuǎn)臺(tái)
[0037]5:微圓周基底6:氣動(dòng)單元
[0038]7:電驅(qū)動(dòng)單元8:八腳筒夾頭
[0039]9:導(dǎo)熱塊10:導(dǎo)線
[0040]11:熱電偶12:支架
【具體實(shí)施方式】
[0041]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的基于噴墨打印技術(shù)的在微圓周上加工微結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)及方法做出詳細(xì)說(shuō)明。
[0042]本發(fā)明的基于噴墨打印技術(shù)的在微圓周上加工微結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)及方法，采用的是一種能夠噴射金納米顆粒溶液的噴墨打印機(jī)，噴嘴被固定在一個(gè)三軸定位平臺(tái)上，可以實(shí)現(xiàn)水平橫動(dòng)和豎直升降，圓周形基底八腳筒夾頭夾持固定在一個(gè)高精度轉(zhuǎn)臺(tái)上，可以隨轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，通過(guò)上位機(jī)軟件控制噴嘴和轉(zhuǎn)臺(tái)的同步運(yùn)動(dòng)，由噴嘴噴出的金納米顆粒液滴便能夠在圓周基底上加工任意形狀和分布的金屬微結(jié)構(gòu)，圓周基底下方的加熱器溫度可以調(diào)節(jié)，以此來(lái)控制液滴在下落過(guò)程中的蒸發(fā)速率，得到不同大小的液滴。由于系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)計(jì)的圖像文件進(jìn)行噴印，所以只在需要的地方沉積金納米顆粒，無(wú)需掩膜，加工過(guò)程高效簡(jiǎn)捷。
[0043]如圖2所示，本發(fā)明的基于噴墨打印技術(shù)的在微圓周上加工微結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，包括有:
[0044]三維微動(dòng)臺(tái)，有一個(gè)能夠在Y向上移動(dòng)的導(dǎo)軌1，位于導(dǎo)軌I上方能夠在X、Z向上移動(dòng)的用于固定進(jìn)行微結(jié)構(gòu)加工的噴頭3的懸梁2 ;
[0045]轉(zhuǎn)臺(tái)4，設(shè)置在所述導(dǎo)軌I的一端，通過(guò)導(dǎo)線連接控制單元，用于固定微圓周基底5并能夠在