六自由度微等離子體射流加工平臺(tái)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及大氣壓低溫等離子體射流加工技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種六自由度微等離子體射流加工平臺(tái)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]大氣壓低溫等離子體射流是一種新型的等離子體放電技術(shù)，它具有運(yùn)行溫度低、可控性好、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)?，F(xiàn)階段大氣壓低溫等離子體射流正朝著微型化方向發(fā)展，即等離子體射流尺寸降到微米或納米量級(jí)，主要應(yīng)用于大氣壓下微電子器件及納米器件的刻蝕加工。其中，對(duì)于生物醫(yī)療器件正不斷向微型化和曲面復(fù)雜化方向發(fā)展，這對(duì)大氣壓微等離子體射流加工提出了更高的要求。然而，對(duì)于具有三維結(jié)構(gòu)的生物醫(yī)療器件的微加工平臺(tái)系統(tǒng)是一個(gè)至關(guān)重要的因素。因此對(duì)于微米或納米量級(jí)范圍內(nèi)的具有多自由度的大氣壓微等離子體射流加工平臺(tái)系統(tǒng)的研發(fā)受到極大的關(guān)注。
[0003]Hiroyuki Y0SHIKI 在 “Generat1n of Air Microplasma Jet and ItsApplicat1n to Local Etching of Polyimide Films，，Japanese Journal of AppliedPhysics, 45 (6B), 5618 - 5623 (2006)中，描述了一種空氣微等離子體射流局部刻蝕聚合物薄膜，等離子體發(fā)生器采用不銹鋼注射器針，針管外徑為采用0.5mm ;并用該微等離子體射流刻蝕銅繞組線上的絕緣薄膜，銅繞組線的直徑為0.25mm，絕緣薄膜厚度為15um，刻蝕結(jié)果表明刻蝕線寬可達(dá)0.47_。由于該等離子體射流的束斑直徑大于銅繞組線的直徑，因此等離子體射流與銅繞組線接觸時(shí)會(huì)完全刻蝕該區(qū)域的絕緣薄膜。本文只應(yīng)用了 XYZ三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)銅繞組線上的絕緣薄膜刻蝕。
[0004]同樣，該作者在另外一篇文獻(xiàn)“Localizedetching of an insulator filmcoated on a copper wire using an atmosphericpressure microplasma jet，，Review ofScientific Instruments 78, 043510 (2007)中描述了一種內(nèi)外徑分別為 0.2mm和 0.4mm不銹鋼注射器針等離子體發(fā)生器，利用ArAV混合氣體產(chǎn)生微等離子體射流刻蝕銅線上沉積的絕緣薄膜。該銅線直徑僅為90um，絕緣薄膜厚度僅為lOum。同樣，等離子體射流與銅線接觸時(shí)會(huì)完全刻蝕該區(qū)域的絕緣薄膜，因此該文獻(xiàn)中仍然采用了三自由度的XYZ三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其中等離子體發(fā)生器安裝在X和Z方向移動(dòng)的臺(tái)架上，鋁基板安裝在Y方向移動(dòng)的臺(tái)架上。
[0005]Ryota Kakei et al.在“Product1n of ultrafine atmospheric pressureplasma jet with nano-capiIIary^ Thin Solid Films, 518, 3457 - 3460 (2010)中，描述了一種可產(chǎn)生納米量級(jí)的大氣壓微等離子體射流。采用外徑和內(nèi)徑分別為Imm和0.6mm的石英玻璃管通過拉針儀拉制成尖端孔徑僅為100nm-5um的玻璃微針作為等離子體射流發(fā)生器。并嘗試采用尖端孔徑僅為500nm的微等離子體射流刻蝕光刻膠薄膜，刻蝕結(jié)果表明該大氣壓微等離子體射流具有較好的刻蝕效果，刻蝕線寬為500-700nm，刻蝕深度為30_50nm。
[0006]由以上可以看出，大氣壓微等離子體射流加工正朝著微米或納米量級(jí)的微型化方向發(fā)展，而加工的對(duì)象也從原來單一的平面結(jié)構(gòu)拓展至具有曲面結(jié)構(gòu)的微型器件，例如面向生物醫(yī)療器件領(lǐng)域的絲電極、管電極等。但是對(duì)于加工運(yùn)動(dòng)平臺(tái)目前還處于三自由度XYZ三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，且缺乏微型化條件下對(duì)于加工過程中的尺寸測(cè)量和校準(zhǔn)系統(tǒng)。從而限制了大氣壓微等離子體射流對(duì)生物醫(yī)療器件的加工范圍和加工精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種六自由度微等離子體射流加工平臺(tái)系統(tǒng)，通過在XYZ三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)基礎(chǔ)上增加X、Y、Z三軸旋轉(zhuǎn)自由度組成六自由度平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的生物醫(yī)療器件的大氣壓微等離子體射流加工；并且通過加入尺寸測(cè)量和校準(zhǔn)系統(tǒng)，提高了大氣壓微等離子體射流的加工精度。
[0008]為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供一種六自由度微等離子體射流加工平臺(tái)系統(tǒng)，包括:X軸直線導(dǎo)軌，X軸滑塊，Y軸直線導(dǎo)軌，Y軸滑塊，Z軸直線導(dǎo)軌，Z軸滑塊，懸臂支架，支撐平臺(tái)，等離子體發(fā)生器，流量計(jì)，功率電源，旋轉(zhuǎn)電機(jī)，套管，第一旋轉(zhuǎn)支架，第二旋轉(zhuǎn)支架，第一滑動(dòng)圓盤支架，第二滑動(dòng)圓盤支架，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和校準(zhǔn)系統(tǒng)，微型夾具和基底；其中:基底作為整個(gè)系統(tǒng)的載體；x軸直線導(dǎo)軌固定于基底的上側(cè)面，并靠近基底的一側(cè)4軸直線導(dǎo)軌的一端與X軸滑塊固定，X軸滑塊沿X軸直線導(dǎo)軌滑動(dòng)并帶動(dòng)Y軸直線導(dǎo)軌沿X軸直線導(dǎo)軌方向滑動(dòng)；支撐平臺(tái)的下側(cè)面與Y軸滑塊固定，Y軸滑塊沿Y軸直線導(dǎo)軌滑動(dòng)并帶動(dòng)支撐平臺(tái)沿Y軸直線導(dǎo)軌方向滑動(dòng)；2軸直線導(dǎo)軌垂直設(shè)置于基底上側(cè)面的一邊沿位置，且該邊與設(shè)置X軸直線導(dǎo)軌的一邊相鄰；懸臂支架的一端與Z軸滑塊固定，Z軸滑塊沿Z軸直線導(dǎo)軌并帶動(dòng)懸臂支架沿Z軸直線導(dǎo)軌方向滑動(dòng)；懸臂支架的另一端固定等離子體發(fā)生器；等離子體發(fā)生器與功率電源連接，接通功率電源使等離子體發(fā)生器產(chǎn)生等離子體射流；流量計(jì)設(shè)置于等離子體發(fā)生器的上端部，用于通入工作氣體的計(jì)量；微型夾具固定于第一旋轉(zhuǎn)支架，第一旋轉(zhuǎn)支架固定于第一滑動(dòng)圓盤支架；套筒固定于第二旋轉(zhuǎn)支架，第二旋轉(zhuǎn)支架固定于第二滑動(dòng)圓盤支架；套筒與微型夾具配合用于夾持工件，通過調(diào)節(jié)第一滑動(dòng)圓盤支架和第二滑動(dòng)圓盤支架使得工件的待加工區(qū)域位于等離子體發(fā)生器的正下方；旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過聯(lián)軸器與微型夾具相連，并帶動(dòng)微型夾具旋轉(zhuǎn)組成Y軸旋轉(zhuǎn)自由度；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和校準(zhǔn)系統(tǒng)，用于對(duì)等離子體發(fā)生器和工件加工實(shí)現(xiàn)精確定位；
[0009]X軸直線導(dǎo)軌通過X軸滑塊與Y軸直線導(dǎo)軌組成X方向平動(dòng)自由度；Y軸直線導(dǎo)軌通過Y軸滑塊與支撐平臺(tái)組成Y方向平動(dòng)自由度；ζ軸直線導(dǎo)軌通過Z軸滑塊與懸臂支架組成Z方向平動(dòng)自由度；旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)微型夾具旋轉(zhuǎn)組成Y軸旋轉(zhuǎn)自由度；第一滑動(dòng)圓盤支架通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)組成X軸和Z軸兩旋轉(zhuǎn)自由度；通過以上方式組成具有六自由度的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件任意位姿的夾持加工。
[0010]優(yōu)選地，所述微型夾具包括卡爪和緊固套筒，其中:卡爪的一端設(shè)有外螺紋、另一端設(shè)有多個(gè)彈性支片；緊固套筒的一端設(shè)有與卡爪外螺紋相配合的內(nèi)螺紋、另一端為圓臺(tái)狀管口 ；卡爪的一端與緊固套筒的一端通過螺紋連接，卡爪的另一端通過緊固套筒的圓臺(tái)狀管口套在卡爪的彈性支片外，通過旋擰緊固套筒使其圓臺(tái)狀管口松開或壓緊卡爪的彈性支片；工件的一端插入在卡爪內(nèi)，旋擰緊固套筒將工件緊固在卡爪中間。
[0011]優(yōu)選地，所述第一滑動(dòng)圓盤支架包括第一滑塊、第一 U型支架、第一機(jī)械臂和第一圓盤，其中:第一U型支架和第一圓盤固接，第一圓盤通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)使第一圓盤相對(duì)于第一滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)，第一機(jī)械臂通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)使第一機(jī)械臂相對(duì)于第一 U型支架轉(zhuǎn)動(dòng)；所述第二滑動(dòng)圓盤支架包括第二滑塊、第二U型支架、第二機(jī)械臂和第二圓盤，其中:第二U型支架和第二圓盤固接，第二圓盤通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)使第二圓盤相對(duì)于第二滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)，第二機(jī)械臂通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)使第二機(jī)械臂相對(duì)于第二 U型支架轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0012]所述第一圓盤通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)相對(duì)于第一滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)，第二圓盤通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)相對(duì)于第二滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)，從而組成Z軸旋轉(zhuǎn)自由度；所述第一機(jī)械臂通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)相對(duì)于第一U型支架轉(zhuǎn)動(dòng)，第二機(jī)械臂通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)相對(duì)于第二 U型支架轉(zhuǎn)動(dòng)，從而組成X軸旋轉(zhuǎn)自由度。
[0013]優(yōu)選地，所述支撐平臺(tái)沿Y軸方向設(shè)置有滑槽，第一滑動(dòng)圓盤支架和第二滑動(dòng)圓盤支架在支撐平臺(tái)上沿該滑槽相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
[0014]優(yōu)選地，所述等離子體發(fā)生器包括絕緣介質(zhì)管和電極，其中:絕緣介質(zhì)管為尖端口，尖端口的直徑為100nm-20 μ m ；電極結(jié)構(gòu)形式為針-環(huán)式，或者單針式，或者單環(huán)式，或者環(huán)-環(huán)式。
[0015]優(yōu)選地，所述等離子體發(fā)生器通過流量計(jì)通入工作氣體并接通功率電源產(chǎn)生微等離子體射流，射流束斑直徑在500nm-20 μ m。
[0016]優(yōu)選地，所述X軸直線導(dǎo)軌、Y軸直線導(dǎo)軌、Z軸直線導(dǎo)軌均采