一種基于表面張力自洽的微通道制造裝置的制造方法

文檔序號:10926627
一種基于表面張力自洽的微通道制造裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于表面張力自洽的微通道制造裝置,包括用于盛裝Ga?In液態合金的缸體、設置在缸體上方的用于噴射金屬粉末的聚焦裝置和控制系統;缸體內設有一可在缸體內升降的支撐平臺;在缸體內的Ga?In液態合金的液面上方設有感應加熱工位;聚焦裝置固定在移動平臺上,并由移動平臺帶動其在二維作平面運動;控制系統,用于控制支撐平臺按照預設升降速度作上升或下降運動和控制移動平臺按照預設運動軌跡在二維平面內運動。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。通過控制系統設置所需運動軌跡,即微通道的截面形狀、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。
【專利說明】
一種基于表面張力自洽的微通道制造裝置
技術領域
[0001]本實用新型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裝置。
【背景技術】
[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?;瘜W腐蝕法腐蝕速度較快,但是腐蝕液對環境有很大的危害性。電化學腐蝕法對環境的污染較小,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技術能夠制造出高寬比很大且結構側壁光滑的微通道。
[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十微米到數百微米之間,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:
[0012][I].張高朋,田桂中,曹偉龍.微流體系統中微通道制作工藝的研究進展[J].微納電子技術,2013,08:512-517+527.
[0013][2].顧理,孫會來,于楷,趙方方.飛秒激光微加工的研究進展[J].激光與紅外,2013,01:14-18.
[0014][3].羅怡,王曉東,劉沖,王立鼎.一種新型微流控芯片金屬熱壓模具的制作工藝研究[J].中國機械工程,2005,17:1505-1507.
[0015][4].Chen Z,Gao Y,Lin J,et al.Vacuum-assisted thermal bonding ofplastic capillary electrophoresis microchip imprinted with stainless steeltemplate[J].Journal of Chromatography A,2004,1038(I):239-245.
[0016][5].Niggemann M,Ehrfeld ff, Weber L.Fabricat1n of miniaturizedb1technical devices[C]//Micromachining and Microfabricat1n.1nternat1nalSociety for Optics and Photonics,1998:204-213.
[0017][6].Fujimura T1Etoh S,Ikeda A,et al.Mass-product1n fabricat1n ofminiaturized plastic chip devices for b1chemical applicat 1ns[C]//Microelectronics,MEMS,and Nanotechnology.1nternat1nal Society for Optics andPhotonics,2004:392-399..

【發明內容】

[0018]本實用新型的目的在于克服上述現有技術的缺點和不足,提供一種基于表面張力自洽的微通道制造裝置,解決現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問題。
[0019]本實用新型通過下述技術方案實現:
[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;
[0021 ]缸體6內設有一可在缸體6內升降的支撐平臺4;在缸體6內的Ga-1n液態合金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,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通道,用于在加工微通道時,對Ga-1n液態合金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的底部并與驅動機構連接,控制系統控制驅動機構并帶動抽拉桿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液態合金5的液面,下部則浸沒在Ga-1n液態合金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、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的協同加熱作用,待加工的微通道8頂部始終保持熔融狀態,形成熔融區域9,而熔融區域9以下則被Ga-1n液態合金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的結構體,直至微通道8的結構體完全成型,從而獲得所需形狀結構的微通道。
[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,形成熔融區域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運動,但仍然持續噴射金屬粉末。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,此時僅向該熔融區域9中的任意一個點位噴出金屬粉末,在金屬熔液內部的馬蘭戈尼效應下,使其質量自動重新分配。
[0034]本實用新型相對于現有技術,具有如下的優點及效果:
[0035]本實用新型在制造過程中,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]本實用新型通過改變聚焦裝置中各隔板通孔的孔徑或增加隔板的數量,即可方便地調節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,大到數百微米,小到幾個納米。
[0037]本實用新型在制造的過程中,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]本實用新型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]本實用新型技術手段簡便易行,且用到的原料如冷卻水循環通道的水、Ga-1n合金等都可循環利用,不僅取材容易,而且環保經濟。
【附圖說明】
[0040]圖1為本實用新型基于表面張力自洽的微通道制造裝置結構示意圖。
[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液態合金下的微通道結構體逐漸成型。
[0042]圖3為聚焦裝置內部結構示意圖。
[0043]圖4為金屬粉末12隨著氣流13經過聚焦裝置中的通孔進入下一個腔室時的動態聚焦原理示意;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,并且金屬粉末的慣性較大,因此金屬粉末將保持在軸線附近。在多級孔徑逐漸縮小的通孔聚焦作用下,最后從出口流出的金屬粉末將被聚焦成束狀。
[0044]圖5為舉例在加工圓形結構微通道時的工作狀態示意圖;圖中,聚焦裝置定位在A點噴出金屬粉末,由于熔體內部的馬蘭戈尼流14,質量可以實現自動重新分配。
【具體實施方式】
[0045]下面結合具體實施例對本實用新型作進一步具體詳細描述。
[0046]實施例
[0047]如圖1至5所示。本實用新型公開了一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液態合金5(常溫為液體)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(圖中未示出);
[0048]缸體6內設有一可在缸體6內升降的支撐平臺4;在缸體6內的Ga-1n液態合金5的液面上方設有感應加熱工位3 ;
[0049]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(XZ)作平面運動;移動平臺I的運動可通過本領域技術人員熟知的絲桿機構或精密齒輪機構帶動。
[0050]控制系統,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(xz)平面內運動??刂埔苿悠脚_I的預設運動軌跡,根據待加工的微通道的截面形狀及尺寸等決定;如果要加工圓柱形微通道,則移動平臺I帶動聚焦裝置2按照圓形軌跡移動(如圖5所示)。
[0051]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。
[0052]所述缸體6的外壁設有冷卻水循環通道,用于在加工微通道時,對Ga-1n液態合金5進行冷卻。
[0053]所述支撐平臺4可采用高溫耐熱材料,其熔點應當大于金屬粉末的熔點。
[0054]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的底部并與驅動機構連接,控制系統控制驅動機構并帶動抽拉桿7上升或下降,進而使支撐平臺4在缸體6內作直線上升或直線下降運動。抽拉桿7的運動也可通過本領域技術人員熟知的絲桿機構或精密齒輪機構帶動。
[0055]本實用新型基于表面張力自洽的微通道制造方法,可通過如下步驟實現:
[0056]初始時刻,支撐平臺4的上部露出Ga-1n液態合金5的液面,下部則浸沒在Ga-1n液態合金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;
[0057]先通過控制系統預先設定移動平臺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、由出口 11 (噴嘴)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,繼續噴落在金屬熔液上的金屬粉末被熔融;完成移動平臺I的初始運動軌跡;
[0058]接著,控制系統控制支撐平臺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的協同加熱作用,待加工的微通道8頂部(在Ga-1n液態合金5的液面上)始終保持熔融狀態,形成熔融區域9,而熔融區域9以下則被Ga-1n液態合金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的結構體,直至微通道8的結構體完全成型,從而獲得所需形狀結構的微通道。Ga-1n液態合金5常溫為液體,導熱系數極大,可以很快地帶走由熔融區域9傳遞到微通道8下部的熱量,對微通道8起冷卻的作用。而傳遞到Ga-1n 液態合金 5 中的熱量則由冷卻水循環通道的冷卻循環水帶走。
[0059]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(大小可調的高速)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。
[0060]待加工的微通道8頂部始終保持熔融狀態,形成熔融區域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運動,但仍然持續噴射金屬粉末。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,此時僅向該熔融區域9中的任意一個點位噴出金屬粉末,在金屬熔液內部的馬蘭戈尼效應下,使其質量自動重新分配。
[0061 ]如上所述,便可較好地實現本實用新型。
[0062]本實用新型的實施方式并不受上述實施例的限制,其他任何未背離本實用新型的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化,均應為等效的置換方式,都包含在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種基于表面張力自洽的微通道制造裝置,其特征在于:包括用于盛裝Ga-1n液態合金(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;缸體(6)內設有一可在缸體(6)內升降的支撐平臺(4);在缸體(6)內的Ga-1n液態合金(5)的液面上方設有感應加熱工位(3); 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; 控制系統,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運動。2.根據權利要求1所述基于表面張力自洽的微通道制造裝置,其特征在于: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)。3.根據權利要求2所述基于表面張力自洽的微通道制造裝置,其特征在于:各通孔(23)的孔徑由進口( 1)端至出口( 11)端依次逐漸縮小。4.根據權利要求1所述基于表面張力自洽的微通道制造裝置,其特征在于:所述缸體(6)的外壁設有冷卻水循環通道,用于在加工微通道時,對Ga-1n液態合金(5)進行冷卻。5.根據權利要求1至4中任一項所述基于表面張力自洽的微通道制造裝置,其特征在于:所述支撐平臺(4)的熔點大于金屬粉末的熔點。6.根據權利要求5所述基于表面張力自洽的微通道制造裝置,其特征在于: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)的底部并與驅動機構連接,控制系統控制驅動機構并帶動抽拉桿(7)上升或下降,進而使支撐平臺(4)在缸體(6)內作直線上升或直線下降運動。
【文檔編號】B22F5/10GK205614060SQ201620276986
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年4月5日
【發明人】黃延祿, 黃權東
【申請人】華南理工大學
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