專利名稱：微納米結(jié)構(gòu)直寫裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于靜電紡絲技術(shù)的微、納米尺度的材料或圖案的直接噴寫裝置，尤其是涉及一種亞微米線寬的聚合物材料直寫裝置。
背景技術(shù)：
在微納米器件的研究開發(fā)中，實(shí)現(xiàn)位置、方向與數(shù)量可控的納米線(nanowire)、納米管(nanotube)及納米纖維(nanofiber)與微米結(jié)構(gòu)(如微電極)的集成是制造納米器件如納米傳感器、執(zhí)行器的關(guān)鍵。納米材料的研究取得了顯著的成果并且呈現(xiàn)出廣闊的商業(yè)化前景，已經(jīng)取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。鑒于其特殊的優(yōu)良物理和化學(xué)性質(zhì)，低維納米材料是構(gòu)建納米器件和納米結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)材料，國(guó)內(nèi)外大批學(xué)者紛紛投入到基于低維納米材料的電子器件、光學(xué)器件、傳感器、執(zhí)行器及生物功能器件的研發(fā)與開發(fā)。西方國(guó)家預(yù)測(cè)7年后可能實(shí)現(xiàn)最具市場(chǎng)前景的納米器件的產(chǎn)業(yè)化，這將是納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的又一新的突破。然而，如何操縱(或生長(zhǎng))位置、方向和數(shù)量可控的納米線，納米管及納米纖維，實(shí)現(xiàn)其與微米結(jié)構(gòu)(如微電極等)的集成，成為目前納米器件研究的關(guān)鍵，是未來實(shí)現(xiàn)納米器件產(chǎn)業(yè)化的必須解決的基礎(chǔ)性關(guān)鍵技術(shù)。
納米操縱與微納米結(jié)構(gòu)集成技術(shù)已經(jīng)成為近幾年國(guó)際納米器件技術(shù)研究的熱點(diǎn)，但仍然處于起步階段。相關(guān)研究主要集中在三個(gè)方面(1)串行操縱。基于納米級(jí)運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)單根納米線，納米管的機(jī)械操縱(T.Fukuda，F(xiàn).Arai，and L.X.Dong，Assembly ofNanodevices with Carbon Nanotubes through Nanorobotic Manipulations，Proceedings ofthe IEEE，2003，91，(11)1803-1818)。系統(tǒng)復(fù)雜，效率低，成本高。(2)并行操縱。分散于溶液中的納米線、納米管借助于外場(chǎng)(如電磁場(chǎng)、流場(chǎng)、光等)、LB膜以及化學(xué)自組裝等方式實(shí)現(xiàn)大面積并行化定向排列(S.G.Rao，S.Huang，Large-scale assembly of carbonnanotubes.Nature，2003，42536)。(3)控制生長(zhǎng)。將沉積催化劑的微電極置于控制氣體成分、壓力、流量、溫度等參數(shù)的腔內(nèi)，在電磁場(chǎng)引導(dǎo)下定向生長(zhǎng)納米線、納米管，并連接到相對(duì)的微電極上(Ongi Englander，Dane Christensen，JongBaeg Kim，Liwei Lin andStephen Morris，Electric-Field Assisted Growth and Self-Assembly of IntrinsicSilicon Nanowires，Nano Letters，2005，5(4)705-708)。上述第(2)和(3)屬于并行化方法，可以實(shí)現(xiàn)大面集成，極具工程意義，但位置、數(shù)量難以控制，無法保證器件的一致性。
微納米結(jié)構(gòu)或圖案的產(chǎn)生在微電子和微納米機(jī)電系統(tǒng)(M/NEMS)的制作是最為關(guān)鍵的一步。目前較為成熟而被廣泛使用的微納米結(jié)構(gòu)、圖形產(chǎn)生技術(shù)主要如電子束、離子束和X-Ray等，以及軟刻蝕如微接觸印刷、蘸筆和納米印痕等技術(shù)。其工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴(數(shù)十萬到數(shù)百萬美元)、開發(fā)成本高，不適合用于大面積和柔性器件的開發(fā)或生產(chǎn)制造；也不適合于微納米器件，特別是簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)器件如傳感器等的原理樣機(jī)的研究開發(fā)。微納米結(jié)構(gòu)的直寫技術(shù)作為上述技術(shù)的補(bǔ)充或替代，在微納米器件的研究開發(fā)與生產(chǎn)領(lǐng)域具有廣闊的市場(chǎng)前景。
基于電液動(dòng)力學(xué)的靜電紡絲技術(shù)的研究可追溯到1934年(Formhals，A.Process andapparatus for preparing artificial threads US Patent 1，975，504(1934))。含聚合物液滴在高壓電場(chǎng)作用下充滿電荷并使液滴變形形成Taylor錐，進(jìn)而噴射出連續(xù)的直徑大致為100nm的納米纖維和納米管，因而有望成為納米器件制造的強(qiáng)有力工具。然而，傳統(tǒng)的靜電紡絲技術(shù)由于其依賴于快速、雜亂的運(yùn)動(dòng)來獲得納米尺度直徑的納米纖維，其位置、方向及數(shù)量的不確定性等使得傳統(tǒng)的電紡技術(shù)很難加工或?qū)懗鋈藗冃枰膱D形。
國(guó)際上一些著名的研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)紛紛投入開發(fā)此項(xiàng)技術(shù)，如Dimatix，XAAR，HP，富士等。Dimatix已經(jīng)于今年開發(fā)出首款電子噴印設(shè)備并投放市場(chǎng)，售價(jià)8萬美元左右。XAAR也開發(fā)出了商品化的打印頭，售價(jià)4000美元。國(guó)內(nèi)還沒有相關(guān)研究的任何報(bào)道。目前的材料噴印頭仍然以傳統(tǒng)噴墨打印頭技術(shù)為基礎(chǔ)，最小液滴大約10pl，最小線寬50μm，進(jìn)一步降低線寬非常困難，大大限制了該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)傳統(tǒng)靜電紡絲技術(shù)的固有缺陷——無序性，提供一種基于“近場(chǎng)靜電紡絲(Near-Field ElectroSpinning)”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高分子材料或具有一定粘性材料的快速直寫，最小直徑/線寬可低于300nm/20μm，突破了噴印技術(shù)的線寬限制，應(yīng)用范圍更加廣泛的微納米結(jié)構(gòu)直寫裝置。
本發(fā)明設(shè)有微探針控制平臺(tái)、集成高壓靜電電源(1kV)、精密流量控制器、高速精密X-Y平臺(tái)(1.1m/s)、探針和CCD顯微鏡。微探針控制平臺(tái)用于調(diào)節(jié)探針與寫入基底之間的距離；集成高壓靜電電源用于提供給探針適當(dāng)?shù)碾妷海瑥亩纬筛邏弘妶?chǎng)，使材料從探針頭中噴射出亞微米的線條，集成直流高壓電源的正極接探針，負(fù)極接地；精密流量控制器固定在微探針控制平臺(tái)上，精密流量控制器用于材料的進(jìn)給，從而控制探針頭上的材料液滴的大小，精密流量控制器由管道連接探針，材料通過精密流量控制器由管道輸送到探針；高速精密X-Y平臺(tái)用于在二維空間中精確的定位出材料寫入的位置，從而實(shí)現(xiàn)二維空間圖形的寫入；探針作為材料直寫的噴絲頭，探針安裝于微探針控制平臺(tái)上；顯微鏡用于觀察靜電紡絲過程及材料寫入圖形的效果，顯微鏡設(shè)于微探針控制平臺(tái)上。
X-Y平臺(tái)可采用移動(dòng)速度為1.1m/s，500nm位移分辨率、5g加速度，行程為150mm的高速精密X-Y平臺(tái)。
微探針控制平臺(tái)在Z方向的位置調(diào)節(jié)范圍為500μm-3mm。精密流量控制器的流量控制在4～10pl/s。高壓靜電電源控制在1kV以內(nèi)，并內(nèi)嵌于微探針控制平臺(tái)上。
亞微米線寬的材料直寫裝置的基本工作原理是，通過精密流量控制器提供給探針的材料，在高壓靜電場(chǎng)的作用下，噴射出單根的亞微米線寬的線條。由于紡絲頭與基片之間的距離較小，使得噴出的線條在出現(xiàn)無序運(yùn)動(dòng)之前就被沉積在基片上的指定位置。由于位置的確定性，在X-Y精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的帶動(dòng)下，可以直接寫出所需要的圖形或圖案。
本發(fā)明的潛在的應(yīng)用還包括(1)納米線與納米管操控。盡管一些一維納米材料性能卓越，但缺乏有效操控技術(shù)形成需要的結(jié)構(gòu)圖案，無法在實(shí)際器件中得到應(yīng)用。將納米線/管均勻分散到高分子溶液中，在電紡的納米纖維中將得到有序的、首尾相接的納米線/管。
(2)生物組織的成型制造。生物組織具有復(fù)雜微納米結(jié)構(gòu)體系，要求生物支架具有從納觀到宏觀尺度的多尺度結(jié)構(gòu)。在常溫和常壓下進(jìn)行材料與結(jié)構(gòu)直寫，可直接應(yīng)用于具有可控微納米結(jié)構(gòu)的生物支架與組織成型。
(3)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其成型。微納米結(jié)構(gòu)、材料直寫技術(shù)將大大降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期；采用材料添加方法極大地提高了材料的利用率。
本發(fā)明的突出優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在1)與噴印技術(shù)相比，靜電紡絲技術(shù)直寫的微納米結(jié)構(gòu)可控制在20μm以下直至100nm，且材料均勻。2)與傳統(tǒng)靜電紡絲相比，近場(chǎng)靜電紡絲直寫結(jié)構(gòu)位置、方向和數(shù)量可控，且紡絲電壓大大降低(1KV左右)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)電紡電壓(大于10KV)。3)可以通過調(diào)整待寫基片與噴頭間距控制直寫結(jié)構(gòu)的線寬。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
參見圖1，本發(fā)明的微探針控制平臺(tái)設(shè)有Y方向直線導(dǎo)軌1、Y方向限位滑桿2、Y方向滑塊3、固定支座4、Z方向直線導(dǎo)軌控制器5、Z方向直線導(dǎo)軌6、X方向滑塊7、X方向限位滑桿8、直寫區(qū)域9、精密流量控制及高壓靜電電源10、探針11、CCD顯微鏡12、高速精密X-Y平臺(tái)13、X方向直線導(dǎo)軌控制器14、X方向直線導(dǎo)軌15、Y方向直線導(dǎo)軌控制器16和控制用計(jì)算機(jī)17。
其中X方向直線導(dǎo)軌15和Y方向直線導(dǎo)軌1分別在X方向直線導(dǎo)軌控制器14和Y方向直線導(dǎo)軌控制器16的帶動(dòng)作用下，根據(jù)控制用計(jì)算機(jī)17所給定的定位信息控制探針11在高速精密X-Y平臺(tái)13上直寫區(qū)域9中的精確位置。X方向限位滑桿8和Y方向限位滑桿2分別用于X方向滑塊7和Y方向滑塊3的方向限定，起到導(dǎo)軌的作用。固定支座4起到固定X方向直線導(dǎo)軌15和X方向限位滑桿8的作用，同時(shí)與高速精密X-Y平臺(tái)13連接。精密流量控制及高壓靜電電源10和探針11通過Z方向直線導(dǎo)軌6與Z方向直線導(dǎo)軌控制器5相連接，在Z方向直線導(dǎo)軌控制器5的帶動(dòng)作用下從而實(shí)現(xiàn)探針11和直寫區(qū)域9之間的距離調(diào)節(jié)。CCD顯微鏡12用于觀察材料的直寫過程和對(duì)圖案結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。
高速精密X-Y平臺(tái)具有500nm位移分辨率、1.1m/s移動(dòng)速度、5g加速度，行程為150mm?？赏ㄟ^計(jì)算機(jī)控制運(yùn)動(dòng)加速度、速度、位置等參數(shù)。探針與直寫區(qū)域在Z方向上的初始距離為3mm。在Z方向的位置調(diào)節(jié)范圍為500μm-3mm。
精密流量控制器的流量控制在4pl/s-10pl/s之間。高壓靜電電源控制在1kV以內(nèi)。微米尺度液態(tài)材料線寬小于20μm；納米尺度固態(tài)纖維直徑小于300nm；直寫定位誤差小于20μm。
權(quán)利要求
1.微納米結(jié)構(gòu)直寫裝置，其特征在于設(shè)有微探針控制平臺(tái)、集成高壓靜電電源、流量控制器、X-Y平臺(tái)、探針和CCD顯微鏡，微探針控制平臺(tái)用于調(diào)節(jié)探針與寫入基底之間的距離；集成高壓靜電電源用于為探針提供電壓，集成直流高壓電源的正極接探針，負(fù)極接地；流量控制器固定在微探針控制平臺(tái)上，流量控制器用于材料的進(jìn)給，流量控制器由管道連接探針；X-Y平臺(tái)用于在二維空間中精確的定位出材料寫入的位置，實(shí)現(xiàn)二維空間圖形的寫入；探針作為材料直寫的噴絲頭，探針安裝于微探針控制平臺(tái)上；顯微鏡用于觀察靜電紡絲過程及材料寫入圖形的效果，顯微鏡設(shè)于微探針控制平臺(tái)上。
2.如權(quán)利要求1所述的微納米結(jié)構(gòu)直寫裝置，其特征在于集成高壓靜電電源為1kV。
3.如權(quán)利要求1所述的微納米結(jié)構(gòu)直寫裝置，其特征在于X-Y平臺(tái)為移動(dòng)速度為1.1m/s，500nm位移分辨率、5g加速度，行程為150mm的X-Y平臺(tái)。
4.如權(quán)利要求1所述的微納米結(jié)構(gòu)直寫裝置，其特征在于微探針控制平臺(tái)在Z方向的位置調(diào)節(jié)范圍為500μm-3mm。
5.如權(quán)利要求1所述的微納米結(jié)構(gòu)直寫裝置，其特征在于精密流量控制器的流量控制在4～10pl/s。
6.如權(quán)利要求1所述的微納米結(jié)構(gòu)直寫裝置，其特征在于高壓靜電電源控制在1kV以內(nèi)。
7.如權(quán)利要求1或6所述的微納米結(jié)構(gòu)直寫裝置，其特征在于高壓靜電電源內(nèi)嵌于微探針控制平臺(tái)上。
全文摘要
微納米結(jié)構(gòu)直寫裝置，涉及一種亞微米線寬的聚合物材料直寫裝置。提供一種基于“近場(chǎng)靜電紡絲”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高分子材料或具有一定粘性材料的快速直寫，最小直徑/線寬可低于300nm/20μm，突破了噴印技術(shù)的線寬限制，應(yīng)用范圍更加廣泛的微納米結(jié)構(gòu)直寫裝置。設(shè)有微探針控制平臺(tái)、集成高壓靜電電源、流量控制器、X－Y平臺(tái)、探針和CCD顯微鏡；集成高壓靜電電源用于為探針提供電壓，集成直流高壓電源的正極接探針，負(fù)極接地；流量控制器固定在微探針控制平臺(tái)上，流量控制器由管道連接探針；探針作為材料直寫的噴絲頭，探針安裝于微探針控制平臺(tái)上；顯微鏡用于觀察靜電紡絲過程及材料寫入圖形的效果，顯微鏡設(shè)于微探針控制平臺(tái)上。
文檔編號(hào)D01D5/00GK1966399SQ20061013526
公開日2007年5月23日 申請(qǐng)日期2006年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月28日
發(fā)明者孫道恒, 王凌云, 吳德志, 林立偉 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)