一種基于表面張力自洽的微通道制造方法及其裝置的制造方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及微通道制造制備領域，尤其涉及一種基于表面張力自洽的微通道制造方法及其裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]微通道制造的方法有很多，如光刻加工法、熔融拉制法、軟化拉制法、飛秒激光加工法、注塑法、熱壓法、金屬腐蝕法、LIGA法和1^-1^6々法[1—3]。其中，光刻加工法較多用于硅微通道制造;熔融拉制法、軟化拉制法和飛秒激光加工法多用于玻璃微通道的制造;注塑法和熱壓法常用于聚合物微通道的制造。金屬微通道的制造常用金屬腐蝕法、LIGA法和UV-LIGA 法。
[0003]金屬腐蝕法[4]就是先在基板上使用保護膜保護不需腐蝕的部位，然后用化學或電化學方式腐蝕掉不需要的部位的一種加工方法。化學腐蝕法腐蝕速度較快，但是腐蝕液對環(huán)境有很大的危害性。電化學腐蝕法對環(huán)境的污染較小，但是蝕刻深度不易控制。
[0004]1^6六法[5]是一種基于X射線光刻的加工方法，其工藝步驟主要包括X射線深度同步輻射光刻、電鑄和剝模。電鑄的基本原理是以按所需形狀制成的原模作為陰極，用電鑄材料作為陽極，一起放進與陽極材料相同的金屬鹽溶液中。通電后，原模表面逐漸沉積出金屬電鑄層。當電鑄層達到所需厚度后，從溶液中取出，并將電鑄層與原模分離，即可獲得與原模形狀相對應的復制件。
[0005]群-1^64法[6]與LIGA法的工藝步驟一致，主要的區(qū)別在于光刻時采用的光源不同。UV-LIGA法在光刻時采用近紫外光，與LIGA法相比，大大降低了加工成本。然而，X射線的平行度非常高、輻射強度強，使LIGA技術(shù)能夠制造出高寬比很大且結(jié)構(gòu)側(cè)壁光滑的微通道。
[0006]然而它們普遍存在的缺點如下:
[0007]金屬腐蝕法使用化學腐蝕液時會對環(huán)境造成危害。金屬腐蝕法難以控制腐蝕過程，無法精確控制腐蝕深度，因此得到的微通道尺寸精度較差，只適用于對尺寸要求不高的場合。并且，金屬腐蝕法常用于槽型微通道的制造，無法方便快捷地制造出任意形狀的微通道。
[0008]LIGA法是一種基于X射線光刻的加工方法，成本很高。由于加工過程采用了光刻工藝，無法制造出任意形狀的微通道，常用于制造槽型微通道。加工得到的微通道寬度在數(shù)十微米到數(shù)百微米之間，無法得到更小尺度的微通道，例如納米尺度。
[0009]UV-LIGA法與LIGA法的加工工藝一致。因此，這種加工方法同樣無法加工出任意形狀的微通道，也無法獲得更小尺度的微通道。
[0010]可見，它們大多都是在基板上加工獲得微通道，無法制造出單獨的微通道器件。
[0011]參考文獻:
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，提供一種基于表面張力自洽的微通道制造方法及其裝置，解決現(xiàn)有金屬微通道制造工藝中無法加工任意形狀微通道、無法加工納米尺度微通道以及無法得到單獨的微通道器件等技術(shù)問題。
[0019]本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn):
[0020]—種基于表面張力自洽的微通道制造裝置，包括用于盛裝Ga-1n液態(tài)合金5的缸體
6、設置在缸體6上方的用于噴射金屬粉末的聚焦裝置2和控制系統(tǒng)；
[0021 ]缸體6內(nèi)設有一可在缸體6內(nèi)升降的支撐平臺4;在缸體6內(nèi)的Ga-1n液態(tài)合金5的液面上方設有感應加熱工位3 ；
[0022]聚焦裝置2固定在移動平臺I上，并由移動平臺I帶動其在二維作平面運動；
[0023]控制系統(tǒng)，用于控制支撐平臺4按照預設升降速度作上升或下降運動和控制移動平臺I按照預設運動軌跡在二維平面內(nèi)運動。
[0024]聚焦裝置2為一個具有進口10和出口 11的管狀噴頭，在管狀噴頭內(nèi)軸向方向上依次設有通過隔板21相互間隔的多個腔室22;各隔板21上分別開設有相互同心的通孔23;各通孔23的孔徑由進口 10端至出口 11端依次逐漸縮小。
[0025]所述缸體6的外壁設有冷卻水循環(huán)通道，用于在加工微通道時，對Ga-1n液態(tài)合金5進行冷卻。
[0026]所述支撐平臺4的熔點大于金屬粉末的熔點。
[0027]所述支撐平臺4固定在一抽拉桿7上，抽拉桿7的下端伸出缸體6的底部并與驅(qū)動機構(gòu)連接，控制系統(tǒng)控制驅(qū)動機構(gòu)并帶動抽拉桿7上升或下降，進而使支撐平臺4在缸體6內(nèi)作直線上升或直線下降運動。
[0028]一種基于表面張力自洽的微通道制造方法如下:
[0029]初始時刻，支撐平臺4的上部露出Ga-1n液態(tài)合金5的液面，下部則浸沒在Ga-1n液態(tài)合金5中；先通過感應加熱工位3對支撐平臺4的上部進行加熱;此時支撐平臺4的上部溫度高于金屬粉末的熔點；
[0030]先通過控制系統(tǒng)預先設定移動平臺I的初始運動軌跡，該初始運動軌跡就是待加工的微通道的截面輪廓形狀的軌跡;然后金屬粉末通過輸送裝置由聚焦裝置2的進口 10進入其內(nèi)、由出口 11噴出，并按照移動平臺I的初始運動軌跡噴落在支撐平臺4上后，被支撐平臺4熔化成金屬熔液，形成微通道的截面形狀輪廓，與此同時，繼續(xù)噴落在金屬熔液上的金屬粉末被fe融;完成移動平臺I的初始運動軌跡；
[0031]接著，控制系統(tǒng)控制支撐平臺4按照預設的下降速度逐漸下移，而此時由于感應加熱工位3的協(xié)同加熱作用，待加工的微通道8頂部始終保持熔融狀態(tài)，形成熔融區(qū)域9，而熔融區(qū)域9以下則被Ga-1n液態(tài)合金5浸沒，并隨著支撐平臺4的逐漸下沉而逐漸被冷卻固化，并逐漸形成微通道8的結(jié)構(gòu)體，直至微通道8的結(jié)構(gòu)體完全成型，從而獲得所需形狀結(jié)構(gòu)的微通道。
[0032]在金屬粉末通過輸送裝置被送入聚焦裝置2的進口10時，氣流13攜帶金屬粉末12依次經(jīng)過各個通孔23、各個腔室22，由于通孔的孔徑逐漸依次縮小，在氣流的拖曳力以及金屬粉末自身較大慣性的作用下，金屬粉末12沿軸線通過各個通孔23、腔室22，并在多級逐次縮小的通孔23聚焦作用下，最后從出口 11流出的金屬粉末12將被聚焦成束狀。
[0033]待加工的微通道8頂部始終保持熔融狀態(tài)，形成熔融區(qū)域9后，S卩，移動平臺I帶動聚焦裝置走完一遍初始運動軌跡后停止不動或仍然按初始運動軌跡繼續(xù)運動，但仍然持續(xù)噴射金屬粉末。當移動平臺I帶動聚焦裝置走完一遍初始運動軌跡后，若停止不動，此時僅向該熔融區(qū)域9中的任意一個點位噴出金屬粉末，在金屬熔液內(nèi)部的馬蘭戈尼效應下，使其質(zhì)量自動重新分配。
[0034]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點及效果:
[0035]本發(fā)明在制造過程中，聚焦裝置由移動平臺帶動，可在二維平面精確地運動，形成各種各樣的軌跡。通過控制系統(tǒng)設置所需運動軌跡(運動軌跡就是所要得到的微通道的截面形狀、圖案等)，通過聚焦裝置就能方便快捷地加工出任意形狀的微通道。
[0036]本發(fā)明通過改變聚焦裝置中各隔板通孔的孔徑或增加隔板的數(shù)量，即可方便地調(diào)節(jié)出口金屬粉末束的直徑，從而快捷地加工出不同尺寸的微通道，大到數(shù)百微米，小到幾個納米。
[0037]本發(fā)明在制造的過程中，采用感應加熱工位(采用感應線圈)加熱和Ga-1n液態(tài)合金冷卻兩種強制換熱的方法，在微通道中形成高溫度梯度，促進晶粒在熱流反方向的生長，提高了微通道的縱向力學性能。
[0038]本發(fā)明加工出來的微通道可以作為一個獨立器件進行應用，而不必依賴基板。
[0039]本發(fā)明技術(shù)手段簡便易行，且用到的原料如冷卻水循環(huán)通道的水、Ga-1n合金等都可循環(huán)利用，不僅取材容易，而且環(huán)保經(jīng)濟。
【附圖說明】
[0040]圖1為本發(fā)明基于表面張力自洽的微通道制造裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041]圖2為微通道制造過程示意圖；圖中，隨著支撐平臺的逐漸下移，浸沒在Ga-1n液態(tài)合金下的微通道結(jié)構(gòu)體逐漸成型。
[0042]圖3為聚焦裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0043]圖4為金屬粉末12隨著氣流13經(jīng)過聚焦裝置中的通孔進入下一個腔室時的動態(tài)聚焦原理示意；圖中，金屬粉末12離開某一個通孔進入下一個腔室之后氣流擴散，但擴散的速度較小，并且金屬粉末的