用于形成自动传输的感光聚合物波导的自下而上设备设计的制作方法

本申请涉及美国专利第7,382,959号(“'959专利”)和美国专利第7,938,989号(“'989专利”)，其全部内容均以引用的方式并入本文中。

根据本发明的实施例的一个或多个方面涉及用于制造微桁架结构的系统和方法，且更具体地说，涉及用于自下而上形成此类结构的系统和方法。

背景技术：

微桁架结构(如'989专利中所公开的那些)具有多种应用。'989专利中所公开的制造方法涉及通过将合适的液体感光单体经由一个或多个光掩模暴露于准直光而形成微桁架结构。此类液体感光单体可在光聚合工艺期间经历折射率变化，其可导致形成聚合物光学波导。如果光敏的单体在适当条件下暴露于光(例如紫外(uv)光)，则聚合的初始区域，如小圆形区域将“捕获”光且将其导向至聚合区的尖端，从而进一步改进所述聚合区。此工艺将继续，导致形成沿其整个长度具有大致或大约相同截面尺寸的波导结构。具有二维孔图案的光掩模可用于在一盘感光单体从上方穿过光罩，通过准直光从若干不同方向照亮时产生三维聚合物微观结构。

微桁架结构可通过用准直光从上方穿过位于液体感光单体上方的一个或多个光掩模照亮液体感光单体来自上而下地形成。

在一些情况下，可能有利的是自下而上地生长微桁架结构，并且因此需要用于自下而上地形成微桁架结构的系统。

技术实现要素：

本公开的实施例的方面的目标为用于制造微桁架结构的系统。储集器装纳一定量的液体感光单体，所述感光单体被配置成在暴露于合适的光(如紫外光)时聚合以形成感光聚合物。在储集器底部的掩模包括多个孔。光穿过各个孔从若干方向进入储集器，在储集器内形成多个自导的感光聚合物波导。光由一个或多个准直光源供应。多个镜可反射来自单一准直光源的光以形成多个准直光束，其穿过掩模从对应的多个方向照亮储集器中的感光单体，以在储集器中形成包括多个自导的波导部件的微桁架结构。

根据本发明的一个实施例，提供用于形成微桁架结构的系统，所述系统包括：具有壁和平坦底部的储集器，其被配置成装纳一定量的液体感光单体，所述感光单体被配置成在暴露于光时形成感光聚合物；固定至或作为储集器的底部的部分透明掩模；掩模上的释放层，所述释放层被配置成抵抗被感光聚合物粘着；在掩模下方的第一距离安置的阻断器；在阻断器下方安置的光源，其被配置成产生准直光，所述准直光适合于致使感光单体转化为感光聚合物，且阻断器对于所述准直光不透明；和相对于阻断器倾斜的第一镜，其被配置成反射来自阻断器周围的光源且穿过掩模且进入储集器的光，阻断器被安置成阻断光从光源至掩模的直线路径。

在一个实施例中，所述释放层包括选自由以下组成的组的化合物作为主要组分：可喷涂脱模剂化合物、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯以及其组合。

在一个实施例中，掩模为储集器的底部。

在一个实施例中，储集器的底部由与储集器的壁相同的材料构成，且储集器的底部与储集器的壁成一体。

在一个实施例中，所述释放层包括选自由聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯以及其组合组成的组的化合物作为主要组分，且其中所述释放层为储集器的底部。

在一个实施例中，系统包括所述释放层上的衬底，衬底为被配置成变为微桁架结构的一部分的平板，衬底包括选自由丙烯酸、聚对苯二甲酸乙二酯以及其组合组成的组的化合物作为主要组分。

在一个实施例中，所述释放层包括选自由以下组成的组的化合物作为主要组分：可喷涂脱模剂化合物、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯以及其组合。

在一个实施例中，掩模为储集器的底部。

在一个实施例中，系统包括选自由以下组成的组的材料作为主要组分：聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、多聚甲醛、氟化乙烯丙烯、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚对苯二甲酸乙二酯、uv透明玻璃以及其组合；和平板上的不透明涂层，所述不透明涂层具有多个孔。

在一个实施例中，不透明涂层包括金属或合金作为主要组分。

在一个实施例中，系统包括在储集器底部下方的壳体，其被配置成装纳掩模，且被配置成准许在不干扰储集器或其内含物的情况下移除和/或插入掩模。

在一个实施例中，阻断器被安置成阻断光从光源至掩模的每一直线路径。

在一个实施例中，系统包括第二镜，其中：掩模为正方形，第一镜具有邻近于掩模的第一边缘的上边缘，且第二镜具有邻近于与第一边缘相对的掩模的第二边缘的上边缘。

在一个实施例中，第一镜的上边缘与第二镜的上边缘在相同高度处，且第一镜的上边缘平行于第二镜的上边缘。

在一个实施例中，第二镜的俯角与第一镜的俯角相同。

在一个实施例中，第一镜的上边缘与掩模的第一边缘之间的间隙具有小于5mm的最大宽度，且第二镜的上边缘与掩模的第二边缘之间的间隙具有小于5mm的最大宽度。

在一个实施例中，光源选自由以下组成的组：发光二极管阵列、汞弧灯、激光以及其组合。

根据本发明的一个实施例，提供用于形成微桁架结构的系统，所述系统包括：具有壁和平坦底部的储集器，其被配置成装纳一定量的液体感光单体，所述感光单体被配置成在暴露于光时形成感光聚合物；固定至或作为储集器的底部的部分透明掩模；掩模上的释放层，所述释放层被配置成抵抗被感光聚合物粘着；被配置成竖直向下辐射准直光的第一光源，所述准直光适合于致使感光单体转化为感光聚合物；第一镜，其被配置成将来自第一光源的光反射至第一方向；第二镜，其被配置成将光自第一方向反射至既不竖直也不水平的第二方向，穿过掩模且进入储集器；被配置成竖直向下辐射准直光的第二光源，所述准直光适合于致使感光单体转化为感光聚合物；和第三镜，其被配置成将来自第二光源的光反射至第三方向，第二镜进一步被配置成将光自第三方向反射至既不竖直也不水平的第四方向，穿过掩模且进入储集器，含有第二方向和第四方向的平面为竖直的，且第四方向的仰角与第二方向的仰角相同。

在一个实施例中，系统包括：被配置成竖直向下辐射准直光的第三光源，所述准直光适合于致使感光单体转化为感光聚合物；第四镜，其被配置成将来自第三光源的光反射至第五方向；被配置成竖直向下辐射准直光的第四光源，所述准直光适合于致使感光单体转化为感光聚合物；和第五镜，其被配置成将来自第四光源的光反射至第六方向，第二镜被进一步配置：以将光自第五方向反射至既不竖直也不水平的第七方向，穿过掩模且进入储集器，和将光自第三方向反射至既不竖直也不水平的第八方向，穿过掩模且进入储集器，含有第七方向和第八方向的平面为竖直的，且第七方向的仰角与第八方向的仰角相同。

附图说明

本发明的这些和其它特征以及优点将参看本说明书、权利要求书和附图而理解和了解，在附图中：

图1a为根据本发明的一个实施例的微桁架结构的透视图；

图1b为根据本发明的一个实施例的微桁架结构的单位单元的透视图；

图1c为根据本发明的一个实施例用于形成微桁架结构的系统的侧视图；

图1d为根据本发明的一个实施例用于形成微桁架结构的系统的侧视图；

图2a为根据本发明的一个实施例用于制造微桁架结构的设备的一部分的分解透视图；

图2b为根据本发明的一个实施例用于制造微桁架结构的设备的一部分的分解透视图；

图3a为根据本发明的一个实施例用于制造微桁架结构的设备的透视图；

图3b为根据本发明的一个实施例用于制造微桁架结构的设备的透视图；

图3c为根据本发明的一个实施例用于制造微桁架结构的设备的侧视图；

图3d为根据本发明的一个实施例的掩模的一部分和镜的一部分的放大分离侧视图；

图4a为根据本发明的一个实施例用于制造微桁架结构的设备的透视图；

图4b为根据本发明的一个实施例用于制造微桁架结构的设备的侧视图；

图5a为根据本发明的一个实施例用于制造微桁架结构的设备的透视图；且

图5b为根据本发明的一个实施例用于制造微桁架结构的设备的侧视图。

具体实施方式

结合附图在下文阐述的具体实施方式预期作为用于形成根据本发明提供的自动传输的感光聚合物波导的自下而上设备设计的示例性实施例的描述且不打算表示可以构建或利用本发明仅有的形式。所述描述阐述与所说明实施例有关的本发明的特征。然而，应了解，可通过也预期涵盖在本发明的精神和范围内的不同实施例实现相同或等效功能和结构。如本文中其它地方所指示，相同元件编号意图指示相同元件或特征。

图1a和图1b分别显示代表性微桁架材料100和代表性微桁架单位单元102。在有限厚度下(其中厚度在本文中用以指在制造期间竖直的方向，且对应于图1b的z轴)，此类结构可通过自导的，或“自动传输的”光聚合工艺制造，如'989专利和'959专利中所述，且如图1c中所示。感光单体可在聚合工艺期间经历折射率变化，其可导致形成由所得聚合物(在本文中称为“感光聚合物”)构成的光学波导。如果光敏的感光单体树脂120(例如储集器125中的感光单体树脂120)通过掩模130暴露于来自一个或多个光源135的准直光(例如准直紫外(uv)光)，则聚合的初始区域，如小圆形区域可“捕获”光且将其导向至聚合区的尖端，从而进一步改进所述聚合区。此工艺可以继续，导致形成沿其整个长度具有大致或大约相同截面尺寸的感光聚合物波导结构。波导可以在节点115处相互贯穿，产生包括在节点115处接合的波导部件110的结构。在一个实施例中，节点不在尺寸上受产生于光聚合工艺的折射率变化扰动，即，节点不膨胀，或具有超出在节点处遇到的波导110的直径的局部直径。

在图1c的实施例中，重力的方向与结构生长的方向相同；两者均向下。参看图1d，在一个实施例中，感光单体树脂120的储集器125由储集器125下方的一个或多个光源135从下方照亮。在此实施例中，结构生长的方向朝上，与重力方向相对。掩模130在储集器125的底部。

参看图2a，在一些实施例中，用于制造微桁架结构的设备包括储集器125、衬底210、掩模130和阻断器215。储集器可包括四个壁220，且可包括一体式透明(例如uv透明)底部，或其可不具有一体式底部。如果储集器125不包括一体式底部，则衬底210或掩模130可密封至储集器壁的底部边缘，形成储集器的底部，以允许其保留感光单体树脂120。举例来说，衬底可用真空润滑脂或用另一合适的密封剂(例如胶带)密封至储集器壁的底部。在此类实施例中，掩模130可固定至衬底210的底部。在其它实施例中，掩模130可用真空润滑脂或用另一合适的密封剂密封至储集器壁的底部，且衬底210可以足够小以在储集器125内部适配且搁置于储集器底部，即掩模130上。

衬底210可对用于形成微桁架结构的光(例如uv光)透明，且其可变为完整的微桁架结构的一部分，例如在微桁架结构上形成面板。在衬底210不打算变为完整的微桁架结构的一部分的实施例中，衬底可以不存在。

“释放层”，即被配置成在形成之后释放微桁架结构的层可用于储集器125的底部上，以使得微桁架结构可在制造之后从储集器125中升出。释放层可以是由微桁架结构的聚合物不粘附的透明(例如uv透明)材料，如聚氯乙烯(pvc)或聚偏二氯乙烯(pvdc)(例如pvdc膜)构成(例如包括其作为主要组分)的盖板。在一些实施例中，由另一种材料(其本身可能无法避免被感光聚合物粘着)构成的掩模盖板用作释放层的载体，且掩模盖板在感光单体树脂120倒入储集器125中之前涂布有合适的脱模剂(例如将可喷涂脱模剂化合物喷涂于其上)，以防止微桁架结构粘附到掩模盖板。在此类实施例中，脱模剂化合物可为释放层。在一些实施例中，储集器125的底部(或整个储集器125)由微桁架结构的聚合物不粘附的材料构成(例如包括其作为主要组分)，且储集器125的底部为释放层。在一些实施例中，脱模剂化合物包括硅基化合物和/或氟基化合物，例如聚四氟乙烯(ptfe)和/或硅油作为主要组分。在一些实施例中，脱模剂化合物为sprayon^tmmr314。

在使用衬底210且打算变为完整的微桁架结构的一部分的实施例中，其可由微桁架结构的聚合物易于粘附的材料，如丙烯酸或聚对苯二甲酸乙二酯(pet)构成(例如其可包括所述材料作为主要组分)。在此类实施例中，如果衬底210置于储集器125内部且另一元件(例如掩模，或与储集器壁220成一体的部分)形成储集器125的底部，则可以采取措施以避免允许可能进入储集器125的底部的顶表面与衬底210的底表面之间的间隙的感光单体聚合且充当接合储集器125的底部的顶表面与衬底210的底表面的粘着剂。此类措施可包括使用安置或形成于储集器125的底部上和衬底210的底表面之下的释放层(例如喷涂可喷涂脱模剂化合物的层，或聚偏二氯乙烯的膜)。

掩模130可形成为具有多个孔的不透明材料板材(例如具有例如激光切割孔的铝板或钢板)，孔规则地排列，具有对应于微桁架结构的单位单元尺寸的间距，且每个孔具有对应于波导部件110的截面的形状。在一些实施例中，掩模130包括透明(例如uv透明)材料(如多聚甲醛(pfa)、氟化乙烯丙烯(fep)、聚偏二氟乙烯(pvdf)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)(pmma)、聚对苯二甲酸乙二酯(pet)、聚氯乙烯(pvc)或uv透明玻璃)的平板(例如作为主要组分)，其用由金属(例如铬)或合金构成(例如包括作为主要组分)的涂层部分金属化且具有准直光可穿过以形成波导部件110的孔或开口。掩模130可为储集器125的底部，或其可固定至储集器125的下侧面，例如储集器下方的壳体中，准许在不干扰储集器125或其内含物的情况下移除和/或替换掩模130。储集器的底部无论为掩模或另一元件，或与储集器的壁成一体，均可由任何适合于包含感光单体树脂120(例如不被其溶解)的透明(例如uv透明)材料构成。

参看图2b，在一些实施例中，设备进一步包括多个镜225，和准直光源135。镜225中的每一个可为相对于垂直方向倾斜的平面镜，即垂直于其表面的向量可相对于重力方向倾斜。每个镜225可以是适合于反射由准直光源135产生的准直光的任何种类。在一些实施例中，准直光源135产生紫外光且每个镜225包括具有平坦表面的板(例如玻璃板)，和板上的反射涂层，例如形成于板的平坦表面上的金属涂层(如铝、金或银的涂层)或介电涂层(例如多层介电涂层)。如果板对准直光不透明，则背对板的反射涂层的一面可用作镜的反射表面；此类镜可称为第一表面镜。在其它实施例中，板为透明的且光在行进穿过板之后自反射涂层的另一表面(即，自面向板的表面)反射且接着在反射之后再次行进穿过板。此类镜可称为第二表面镜。

设备可在例如预期用于制造具有沿四个不同方向延伸的波导部件110的微桁架结构的情况下包括四个镜，如图2b中所说明。在其它实施例中，可使用不同数目个镜。因此，储集器125可与三个镜一起使用以形成具有沿三个不同方向延伸的波导部件110的微桁架结构。

准直光源135可为发光二极管(led)阵列、汞弧灯、激光(例如紫外激光)或在适合于引起感光单体聚合的波长下(例如在紫外波长下)的任何其它准直光源。

图3a和3b显示图2a和2b的元件在其可在操作设备时占据的相对位置组装。由准直光源135发射的准直光被四个镜225反射以形成四个准直光束315，每个光束相对于竖直方向倾斜。阻断器215阻断光从准直光源135直线(或直接，或竖直)传输至掩模130，以使得不形成竖直波导部件110，且所有形成于感光单体树脂120中的波导部件110相对于垂直方向倾斜。阻断器可由任何不透明材料，如卡纸板或黑色卡纸板构成。在一些实施例中，阻断器的表面为非反射的；非反射表面可简化避免可能另外导致在感光单体树脂120中形成除微桁架结构以外的非所需聚合物结构的杂散光束。

参看图3c，在一个实施例中，来自准直光源135的光竖直朝上辐射且被每个镜(仅其中的两个显示于图3c中)反射以沿相对于垂直方向倾斜的方向传输穿过掩模和衬底，且进入储集器中的感光单体树脂120。间隙325可在阻断器215的每一边缘处存在于阻断器215与相邻镜225之间，且阻断器可位于低于掩模的高度330处。每个镜可设定至控制准直光的倾斜光束315中的对应一个的方向的俯角335。可选择间隙325的宽度、阻断器上方的掩模的高度330和每个镜的俯角335以形成具有所需尺寸且具有波导部件110之间的所需交角的微桁架结构。在一些实施例中，每个镜225的俯角335可在55与70度之间，或在50与75度之间。

参看图3d，在一些实施例中，每个镜225经安置以使得其上边缘与掩模130的对应边缘极接近。举例来说，每个镜225可经安置以使得在其上边缘上的每个点处，与掩模上的最接近点的间隙340的宽度在0.1mm-2.0mm范围内(或在0.0mm-5.0mm范围内)。

每个镜225可通过镜225的顶部处或附近的铰链320支承。在一些实施例中，每条铰链320足够坚固(即，铰链中的旋转摩擦阻力足够)以支承对应镜225的重量(即，防止镜225在重力作用下在铰链320处旋转)。在操作设备之前，可手动调节镜的角度。为了制造波导部件110在公共节点处相交的微桁架结构(如例如图1a中所示)，镜225可在如图2a-3c的四镜设备的情况下经安装以使得每对相对镜中的每个镜具有平行于所述对的相对镜中的另一个镜，且与其处于相同高度的上边缘。对于四镜设备，或对于其它实施例(如三镜设备)，其可被进一步布置，使得镜经调节以使其全部具有相同俯角335。在一个实施例中，角指示器(例如购自麦克马斯特-卡尔公司(mcmaster-carr)(mcmaster.com)的角指示器，如minidigital角指示器)用于在调节每个镜时测量其俯角335。在其它实施例中，每条铰链320中的摩擦足够低，使其不足以在75度或更小的俯角下支承对应镜225的重量，且支承镜的螺纹式穿过框架中的螺纹孔的螺钉转动以邻接和挤压镜225或铰链320的较低表面，在螺钉转动时将镜提升且减小俯角335。

参看图4a和4b，在另一实施例中，四个准直光源135(其中的三个显示于图4a中，且两个显示于图4b中)经布置以朝下辐射光。来自每个准直光源135的准直光束被四个第一镜410中的对应一个反射一次且接着被共用的第二镜415(或被多个对应的第二镜)反射第二次，以形成准直光的四个倾斜光束315(其中的一个在图4a中示出)。四个倾斜光束可包括两对倾斜光束，其各自包括第一倾斜光束和第二倾斜光束(源自储集器的相对侧上的光源)，第一和第二倾斜光束具有相同仰角，且界定竖直平面(即，具有水平法向量的平面)。

在图4a和4b的实施例中，阻断器215可不存在。在图4a和4b中，镜410、415示出为第一表面镜；在其它实施例中，其为第二表面镜，各制造于对由准直光源135产生的光(例如uv光)透明的板上。

参看图5a和5b，在另一实施例中，四个准直光源135(其中的两个显示于图5a中)经布置以将准直光的倾斜光束315直接辐射穿过掩模130进入感光单体树脂120中。如同在图4a和4b的实施例中，阻断器215可不存在于图5a和5b的实施例中。

总之，在一些实施例中，储集器装纳一定量的液体感光单体，所述感光单体被配置成在暴露于合适的光(如紫外光)时聚合以形成感光聚合物。在储集器底部的掩模包括多个孔。光通过各个孔从若干方向进入储集器，在储集器内形成多个自导的感光聚合物波导。光由一个或多个准直光源供应。多个镜可反射来自单一准直光源的光以形成多个准直光束，其通过掩模从对应的多个方向照亮储集器中的感光单体，以在储集器中形成包括多个自导的波导部件的微桁架结构。

应了解，虽然本文中可以使用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种元件、组件、区域、层和/或区段，但这些元件、组件、区域、层和/或区段不应受这些术语限制。这些术语仅用于区分一个元件、组件、区域、层或区段与另一元件、组件、区域、层或区段。因此，下文论述的第一元件、组件、区域、层或区段可在不脱离本发明概念的精神和范围的情况下被称为第二元件、组件、区域、层或区段。

本文可使用例如“以下”、“下方”、“下部”、“下面”、“以上”、“上部”和类似空间相对术语以便于描述如图式中所说明的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。应理解，此类空间相对术语希望涵盖装置在使用或操作中除图中描绘的定向外的不同定向。举例来说，如果图中的装置倒过来，那么描述为“在”其它元件或特征“下方”或“以下”或“下面”的元件将定向“在”其它元件或特征“上方”。因此，示例术语“下方”和“下面”可涵盖在上方以及下方的定向。装置可以其它方式定向(例如，旋转90度或处于其它定向)，且本文中所使用的空间相对描述词应相应地进行解释。此外，还将理解，当层被称作“在”两个层“之间”时，其可为两个层之间的唯一层，或也可存在一个或多个插入层。

本文中使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，且并不意图限制本发明概念。如本文中所使用，术语“基本上”、“约”和类似术语用作近似术语，而不是作为程度术语，并且意在考虑到所属领域的一般技术人员应认识到的测量或计算值的固有偏差。如本文所用，术语“主要组分”意指构成组合物的重量的至少一半的组分，且术语“主要部分”当应用于多个项目时意指所述项目的至少一半。

如本文中所使用，除非上下文另作明确指示，否则单数形式“一(a/an)”试图也包含复数形式。应进一步理解，当用于本说明书中时，术语“包括(include)”和/或“包括(including)”指定存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组。如本文中所使用，术语“和/或”包含相关联的所列项中的一个或多个的任何以及所有组合。当在元件列表之前时，例如“中的至少一个”的表述修饰元件的整个列表并且不修饰列表的个别元件。另外，当描述本发明概念的实施例时，使用“可(may)”是指“本发明的一个或多个实施例”。此外，术语“示例性”希望指实例或说明。如本文中所使用，术语“使用(use/using/used)”可分别视为与术语“利用(utilize/utilizing/utilized)”同义。

应了解，当元件或层被称为“在”另一元件或层“上”、“连接到”、“耦合到”或“邻接于”所述另一元件或层时，其可直接在另一元件或层上、连接到、耦合到或邻接于所述另一元件或层，或可存在一个或多个中间元件或层。相比之下，当元件或层被称为“直接在”另一元件或层“上”、“直接连接到”、“直接耦合到”或“紧邻”所述另一元件或层时，不存在中间元件或层。

本文中所述的任何数值范围意图包括所述范围内包含的相同数值精度的所有子范围。举例来说，“1.0至10.0”的范围意图包括1.0的所述最小值与10.0的最大值之间(且包括在内)的子范围，也就是说，具有等于或大于1.0的最小值和等于或小于10.0的最大值，如2.4至7.6。本文中所述的任何最大数值限制意图包括其中包含的所有较低数值限制且本说明书中所述的任何最小数值限制意图包括其中包含的所有较高数值限制。

尽管已在本文中特定描述和示出用于形成自动传输的感光聚合物波导的自下而上设备设计的示例性实施例，但许多修改和变化将为所属领域的技术人员显而易见。因此，应理解，用于形成根据本发明原理构建的自动传输的感光聚合物波导的自下而上设备设计可与本文所特定描述不同地实施。本发明也定义于以下权利要求书和其等效物中。