一种微型螺旋结构制造方法及其制造装置与流程

本发明专利具体涉及一种微型螺旋结构制造方法及其制造装置，属于微纳器件制造技术领域。

背景技术：

微机电系统(mems，micro-electro-mechanicalsystem)，也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，指尺寸在几毫米乃至更小的高技术装置，是未来国民经济和军事科研领域的新增长点。随着微机电系统(mems)技术的发展，微型螺旋结构被广泛地应用于传感器、生物分离和微电子微通信等领域，例如微型应力传感器和微型天线等，因此各种功能材料微螺旋结构的制造技术对微机电系统(mems)技术的发展具有重要的意义。

目前微型螺旋结构主要通过传统光刻技术和三维打印的方法进行制造，这两种方法都存在制造步骤繁琐、制造装备昂贵的不足，且可制造的材料较少。例如专利一种金属螺旋微纳结构的制备方法(cn109375477a)，采用涂敷光刻胶，再用电子束刻蚀，最后显影定影的方法制备金属螺旋结构，需要使用电子束刻蚀和光刻设备，不利于广泛地推广，且制造的微螺旋结构误差大。

技术实现要素：

本发明专利的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种微型螺旋结构制造方法及其制造装置，应用于满足微机电系统中对各种功能材料微螺旋结构的制造的需求，该方法通过细棒表面涂覆牺牲层、挤压沉积微螺旋结构和微螺旋结构从细棒分离的步骤制造出各种功能材料的微螺旋结构，本发明制造的螺旋结构具有精度高、可制造材料种类多和制造运营成本低的优点。

为解决所述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种微型螺旋结构制造方法，包括以下步骤

①细棒表面涂覆牺牲层步骤，进一步的首先将直径略小于被制造微螺旋结构内径的细棒通过直径等于被制造微螺旋结构内径的细孔，浸入到牺牲层溶液中；然后沿细孔的轴线缓慢的向上提升，最后采用冷却、紫外照射等方法，使牺牲层固化获得均匀涂覆牺牲层的细棒。

②挤压沉积微螺旋结构步骤，进一步的首先将挤压沉积喷头置于均匀涂覆牺牲层的细棒表面之上，然后使挤压沉积喷头相对于涂覆牺牲层的细棒产生与微螺旋结构的相同的螺旋运动，同时沉积墨水由挤压沉积喷头挤出沉积到均匀涂覆牺牲层的细棒表面之上形成微螺旋结构；最后采用采用挥发、紫外照射等方法使微螺旋结构充分地固化。

③微螺旋结构从细棒分离步骤，进一步的首先将缠绕有微螺旋结构的均匀涂覆牺牲层的细棒置于牺牲层溶解溶液中，将细棒表面的涂覆牺牲层溶解在溶解溶液中，将细棒取出获得沉积在牺牲层溶液底部的微螺旋结构。

所述细棒表面涂覆牺牲层步骤①中的涂覆牺牲层材料为高粘弹性可固化的有机物或能够在无剪切应力条件下保持固体特性的粘稠液体，例如石蜡、光固胶等。

所述挤压沉积微螺旋结构步骤②中的沉积墨水通过气动或螺杆的方式挤压流出沉积喷头，通过控制压力或者螺杆的运动，可以精确的调节沉积墨水挤出速度。

所述沉积墨水，进一步的为高的黏弹性流体，即当受到剪切应力聚合物具有很高的流动性，确保其从挤压沉积喷头内挤出；而当不受剪切应力时，聚合物将表现出固体特性，沉积到均匀涂覆牺牲层的细棒后最大程度的保持圆形横截面。

所述挤压沉积微螺旋结构步骤②中通过挤压沉积喷头相对于涂覆牺牲层的螺旋运动控制微螺旋结构的形状，通过调节沉积喷头的内孔径大小、沉积速度控制微螺旋结构的粗细。沉积喷头的内孔径越大，微螺旋结构的越粗；沉积速度越大，微螺旋结构的越细。

所述微螺旋结构从细棒分离步骤③中的牺牲层溶解溶液能够溶解相应的牺牲层，且不会损坏步骤②中挤压沉积获得的螺旋结构。同时考虑到微螺旋结构的制造效率，优选能够快速溶解牺牲层的牺牲层溶解溶液。

一种微型螺旋结构制造装置，包括工位移动平台、竖直运动平台、旋转平台、细棒、牺牲层溶液容器、挤压沉积系统和牺牲层溶解溶液容器，进一步的所述竖直运动平台安装于所述工位移动平台的运动部分，所述旋转平台安装于所述竖直运动平台的运动部分，所述细棒安装于所述旋转平台的运动部分，所述牺牲层溶液容器、挤压沉积系统和牺牲层溶解溶液容器依次顺序放置在所述工位移动平台的下方。

所述微型螺旋结构制造装置，进一步的牺牲层溶液容器的正上方安装有限制孔，其内部盛有牺牲层溶液。

所述微型螺旋结构制造装置，进一步的挤压沉积系统包括挤压沉积喷头和气动挤出器。

所述微型螺旋结构制造装置，进一步的所述牺牲层溶解溶液容器内部盛有用于溶解牺牲层的溶液，应用于快速地溶解细棒表面的牺牲层材料。

本发明的有益效果：

①相比于自由支撑式的三维打印制造的微型螺旋结构，本发明的方法可以高精地制造微型螺旋结构，螺旋结构的螺距、直径具有高的均匀性。

②通过改变沉积墨水的种类，可以制造出各种各样功能材料的微型螺旋结构，例如导电的金属银微螺旋结构、荧光材料微螺旋结构等。

③相比于传统光刻和三维打印方法制造微螺旋结构需要昂贵精密的打印装备，本发明的方法仅需要简单的器材，制造成本低，且适用于大规模的生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的微型螺旋结构制造方法流程图；

图2为本发明实施例所提供的直线式微型螺旋结构制造装置结构示意图；

图3为本发明实施例所提供的转动式微型螺旋结构制造装置结构示意图。

以上各图中：大行程水平式移动平台1、竖直运动平台2、旋转平台3、细棒4、牺牲层溶液容器5、限制孔51、电阻丝加热器52、遮光装置53、紫外照射灯54、挤压沉积系统6、挤压沉积喷头61、气动挤出器62、牺牲层溶解溶液容器7和转动式移动平台8。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施方式

实施例1：如图1和2所示，一种直线式微型螺旋结构制造装置，包括大行程水平移动平台1、竖直运动平台2、旋转平台3、细棒4、牺牲层溶液容器5、挤压沉积系统6和牺牲层溶解溶液容器7，

竖直运动平台2安装于大行程水平移动平台1的运动部分，旋转平台3安装于竖直运动平台2的运动部分，细棒4安装于旋转平台3的运动部分，牺牲层溶液容器5、挤压沉积系统6和牺牲层溶解溶液容器7依次顺序放置在大行程水平移动平台1的下方。

牺牲层溶液容器5、挤压沉积系统6和牺牲层溶解溶液容器7在同一条直线上，在大行程水平移动平台1的作用下，竖直运动平台2、旋转平台3、细棒4可以依次经过牺牲层溶液容器5、挤压沉积系统6和牺牲层溶解溶液容器7工位，分别实现细棒表面涂覆牺牲层、挤压沉积微螺旋结构和微螺旋结构从细棒分离步骤。

微型螺旋结构制造装置，牺牲层溶液容器5的正上方安装有限制孔51，牺牲层溶液容器5的四周安装有电阻丝加热器52，应用于加热固体石蜡，使其熔化为液体状态，并使其处于60℃。

牺牲层溶液容器5内部盛有熔化状态的石蜡。

微型螺旋结构制造装置，挤压沉积系统6包括挤压沉积喷头61和气动挤出器62，其中挤压沉积喷头61的内孔径大小为80μm。气动挤出器62输出100-500kpa的压力差迫使沉积墨水流出挤压沉积喷头61。

牺牲层溶解溶液容器7内盛有丙酮有机溶液。

如图1和2所示，一种微型螺旋结构制造方法，包括以下步骤：

①竖直运动平台2、旋转平台3、细棒4位于牺牲层溶液容器5工位，对直径为0.8mm的不锈钢材料细棒的表面涂覆石蜡牺牲层，首先将0.8mm的不锈钢材料的细棒通过1.0mm内径的细孔，并浸入到60℃石蜡牺牲层溶液中，然后沿细孔的轴线缓慢的向上提升，不锈钢材料的细棒离开石蜡牺牲层溶液时，不锈钢材料的细棒的表面将覆盖一层较厚的石蜡牺牲层溶液，随着提升高度的增大，不锈钢材料的细棒的表面的石蜡牺牲层溶液冷却固化，然后经过1.0mm内径的细孔，由于固体石蜡的硬度很小，因此利用细孔边缘的切削作用，很容易在0.8mm的不锈钢材料细棒表面获得圆度高、粗糙度小的固体石蜡涂层，形成0.8mm内芯不锈钢-1.0mm外壳石蜡圆柱结构。

②在大行程水平移动平台1的作用下，使竖直运动平台2、旋转平台3、细棒4移动到挤压沉积系统6的工位，在银纳米颗粒胶体在0.8mm内芯不锈钢-1.0mm外壳石蜡圆柱上挤压沉积微螺旋结构，挤压沉积墨水由银纳米颗粒溶解在聚丙烯酸的水溶液中，具体讲，银纳米颗粒的平均直径在20±2nm范围，以75％的质量分数溶解到聚丙烯酸的水溶液(聚丙烯酸与水的体积比为1:3)中，将装载有75％的银纳米颗粒聚丙烯酸的水溶液挤压沉积喷头置于在0.8mm内芯不锈钢-1.0mm外壳石蜡圆柱表面之上，然后使内孔径大小为80μm的挤压沉积喷头相对于在0.8mm内芯不锈钢-1.0mm外壳石蜡圆柱产生与微螺旋结构的相同的螺旋运动，同时在0.8mm内芯不锈钢-1.0mm外壳石蜡圆柱由挤压沉积喷头挤出沉积到均匀涂覆牺牲层的细棒表面之上形成微螺旋结构，在该过程中使挤压沉积喷头与石蜡圆柱表面的相对速度保持在1.0mm/s，75％的银纳米颗粒聚丙烯酸的水溶液在沉积后聚丙烯酸的水溶液中的水经过挥发后，形成银纳米颗粒和聚丙烯酸材料的微螺旋结构。

③在大行程水平移动平台1的作用下，使竖直运动平台2、旋转平台3、细棒4移动到牺牲层溶解溶液容器7的工位，将银纳米颗粒材料的微螺旋结构从0.8mm内芯不锈钢-1.0mm外壳石蜡圆柱细棒分离，在这里我们选择丙酮作为石蜡牺牲层的溶解液，将缠绕有银纳米颗粒材料微螺旋结构的牺牲层的细棒置于丙酮有机溶解溶液中，将细棒表面的涂覆的0.1mm厚的石蜡牺牲层溶解在丙酮有机溶解溶液中，实现银纳米颗粒材料的微螺旋结构的分离，将未溶解的不锈钢细棒取出获得沉积在牺牲层溶液底部的银纳米颗粒材料微螺旋结构(粗细为80μm，螺旋内直径为1mm)。

实施例2：如图1和3所示，一种转动式微型螺旋结构制造装置，包括转动式移动平台8、竖直运动平台2、旋转平台3、细棒4、牺牲层溶液容器5、挤压沉积系统6和牺牲层溶解溶液容器7，

竖直运动平台2安装于转动式移动平台8的运动部分，旋转平台3安装于竖直运动平台2的运动部分，细棒4安装于旋转平台3的运动部分，牺牲层溶液容器5、挤压沉积系统6和牺牲层溶解溶液容器7依次顺序放置在转动式移动平台8的下方。

牺牲层溶液容器5、挤压沉积系统6和牺牲层溶解溶液容器7分布在同一圆周上，转动式移动平台8位于圆周的中心位置，利用该转动式移动平台8，使竖直运动平台2、旋转平台3、细棒4可以依次分别位于牺牲层溶液容器5、挤压沉积系统6和牺牲层溶解溶液容器7工位，分别实现细棒表面涂覆牺牲层、挤压沉积微螺旋结构和微螺旋结构从细棒分离步骤。

微型螺旋结构制造装置，进一步的牺牲层溶液容器5的正上方安装有限制孔51和紫外照射灯54，牺牲层溶液容器5的四周安装有遮光装置53，避免牺牲层溶液容器内盛有的光固聚合物遇光发生固化。

牺牲层溶液容器5内部盛有高粘弹性的紫外固化聚合物loctite352，即当不锈钢细棒4插入到盛有高粘弹性的紫外固化聚合物loctite352时，其受到剪切应力聚合物具有很高的流动性，确保其能够粘附在不锈钢细棒4表面上；而当不受剪切应力时，聚合物将表现出固体特性，确保其通过限制孔51后依旧保持原有的圆柱形状。

微型螺旋结构制造装置，进一步的挤压沉积系统6包括挤压沉积喷头61和气动挤出器62，其中挤压沉积喷头61的内孔径大小为80μm。气动挤出器62输出0.2-1.0mpa的压力差迫使沉积墨水流出挤压沉积喷头61。

牺牲层溶解溶液容器7内盛有四氯化碳有机溶液。

如图1和3所示，一种转动式微型螺旋结构制造方法，包括以下步骤：

①竖直运动平台2、旋转平台3、细棒4位于牺牲层溶液容器5工位，对直径为0.8mm的不锈钢材料细棒的表面涂覆高粘弹性的紫外固化聚合物牺牲层，首先将0.8mm的不锈钢材料的细棒通过1.0mm内径的细孔，并浸入到高粘弹性的紫外固化聚合物牺牲层溶液中，然后沿细孔的轴线缓慢的向上提升，不锈钢材料的细棒离开高粘弹性的紫外固化聚合物牺牲层溶液时，不锈钢材料的细棒的表面将覆盖一层较厚的高粘弹性的紫外固化聚合物，然后经过1.0mm内径的细孔，由于紫外固化聚合物具有很高粘弹性，因此利用细孔边缘的切削作用，并经过紫外照射灯54的紫外照射可以在0.8mm的不锈钢材料细棒表面获得圆度高、粗糙度小的固体紫外固化聚合物涂层，形成0.8mm内芯不锈钢-1.0mm外壳紫外固化聚合物圆柱结构。

②在转动式移动平台8的作用下，使竖直运动平台2、旋转平台3、细棒4转动到挤压沉积系统6的工位，挤压沉积墨水为商业的乐泰596有机硅橡胶。其粘度为73500mpa.s，且具有高的粘弹性，即当受到剪切应力聚合物具有很高的流动性，确保其从挤压沉积喷头61内挤出；而当不受剪切应力时，聚合物将表现出固体特性，沉积到均匀涂覆牺牲层的细棒4后最大程度的保持圆形横截面。将装载有乐泰596有机硅橡胶挤压沉积喷头置于在0.8mm内芯不锈钢-1.0mm外壳紫外固化聚合物圆柱表面之上，然后使内孔径大小为100μm的挤压沉积喷头相对于在0.8mm内芯不锈钢-1.0mm外壳紫外固化聚合物圆柱产生与微螺旋结构的相同的螺旋运动，同时在0.8mm内芯不锈钢-1.0mm外壳紫外固化聚合物圆柱由挤压沉积喷头挤出沉积到均匀涂覆牺牲层的细棒表面之上形成微螺旋结构，在该过程中使挤压沉积喷头与石蜡圆柱表面的相对速度保持在2.0mm/s，596有机硅橡胶与空气中的水进行充分的反应，形成有机硅橡胶材料的微螺旋结构。

③在转动式移动平台8的作用下，使竖直运动平台2、旋转平台3、细棒4转动到牺牲层溶解溶液容器7的工位，将有机硅橡胶材料的微螺旋结构从0.8mm内芯不锈钢-1.0mm外壳紫外固化聚合物圆柱细棒分离，在这里我们选择四氯化碳作为紫外固化聚合物牺牲层的溶解液，将缠绕有有机硅橡胶材料微螺旋结构的牺牲层的细棒置于四氯化碳有机溶解溶液中，将细棒表面的涂覆的0.1mm厚的紫外固化聚合物牺牲层溶解在四氯化碳有机溶解溶液中，实现有机硅橡胶材料的微螺旋结构的分离，将未溶解的不锈钢细棒取出获得沉积在牺牲层溶液底部的有机硅橡胶微螺旋结构(粗细为100μm，螺旋内直径为1mm)。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。