CN104842653A - 基于喷墨打印技术的在微圆周上加工微结构的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于喷墨打印技术的在微圆周上加工微结构的系统及方法，包括有：由导轨和位于导轨上方的用于固定进行微结构加工的喷头的悬梁构成的三维微动台；设置在导轨一端的转台；通过气管连接用于向喷头提供墨水的储液管的气动单元；用于在控制单元的控制下向喷头输出具有设定大小和周期的电压控制喷头喷墨的电驱动单元；由设置在导轨上的一个摄像头和设置在悬梁上的一个摄像头构成的监测单元。本发明避免了基底在转动过程中出现的摆动偏轴问题，实现了圆周面上任意形状的加工，最后利用微型加热器避免了液滴在重力和离心力双重作用下沿圆周表面流动的问题。本发明高效简捷，自动化程度高，尤其可以控制微型圆周基底上微结构的分布和图形化。
Description
技术领域
本发明涉及一种加工微结构的方法。特别是涉及一种基于喷墨打印技术的在微圆周上加工微结构的系统及方法。
背景技术
当前在平面基底(如玻璃、硅片、PDMS)上加工的微纳结构已经被广泛应用于生命科学和光学检测等领域。在平面基底上加工微纳结构主要采用的方法有丝网印刷技术、转印技术、光刻技术和放电加工技术等，这些工艺比较成熟，能够在平面基底上加工出任意图形化的微纳结构。
近年来，在微型圆周面上加工微结构来实现设备小型化的需求正不断增长，作为新兴领域，其有着广泛的应用前景。例如，在植入式测量领域，往往需要在能够植入的微小探针上加工微电极或表面修饰，以此来实现人体内环境中的组分检测；为提高光纤表面等离子共振传感器的测量分辨率，需要在光纤圆周面上进行金纳米颗粒修饰；为实现当前电磁设备的小型化，需要利用更小的微结构来替代现有体积较大的导线去激发磁场。
上述传统工艺只局限在平面基底上加工微结构，然而，在圆周基底、尤其是在微型圆周基底上(例如直径在微米级的光纤)加工微结构仍然是个巨大挑战。当前在微圆周面上加工金属微结构可以采用的是静电吸附和真空蒸镀两种方法，静电吸附是利用化学方法在微型圆周面上绑定聚合物，然后将进行过表面修饰的微圆周面浸入金属纳米颗粒的溶液中，利用聚合物和金属的共价键作用，将金属纳米颗粒吸附在其表面；真空蒸镀技术采用物理的方法，在真空室中将金属单质加热至升华然后沉积在微型圆周表面，但是这两种方法都无法控制微结构在微型圆周面上的分布，无法满足在微圆周面上进行结构图形化的需求。
喷墨打印技术作为一种近年来逐渐兴起的加工技术，提供了一种在微圆周面上加工任意形状和分布的微结构的新选择。喷墨打印技术实现了只在指定区域沉积喷墨材料，无需掩膜，不需要大型真空设备，其自动化程度高，加工过程高效、省时，是一种在微型圆周面上加工微结构的理想方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够实现在微型圆周基底上加工任意形状和分布的微结构的基于喷墨打印技术的在微圆周上加工微结构的系统及方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于喷墨打印技术的在微圆周上加工微结构的系统，包括有：
三维微动台，有一个能够在Y向上移动的导轨，位于导轨上方能够在X、Z向上移动的用于固定进行微结构加工的喷头的悬梁；
转台，设置在所述导轨的一端，通过导线连接控制单元，用于固定微圆周基底并能够在控制单元的驱动下带动微圆周基底进行正反向旋转；
气动单元，通过气管连接用于向所述的喷头提供墨水的储液管，用于调节喷印时喷头处的气压，避免液滴在重力作用下从喷头流出；
电驱动单元，通过导线连接控制单元，用于在控制单元的控制下向喷头输出具有设定大小和周期的电压，控制喷头喷墨；
监测单元，通过导线连接控制单元，有设置在导轨上的一个摄像头和设置在悬梁上的一个摄像头，用于调试喷头时实时观察液滴的喷射状态以及喷射完成后液滴在微圆周基底上的分布情况。
所述的喷头是压电晶体喷头。
所述的转台是通过一个八脚筒夹头固定微圆周基底。
还设置有用于实现对微圆周基底进行原位加热的微型加热器，所述微型加热器包括有通过导线连接电源的导热块和设置在所述导热块上的用于向控制单元反馈加热温度的热电偶，所述的导热块通过支架设置在所述导轨上。
一种用于基于喷墨打印技术的在微圆周上加工微结构的系统的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)首先是准备微圆周基底；
2)将微圆周基底插入到八脚筒夹头上，再将八脚筒夹头插入到构成转台的基座上，并通过构成转台的转台的螺帽进行固定；
3)控制导轨向喷头方向进给，同时控制悬梁带动喷头在X向上平动至微圆周基底轴线正上方；
4)控制喷头在Z向从最高点不断下降至微圆周基底的弧面最高点上方1～2mm处，然后保持喷头X、Z轴静止；
5)控制转台转动、导轨沿Y轴进给以及喷头喷墨同步进行。
步骤5)中，通过热电偶监测导热块的温度，当导热块的温度大于180～220℃或小于180～220℃时，调整导热块的供电电压，使导热块温度保持在180～220℃。
本发明的基于喷墨打印技术的在微圆周上加工微结构的系统及方法，采用了集成八脚筒夹头的高精度转台保证了圆周形基底的高同轴旋转，避免了基底在转动过程中出现的摆动偏轴问题，然后将喷头随微动台的移动、转台旋转以及喷头喷墨同步进行，实现了圆周面上任意形状的加工，最后利用微型加热器避免了液滴在重力和离心力双重作用下沿圆周表面流动的问题。相比于传统在微型圆周基底上加工微结构的方法，本发明高效简捷，自动化程度高，尤其可以控制微型圆周基底上微结构的分布和图形化。具有如下特点：
1.本发明中的微型圆周基底上微结构的加工采用喷墨打印技术，与其他工艺相比，加工过程无需额外工具，流程简单直接。
2.本发明搭建了一套集成三维微动台的喷墨打印系统，在系统中引入了同轴度较高的转台，将转台固定在三维微动台上，实现了转台在微动台上的平动。
3.本发明在转台前端集成了八脚筒夹头，用于夹持圆柱形基底，并保证了圆柱形基底随转台的高度同轴旋转，有效地克服了微型圆周基底在旋转过程中由于传统三脚夹持系统误差而摆动的非同轴旋转问题(图3)，为在微型圆周基底上加工质量较高的微结构提供了可能。
4.本发明中利用喷墨系统的控制软件控制喷嘴喷墨以及转台转动同时进行，实现了在微型圆周基底上加工任意形状和分布的微结构。
5.本发明中采用了一种微型加热器，以此克服喷印过程中液滴在圆周面上的流动问题。
6.本发明中采用的喷墨打印技术对喷墨材料无限制，可以在微型圆周面上加工如金属、非金属等任意材料的图形。
附图说明
图1是在光纤上加工线圈的结构示意图；
图2是圆周形基底转动过程中非同轴转动问题示意图；
图3是本发明基于喷墨打印技术的在微圆周上加工微结构的系统结构示意图；
图4是本发明所采用的高度同轴夹持结构示意图；
图5是本发明所采用的圆周基底下方微型加热器示意图。
1：导轨 2：悬梁
3：喷头 4：转台
5：微圆周基底 6：气动单元
7：电驱动单元 8：八脚筒夹头
9：导热块 10：导线
11：热电偶 12：支架
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的基于喷墨打印技术的在微圆周上加工微结构的系统及方法做出详细说明。
本发明的基于喷墨打印技术的在微圆周上加工微结构的系统及方法，采用的是一种能够喷射金纳米颗粒溶液的喷墨打印机，喷嘴被固定在一个三轴定位平台上，可以实现水平横动和竖直升降，圆周形基底八脚筒夹头夹持固定在一个高精度转台上，可以随转台进行旋转，通过上位机软件控制喷嘴和转台的同步运动，由喷嘴喷出的金纳米颗粒液滴便能够在圆周基底上加工任意形状和分布的金属微结构，圆周基底下方的加热器温度可以调节，以此来控制液滴在下落过程中的蒸发速率，得到不同大小的液滴。由于系统按照预先设计的图像文件进行喷印，所以只在需要的地方沉积金纳米颗粒，无需掩膜，加工过程高效简捷。
如图2所示，本发明的基于喷墨打印技术的在微圆周上加工微结构的系统，包括有：
三维微动台，有一个能够在Y向上移动的导轨1，位于导轨1上方能够在X、Z向上移动的用于固定进行微结构加工的喷头3的悬梁2；
转台4，设置在所述导轨1的一端，通过导线连接控制单元，用于固定微圆周基底5并能够在控制单元的驱动下带动微圆周基底5进行正反向旋转；转台4带动微圆周基底5随导轨1在Y向上移动。
气动单元6，通过气管连接用于向所述的喷头3提供墨水的储液管，用于调节喷印时喷头3处的气压，避免液滴在重力作用下从喷头3流出；气动单元6可以选择型号为MicroFabCT-PT-4的装置。
电驱动单元7，通过导线连接控制单元，用于在控制单元的控制下向喷头3输出具有设定大小和周期的电压，控制喷头3喷墨；电驱动单元7可以选择型号为MicroFab JetDrive III的装置。
监测单元，通过导线连接控制单元，是设置在导轨1上的一个摄像头和设置在悬梁2上的一个摄像头，用于调试喷头时实时观察液滴的喷射状态以及喷射完成后液滴在微圆周基底5上的分布情况。
所述的控制单元可以选择计算机等。
所述的喷头3是压电晶体喷头，可以选择型号为MicroFab MJ-AT-01的喷头。喷头3会在电压作用下产生形变将存储在喷头内部的墨水喷出，喷头3安装在悬梁2上，可随悬梁2在X向平动，也可随悬梁2在Z向升降。
所述的转台4可以选择型号为Aerotech ACS-150LP的转台，转台4是通过一个八脚筒夹头8固定微圆周基底5，八脚筒夹头8的半径可以根据微圆周基底5的半径进行调节。转台4的行程和转速均由控制单元进行设定并控制。
如图4所示，将微圆周基底5插入到八脚筒夹头8上，再将八脚筒夹头8插入到构成转台4的基座41上，并通过构成转台4的螺帽42进行固定。螺帽42在旋紧过程中会使八脚筒夹头8的八个分支向中心方向对称挤压，以便夹持微圆周基底5，八脚筒夹头8可以选择型号为ER25的筒夹头，其精度更高，保证了微圆周基底5和转台4的高度同轴转动，避免了微圆周基底5在旋转过程中摆动的问题。
还设置有用于实现对微圆周基底5进行原位加热的微型加热器，如图5所示，所述微型加热器包括有通过导线10连接电源的导热块9和设置在所述导热块9上的用于向控制单元反馈加热温度的热电偶11，所述的导热块9通过支架12设置在所述导轨1上。
本发明的用于基于喷墨打印技术的在微圆周上加工微结构的系统的方法，包括如下步骤：
1)首先是准备微圆周基底，如选择一根纤芯直径为600微米的多模光纤中间一段长为10-20mm的包层剥离，将剥离包层的光纤浸入酒精中利用超声进行清洗，然后将清洗过的光纤利用空气流吹干；
2)将微圆周基底(如光纤)插入到八脚筒夹头上，再将八脚筒夹头插入到构成转台的基座上，并通过构成转台的转台的螺帽进行固定；
3)控制导轨向喷头方向进给，同时控制悬梁带动喷头在X向上平动至微圆周基底轴线正上方；
4)控制喷头在Z向从最高点不断下降至微圆周基底的弧面最高点上方1～2mm处，喷头下降行程取决于圆周形基底的半径，然后保持喷头X、Z轴静止；
5)控制转台转动、导轨沿Y轴进给以及喷头喷墨同步进行。
在步骤5)进行的过程中，通过热电偶监测导热块的温度，当导热块的温度大于180～220℃或小于180～220℃时，调整导热块的供电电压，使导热块温度保持在180～220℃。
采用本发明的方法加工出的光纤产品如图1所示。
本发明的基于喷墨打印技术的在微圆周上加工微结构的系统及方法，采用了独特的旋转同步喷印方法，很好地克服了在圆周基底、尤其是微型圆周基底上进行微结构图形化的技术难题，本发明采用了一种集成八脚筒夹头的高精度转台，很好地解决了微型圆周基底在转动过程中出现的偏离轴心方向的摆动问题，同时在喷印时采用了微型加热器有效避免了液滴在圆周表面流动的问题。相比于传统在微型圆周基底上加工金属微结构的方法，本发明原理简单，可操作性强，微结构的分布和图形化可控，连续性好，适合应用于加工各种微型光学探针和植入式微传感器。
本发明公开和揭示的所有组合可以通过借鉴本文公开内容产生，尽管本发明的组合已通过详细实施过程进行了描述，但是本领域技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的装置进行拼接或改动，或增减某些部件，更具体地说，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容之中。
Claims (6)
1.一种基于喷墨打印技术的在微圆周上加工微结构的系统，其特征在于，包括有：
三维微动台，有一个能够在Y向上移动的导轨(1)，位于导轨(1)上方能够在X、Z向上移动的用于固定进行微结构加工的喷头(3)的悬梁(2)；
转台(4)，设置在所述导轨(1)的一端，通过导线连接控制单元，用于固定微圆周基底(5)并能够在控制单元的驱动下带动微圆周基底(5)进行正反向旋转；
气动单元(6)，通过气管连接用于向所述的喷头(3)提供墨水的储液管，用于调节喷印时喷头(3)处的气压，避免液滴在重力作用下从喷头(3)流出；
电驱动单元(7)，通过导线连接控制单元，用于在控制单元的控制下向喷头(3)输出具有设定大小和周期的电压，控制喷头(3)喷墨；
监测单元，通过导线连接控制单元，有设置在导轨(1)上的一个摄像头和设置在悬梁(2)上的一个摄像头，用于调试喷头时实时观察液滴的喷射状态以及喷射完成后液滴在微圆周基底(5)上的分布情况。
2.根据权利要求1所述的基于喷墨打印技术的在微圆周上加工微结构的系统，其特征在于，所述的喷头(3)是压电晶体喷头。
3.根据权利要求1所述的基于喷墨打印技术的在微圆周上加工微结构的系统，其特征在于，所述的转台(4)是通过一个八脚筒夹头(8)固定微圆周基底(5)。
4.根据权利要求1所述的基于喷墨打印技术的在微圆周上加工微结构的系统，其特征在于，还设置有用于实现对微圆周基底(5)进行原位加热的微型加热器，所述微型加热器包括有通过导线(10)连接电源的导热块(9)和设置在所述导热块(9)上的用于向控制单元反馈加热温度的热电偶(11)，所述的导热块(9)通过支架(12)设置在所述导轨(1)上。
5.一种用于权利要求1－4所述的基于喷墨打印技术的在微圆周上加工微结构的系统的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)首先是准备微圆周基底；
2)将微圆周基底插入到八脚筒夹头上，再将八脚筒夹头插入到构成转台的基座上，并通过构成转台的转台的螺帽进行固定；
3)控制导轨向喷头方向进给，同时控制悬梁带动喷头在X向上平动至微圆周基底轴线正上方；
4)控制喷头在Z向从最高点不断下降至微圆周基底的弧面最高点上方1～2mm处，然后保持喷头X、Z轴静止；
5)控制转台转动、导轨沿Y轴进给以及喷头喷墨同步进行。
6.根据权利要求5所述的用于所述的基于喷墨打印技术的在微圆周上加工微结构的系统的方法，其特征在于，步骤5)中，通过热电偶监测导热块的温度，当导热块的温度大于180～220℃或小于180～220℃时，调整导热块的供电电压，使导热块温度保持在180～220℃。
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