本實用新型涉及快速成形技術(shù)，尤其涉及一種具有超聲能場輔助的三維微結(jié)構(gòu)快速成形裝置。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)研究對材料要求的日益提高，有復(fù)雜空間形貌的三維微結(jié)構(gòu)具有非常廣泛的研究空間與應(yīng)用價值。由于其密度低、力學(xué)性能好及結(jié)構(gòu)特殊等優(yōu)勢，采用高分子材料制造的三維微結(jié)構(gòu)在許多方面可以替代常規(guī)金屬。例如，選用陶瓷和高分子聚合物作為人體骨骼仿生材料，可以制造出類似骨松質(zhì)和骨密質(zhì)的空間微孔，在部分場合來替代常規(guī)的鈦合金骨骼。將三維多孔材料作為載體進行催化劑涂覆，能有效增加反應(yīng)面積，因而大大提高反應(yīng)速率。此外，采用生物功能材料制作的三維微結(jié)構(gòu)可以模擬細胞生長的天然環(huán)境，因此在器官芯片、藥物篩選和細胞療法等研究方面具有重要作用。

廣泛采用的制造微結(jié)構(gòu)的方法有光刻、微壓印和三維打印等。由于制造精度高和工藝成熟，光刻在微機電系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域有不可替代的作用。微壓印，也是基于光刻技術(shù)發(fā)展而來。光刻和微壓印的絕對優(yōu)勢是制造精度高，但是受制造原理的制約，這兩種方法只適合制造二維微結(jié)構(gòu)。3D打印可用于制造三維微結(jié)構(gòu)，并且在生物醫(yī)學(xué)和能源領(lǐng)域已有了廣泛的應(yīng)用。3D打印是一種層疊制造，因此微米尺度的階梯效應(yīng)是無法避免的。此外，上述三種方法對機器設(shè)備和制造環(huán)境條件的要求很高，因而增加了制造成本。另外一點，上述方法都需要使用物理模具，比如掩膜版，尤其是光刻，所以在制造每一種微結(jié)構(gòu)之前，都需要制作對應(yīng)的掩膜版，因而制造周期較長，方法和設(shè)備的靈活性也因此受到制約。對于3D打印，弱化階梯效應(yīng)的有效途徑就是減小層厚，而帶來負面影響就是更高設(shè)備要求和更長制造周期。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中缺少了一種快速、精度高、成本低和靈活性高的三維微結(jié)構(gòu)制造裝置和方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決常規(guī)微結(jié)構(gòu)制造存在的問題，利用超聲能場作用下微流體表面產(chǎn)生形態(tài)變化這一物理規(guī)律，結(jié)合紫外光固化技術(shù)，本實用新型提出了一種具有超聲能場輔助的三維微結(jié)構(gòu)快速成形裝置。

本實用新型利用多對聲表面波換能器激發(fā)的超聲能場，使光預(yù)聚物表面產(chǎn)生周期性形貌，通過調(diào)節(jié)超聲能場的頻率、幅值以及疊加數(shù)量，改變表面形貌的周期、高度、出現(xiàn)區(qū)域以及分布特征，然后利用紫外光照射固化進行單層微結(jié)構(gòu)制造，最后通過垂直于成形平面的方向的疊加實現(xiàn)三維微結(jié)構(gòu)的快速成形。

本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

所述裝置置于光學(xué)隔振平臺上，裝置包括置于光學(xué)隔振平臺上的電動Z軸滑臺、至少三對聲表面波換能器、紫外固化燈，至少三對聲表面波換能器置于水平透明板上，并在透明壓電晶片上沿圓周方向呈等間隔陣列布置，光預(yù)聚物置于壓電晶片的中心區(qū)域，聲表面波換能器朝向圓周的中心發(fā)射超聲波以產(chǎn)生超聲能場，光預(yù)聚物受到超聲能場作用形成立體的周期性形貌；紫外固化燈安裝在聲表面波換能器下方并朝向換能器，用于使得超聲能場激發(fā)形成光預(yù)聚物形成的立體周期性形貌固化成三維微結(jié)構(gòu)；電動Z軸滑臺位于聲表面波換能器上方，用于粘附水平透明板上制成的三維微結(jié)構(gòu)。

所述的聲表面波換能器包括壓電晶片和金屬電極，壓電晶片置于水平透明板上，無色透明的壓電晶片中間涂有光預(yù)聚物，金屬電極在壓電晶片上沿圓周方向呈等間隔陣列布置，金屬電極采用叉指電極，兩側(cè)相對稱的兩個金屬電極及其正下方的壓電晶片形成一對聲表面波換能器。

所述的紫外固化燈發(fā)射的紫外光依次穿過水平透明板和無色透明的壓電晶片后照射到光預(yù)聚物上，使得光預(yù)聚物受超聲能場激發(fā)形成的立體周期性形貌固化。

所述的光預(yù)聚物為以聚乙二醇二丙烯酸酯為基底的生物材料，或者環(huán)氧樹脂為基底的非生物材料。

金屬電極直接與驅(qū)動裝置相連。

本實用新型具有的有益效果是：

(1)通過獨立控制N對換能器的輸出頻率、幅值、相位以及開啟或關(guān)閉的工作狀態(tài)，可以制造具有不同周期、高度、相對位置和出現(xiàn)區(qū)域的不同分布特征單層微結(jié)構(gòu)。通過結(jié)合Z軸運動，可以實現(xiàn)三維微結(jié)構(gòu)的快速成形。

(2)利用超聲能場作用下微流體表面產(chǎn)生形態(tài)變化這一物理規(guī)律，結(jié)合紫外光固化技術(shù)，本實用新型可以制造具有光滑連續(xù)的微結(jié)構(gòu)，并且是一步成形，具有成形精度高和制作效率高的特點，精度可達微米級別。

(3)本實用新型所用設(shè)備簡單，并且裝置具有較高的靈活性，因此制造成本較低。

附圖說明

圖1是本實用新型的裝置示意圖。

圖2是聲表面波換能器俯視圖圖，以三對為例。

圖3是開啟一對換能器制造的單層微結(jié)構(gòu)。

圖4是開啟兩對換能器制造的單層微結(jié)構(gòu)。

圖5是開啟三對換能器制造的單層微結(jié)構(gòu)。

圖6是多層疊加后的三維微結(jié)構(gòu)。

圖中1.電動Z軸滑臺，2.聲表面波換能器，3.紫外固化燈，4.壓電晶片；5. 金屬電極。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步詳細的說明，但本實用新型的實施方式不限于此。

如圖1所示，裝置置于光學(xué)隔振平臺上，裝置包括置于光學(xué)隔振平臺上的電動Z軸滑臺1、至少三對聲表面波換能器2、紫外固化燈3，至少三對聲表面波換能器2置于水平透明板上，換能器在無色透明的壓電晶片4上沿圓周方向呈等間隔陣列布置，光預(yù)聚物置于無色透明的壓電晶片4中心，聲表面波換能器2朝向圓周的中心發(fā)射超聲波以產(chǎn)生超聲能場，光預(yù)聚物受到超聲能場作用形成立體的周期性形貌；紫外固化燈3安裝在聲表面波換能器2下方并朝向超聲能場，用于使得超聲能場激發(fā)形成光預(yù)聚物形成的立體周期性形貌固化成三維微結(jié)構(gòu)；電動Z軸滑臺1位于聲表面波換能器2上方，用于粘附水平透明板上制成的三維微結(jié)構(gòu)。

如圖2所示，聲表面波換能器2包括壓電晶片4和金屬電極5，無色透明的壓電晶片4置于水平透明板上，光預(yù)聚物涂敷在壓電晶片4的中間區(qū)域，金屬電極5在壓電晶片4上沿圓周方向呈等間隔陣列布置，金屬電極5采用叉指電極，兩側(cè)相對稱的兩個金屬電極5及其正下方的壓電晶片4形成一對聲表面波換能器2。

本實用新型的實施例及其實施過程如下：

首先，制造如下：

(1)根據(jù)聲表面波換能器的對數(shù)、聲孔徑、電極數(shù)量等參數(shù)設(shè)計制作鉻掩膜版，掩膜版中換能器區(qū)域為透光部分，其它區(qū)域不透光；

(2)選用128°Y切向的鈮酸鋰(LiNbO₃)壓電晶片4，在光刻之前，采用勻膠機在LiNO₃晶片上旋涂一層正性光刻膠，然后在100℃條件下進行烘干。然后采用雙面對準光刻機在預(yù)先設(shè)計的掩膜版的附著下進行曝光，單次曝光時長1.7s。在放置LiNO₃晶片時，一定要確保晶片的正方向與掩膜版的正方向一致，并盡可能的做到對準。曝光結(jié)束后，同需要進行100℃條件下的烘干。烘干之后，進行顯影并晾干。

(3)金屬電極5材料為鋁，采用磁控濺射機在有光刻膠圖案排布的LiNO₃晶片沉積一層鋁。濺射金屬鋁的真空度要求為首先達到10^-3Pa，然后通入氬氣，使真空度達到0.5Pa，濺射電流為0.8A，濺射時間為20分鐘。

(4)依次采用丙酮和無水乙醇對晶片進行浸泡，去除殘留的光刻膠及附著在光刻膠表面的鋁膜，獲得聲表面波換能器。

(5)將聲表面波換能器2，和購買模塊化的電動Z軸滑臺1和紫外固化燈3 按照圖1中的順序進行安裝。

接著，三維微結(jié)構(gòu)快速成形過程如下：

(1)將具有超聲能場輔助的三維微結(jié)構(gòu)快速成形裝置放置于光學(xué)隔振平臺上，并將光預(yù)聚物均勻涂覆在無色透明的壓電晶片中央，使其液面平坦；

(2)將驅(qū)動裝置與聲表面波換能器相連，調(diào)節(jié)驅(qū)動裝置的輸出頻率、振幅和相位，使換能器激發(fā)穩(wěn)定的超聲輻射力場，光預(yù)聚物表面在超聲能場作用下產(chǎn)生穩(wěn)定分布的周期性形貌；

(3)采用紫外固化燈照射已產(chǎn)生穩(wěn)定分布的周期性形貌的光預(yù)聚物，使其發(fā)生固化，獲得具有周期性形貌的單層微結(jié)構(gòu)，通過超聲能場的控制使得單層微結(jié)構(gòu)的高度最低能到達微米級別；

(4)對于單層微結(jié)構(gòu)，開啟一對換能器，制造如圖3所示的單層微結(jié)構(gòu)，開啟兩對換能器，可制造如圖4所示的單層微結(jié)構(gòu)，開啟三對換能器，可以制造如圖5所示的單層微結(jié)構(gòu)；

(5)進行具有不同周期性形貌的單層微結(jié)構(gòu)的連續(xù)制造，通過電動Z軸滑臺的下降和抬升運動將具有不同周期性形貌的單層微結(jié)構(gòu)粘附再一起，將單層微結(jié)構(gòu)層疊形成多層構(gòu)成的三維結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)了三維微結(jié)構(gòu)的快速成形，效果如圖6所示。

本實例用了三對聲表面波換能器，可以對微陣列的周期、高度、產(chǎn)生區(qū)域和相對位置進行調(diào)節(jié)，實際應(yīng)用中，可以用聲表面波換能器搭建裝置，可根據(jù)需要制造更復(fù)雜的三維微結(jié)構(gòu)。