网骨架吹击PDMS制备阵列微圆孔柔性膜系统及方法与流程

本发明涉及微细加工技术领域，特别涉及一种网骨架吹击pdms制备阵列微圆孔柔性膜系统及方法。

背景技术：

柔性阵列微孔结构常是构成柔性mems的关键结构，而且在柔性减阻蒙皮、电解柔性掩膜、玻璃喷砂加工掩膜等工艺中具有重要应用价值。由于聚二甲基硅氧烷(pdms)有机物具有化学性质稳定、透光性良好、与玻璃等硅基材料结合可靠的优点，已经成为柔性掩膜的优选材料之一。但其应用需要有效的pdms柔性阵列微孔结构制备工艺。

目前，已有一些可制备pdms微孔阵列结构柔性层的方法。基于光刻图形化方法是制备微通孔最常用的方法，虽然其微通孔制备精度比较高，但工艺效率较低、成本偏高，且由于光刻版尺寸限制难于实现大面积微通孔层的批量化制备。另外，利用飞秒激光超短脉冲定域汽化分解的方法，可加工出pdms上各种图形化微结构，但这种逐点扫描加工通孔层方法的效率还仍然较低，而且工艺成本仍然比较昂贵。

有机网骨架吹击制备pdms通孔阵列柔性膜的方法，通过高速气流吹击带pdms液膜的pa网骨架，利用吹击后的液态预聚物自身表面张力形成圆形通孔阵列后固化成型，可实现高效率、低成本、大面积制备pdms圆形通孔柔性膜。因为工艺过程影响因素较多，吹击过程参数选取还主要依赖工艺实验探索和操作经验，尚缺乏有效的吹击系统和工艺方法，难于实现重复可控的高精度批量成形，无法保证工艺过程的可靠性。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种网骨架吹击pdms制备阵列微圆孔柔性膜系统。

本发明的另一个目的在于提出一种网骨架吹击pdms制备阵列微圆孔柔性膜工艺方法，该方法作方便、成本低，适于自动化、批量化生成。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了网骨架吹击pdms制备阵列微圆孔柔性膜系统，包括：吹击控制系统、网骨架夹具系统、在线观测系统和运动控制系统，其中，所述吹击控制系统包括空压机、调压阀、流量阀和吹击气枪，所述空压机产生气源，通过所述调压阀调整所述吹击气枪的出口压力，通过所述流量阀调整所述吹击气枪的出口流量，以调节吹击网骨架的吹击气体速度；所述网骨架夹具系统包括x、y位移平台、中空载物台、万向节磁座、弹簧和夹子，在所述中空载物台正上方通过所述万向节磁座、所述弹簧及所述夹子固定所述网骨架，所述夹子夹紧所述网骨架四边，并利用所述弹簧一端拉紧所述夹子，以保证网骨架吹击过程中表面保持张力，所述弹簧另一端通过所述万向节磁座固定和调整拉紧方向，以保证在网骨架吹击过程中网骨架在x、y位置稳定；所述在线观测系统包括ccd相机、z固定板、观测计算机和图像处理软件，在所述网骨架平面上侧利用所述z固定板固定所述ccd相机，所述图像处理软件安装在所述观测计算机内，以控制所述ccd相机采集网骨架吹击过程的实时图像，并在线观测所述实时图像得到观测数据；所述运动控制系统包括控制计算机和控制系统，通过所述控制计算机接收所述观测数据，控制所述z固定板及所述x、y位移平台运动，使所述吹击气枪的高度稳定，xoy平面按照扫描路径轨迹行走。

本发明实施例的网骨架吹击pdms制备阵列微圆孔柔性膜系统，通过在线观测系统实现了封闭孔缺陷的自动化辨别和定位，提高了吹击圆孔的成孔率，同时，方便调节工艺过程参数，可实现全自动化的吹击工艺，而且工艺过程稳定、操作方便、自动化程度高，保证工艺可重复性和可靠性。

另外，根据本发明上述实施例的网骨架吹击pdms制备阵列微圆孔柔性膜系统还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述空压机、所述调压阀、所述流量阀和所述吹击气枪通过密封的气管依次进行连接。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述网骨架夹具系统还包括：led光源，通过粘接方式固定于所述x、y位移平台上侧，所述网骨架平面下侧，用于为所述在线观测系统提供光源。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述z固定板还固定所述吹击控制系统的吹击气枪，当所述运动控制系统根据所述观测数据调整所述z固定板的位置时，进而调节所述吹击气枪的吹击距离。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述在线观测系统通过判断所述实时图像中孔是否存在高亮的边缘，以辨别是否为吹透孔或封闭孔。

进一步地，在本发明的一个实施例中，当所述实时图像中存在封闭孔时，利用所述图像处理软件得出所述封闭孔所在区域位置，通过所述控制系统定位所述吹击气枪对封闭孔所在区域位置进行再次吹击，直至不存在封闭孔，当所述实时图像中不存在封闭孔时，则通过所述控制系统检测下一区域。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了网骨架吹击pdms制备阵列微圆孔柔性膜工艺方法采用上述系统中的任意组件，包括以下步骤：根据制备的阵列微圆孔柔性膜需求选择有机网骨架；通过硅油稀释剂os-20稀释聚二甲基硅氧烷pdms预聚物；将所述有机网骨架浸没于所述pdms预聚物中，得到带有pdms预聚物的有机网骨架；将所述带有pdms预聚物的有机网骨架四边夹紧；取过吹速度的0.8-1倍作为吹击速度，对所述带有pdms预聚物的有机网骨架进行扫描吹击；通过光检测在线追踪封闭孔的缺陷，对封闭孔进行多次吹击，直至吹击圆孔成孔率最大化，得到液态孔阵列掩膜；采用有机物固化方式对所述液体孔阵列掩膜进行固化，得到阵列微圆孔柔性膜。

本发明实施例的网骨架吹击pdms制备阵列微圆孔柔性膜工艺方法，通过采用光检测在线追踪封闭孔缺陷方法，实现封闭孔缺陷的自动化辨别和定位，易于与计算机图像识别技术结合，能够快速地获得优化的工艺参数，优化了吹击工艺过程和提高吹击圆孔的成孔率，同时，操作方便、成本低，适于自动化、批量化生成。

另外，根据本发明上述实施例的网骨架吹击pdms制备阵列微圆孔柔性膜工艺方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，按照预设稀释比例对所述聚二甲基硅氧烷pdms预聚物进行稀释，其中，孔径为40～100μm时，pdms:os-20比例为1:4～1:3；孔径为100～200μm时，pdms:os-20比例为1:3～3:1；孔径大于200μm时，pdms:os-20比例为1:1～3:1。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述过吹速度为通过单行多次吹击试验，当达到刚好得到单行过吹孔时的速度。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述通过光检测在线追踪封闭孔的缺陷，对封闭孔进行多次吹击，直至吹击圆孔成孔率最大化，包括：在对所述带有pdms预聚物的网骨架平面进行第一次扫描式吹击后，利用所述ccd相机采集网骨架平面的实时图像，将所述实时图像通过数据线输入所述图像处理软件中；通过所述图像处理软件对所述图像进行判断，得出拍摄区域内的封闭孔所在区域位置；通过所述运动控制系统控制所述吹击气枪对封闭孔所在区域位置进行再次吹击，直至不存在封闭孔。

其中，通过判断所述实时图像中孔是否存在高亮的边缘，以辨别是否为吹透孔或封闭孔。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的网骨架吹击pdms制备阵列微圆孔柔性膜系统结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的在线观测系统中光检测法ccd观察结果示意图；

图3为根据本发明一个实施例的网骨架吹击pdms制备阵列微圆孔柔性膜工艺方法流程图；

图4为根据本发明一个实施例中吹击法液态有机物快速分离制备柔性掩膜加工工艺流程图；

图5为根据本发明一个实施例中吹击后孔成形效果示意图；

图6为根据本发明一个实施例中在线光检测流程图；

图7为根据本发明一个具体实施例气压0.15mpa的200目网光检测优化吹击结果示意图。

附图标记说明：

10-网骨架吹击pdms制备阵列微圆孔柔性膜系统、100-吹击控制系统、101-空压机、102-调压阀、103-流量阀、104-吹击气枪、200-网骨架夹具系统、201-x、y位移平台、202-中空载物台、203-万向节磁座、204-弹簧、205-夹子、206-led光源、300-在线观测系统、301-ccd相机、302-z固定板、303-观测计算机、304-图像处理软件(图中未标出)、400-运动控制系统、401-控制计算机(图中未标出)、402-控制系统(图中未标出)和500-网骨架。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的网骨架吹击pdms制备阵列微圆孔柔性膜系统及方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的网骨架吹击pdms制备阵列微圆孔柔性膜系统。

图1是本发明一个实施例的网骨架吹击pdms制备阵列微圆孔柔性膜系统结构示意图。

如图1所示，该网骨架吹击pdms制备阵列微圆孔柔性膜系统10包括：吹击控制系统100、网骨架夹具系统200、在线观测系统300和运动控制系统400。

其中，吹击控制系统100主要包括空压机101、调压阀102、流量阀103和吹击气枪104，空压机101产生气源，通过调压阀102调整吹击气枪104的出口压力，通过流量阀103调整吹击气枪104的出口流量，以调节吹击网骨架500速度。

进一步地，在本发明的一个实施例中，空压机101、调压阀102、流量阀103和吹击气枪104通过密封的气管依次进行连接。

需要说明的，工艺系统中是利用吹击控制系统和运动控制系统共同实现吹击速度调节：吹击控制系统中的压力阀可实现无级调节出口气体的压力；吹击控制系统中的流量阀可调节出口气体的流量；而通过运动控制系统实现z轴的准确定位可调节吹击距离。通过压力阀、流量阀和z轴的联合调节，实现吹击速度的准确调节。本发明实施例可实现吹击速度调节范围为0-406m/s。

网骨架夹具系统200主要包括x、y位移平台201、中空载物台202、万向节磁座203、弹簧204和夹子205，在中空载物台202正上方通过万向节磁座203、弹簧204及夹子205固定网骨架500，夹子205夹紧网骨架500四边，并利用弹簧204一端拉紧夹子205，以保证网骨架吹击过程中表面保持张力，弹簧204另一端通过万向节磁座203固定和调整拉紧方向，以保证在网骨架吹击过程中网骨架在x、y位置稳定。

进一步地，在本发明的一个实施例中，网骨架夹具系统200还包括：

led光源206，通过粘接方式固定于x、y位移平台201上侧，网骨架平面下侧，用于为在线观测系统提供光源。

具体而言，网骨架夹具系统200主要组成部分包括x、y位移平台201、中空载物台202、4个万向节磁座203、4个弹簧204、4个夹子205及led光源206。其中，x、y位移平台201为基准，连接于机床系统上，中空载物台202通过螺钉压紧于x、y位移平台201上，万向节磁座203通过磁力吸紧固定于x、y位移平台201上，弹簧204两端具有环结构，两端分别连接万向节磁座203的末端及夹子205(夹子带有孔结构)。通过夹子205夹紧网骨架500四边，并利用弹簧204一端拉紧夹子205以在网骨架500上施加给定拉紧力，以保证网骨架吹击过程中表面保持一定的张力，网骨架网面张力用以减小吹击过程中网面的振动与变形。弹簧204另一端通过万向节磁座203固定和通过万向节磁座203调整拉紧方向。本发明实施例每个弹簧204的拉力选择为1.37n。而led光源206通过粘接方式固定于x、y位移平台201上，处于中空载物台202的正下方，主要用于提供光线，与在线观测系统配合实现在线光检测追踪及其自动化。

在线观测系统300包括ccd相机301、z固定板302、观测计算机303和图像处理软件304，在网骨架500平面上侧利用z固定板302固定ccd相机301，图像处理软件304安装在观测计算机303内，以控制ccd相机301采集网骨架吹击过程的实时图像，并在线观测实时图像得到观测数据。

进一步地，在本发明的一个实施例中，z固定板302还固定吹击控制系统的吹击气枪104，当运动控制系统400根据观测数据调整z固定板302的位置时，进而调节吹击气枪104的吹击距离。

具体而言，在线观测系统300主要由ccd相机301、z固定板302、观测计算机303和图像处理软件304组成，可实现图像的实时采集与在线观测。led光源206为在线观测系统300提供照明光源，网骨架平面上侧安装ccd相机301，图像处理软件304安装在观测计算机303内，可实现图像的实时采集与在线观测。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在线观测系统300主要通过图像处理软件304判断实时图像中孔是否存在高亮的边缘，以辨别是否为吹透孔或封闭孔。

进一步地，在本发明的一个实施例中，当实时图像中存在封闭孔时，利用图像处理软件得出封闭孔所在区域位置，通过控制系统定位吹击气枪对封闭孔所在区域位置进行再次吹击，直至不存在封闭孔，当实时图像中不存在封闭孔时，则通过控制系统检测下一区域。

运动控制系统400包括控制计算机401和控制系统402，通过控制计算机401接收观测数据，控制z固定板302及x、y位移平台201运动，使所述吹击气枪的高度稳定，xoy平面按照扫描路径轨迹行走。

具体而言，运动控制系统400主要包括控制计算机401和控制系统402，通过计算机接收、发射信号实现z固定板302及x、y位移平台201的运动控制，x、y位移平台201的位置信息通过光栅尺实时反馈，并通过数据线传输给控制计算机。在控制计算机软件中规划扫描路径及吹击高度，并将运动控制指令通过数据线传输至运动控制卡，实现z固定板302、x、y位移平台201的运动控制，实现吹击气枪104的高度控制、xoy平面的扫描路径轨迹行走。本发明实施例基于该工作原理得到的一个典型图像如图2所示。

基于上述，本发明实施例的网骨架吹击pdms制备阵列微圆孔柔性膜系统的具体工作过程为：

预先制备带有pdms预聚物的有机网骨架，通过将带有pdms预聚物的有机网骨架放置在中空载物台202上，通过夹子205夹紧网骨架500(即带有pdms预聚物的有机网骨架)四边，并利用弹簧204一端拉紧夹子205以在网骨架500上施加给定拉紧力，弹簧204另一端通过万向节磁座203固定，并通过万向节磁座203调整拉紧方向，并在中空载物台202的正下方放置led光源206；开启吹击控制系统100对网骨架500进行吹击，在线观测系统指示ccd相机301采集网骨架吹击过程的实时图像，并利用图像处理软件304分析实时图像，将分析得到的观测数据发送给运动控制系统400，运动控制系统400根据观测数据调整网络骨架夹具系统200的x、y位移平台201和/或z固定板302，进而调整ccd相机301、吹击气枪104的高度，以及网骨架中被吹击的位置，重复执行上述过程，直至ccd相机301拍摄的每一个部分的实时图像中均不存在封闭孔，生成阵列微圆孔柔性膜。

根据本发明实施例提出的网骨架吹击pdms制备阵列微圆孔柔性膜系统，通过在线观测系统实现了封闭孔缺陷的自动化辨别和定位，提高了吹击圆孔的成孔率，同时，方便调节工艺过程参数，可实现全自动化的吹击工艺，而且工艺过程稳定、操作方便、自动化程度高，保证工艺可重复性和可靠性。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的网骨架吹击pdms制备阵列微圆孔柔性膜工艺方法。

图3是本发明一个实施例的网骨架吹击pdms制备阵列微圆孔柔性膜工艺方法流程图。

如图3所示，该网骨架吹击pdms制备阵列微圆孔柔性膜工艺方法，采用上述的网骨架吹击pdms制备阵列微圆孔柔性膜系统，包括以下步骤：

在步骤s301中，根据制备的阵列微圆孔柔性膜需求选择有机网骨架。

可以理解为，如图4中(2)和(5)所示，根据制备的阵列微圆孔柔性膜需求的孔径d及孔心距x，选择方孔边长为d和丝径为w＝x-d的有机网骨架。如，若需要得到孔径为75μm，孔心距为140μm的圆孔阵列，则应该选择方孔边长为75-80μm，丝径为65μm的网骨架。

在步骤s302中，通过硅油稀释剂os-20稀释聚二甲基硅氧烷pdms预聚物。

进一步地，在本发明的一个实施例中，按照预设稀释比例对聚二甲基硅氧烷pdms预聚物进行稀释，其中，孔径为40～100μm时，pdms:os-20比例为1:4～1:3；孔径为100～200μm时，pdms:os-20比例为1:3～3:1；孔径大于200μm时，pdms:os-20比例为1:1～3:1。

在步骤s303中，将所述有机网骨架浸没于所述pdms预聚物中，得到带有pdms预聚物的有机网骨架。

需要说明的是，在配制液态pdms预聚物完成后，如图4中(2)所示，将基体有机材料网完全浸没到pdms预聚物中，令整个网面均沾上液态有机pdms预聚物。如图4中(3)所示，然后将其提起悬空，利用重力将网面上多余的液态有机pdms预聚物滴回池中。为了避免液态有机物在底端积聚阻挡下落，可令网面下垂时底部接触池壁，保证充分滴落。当网面下端不接触池壁也不会积聚液态有机物时，即可认为滴落已经充分，此时网面上保留的是均匀的液态有机pdms预聚物薄层。

在步骤s304中，将带有pdms预聚物的有机网骨架四边夹紧。

也就是说，将带有pdms预聚物薄层的网骨架安装到网骨架夹具上，其中，本发明实施例中采用的每个弹簧的拉力选择为1.37n，在此不做具体限定，本发明领域技术人员可根据实际情况进行调整。

在步骤s305中，取过吹速度的0.8-1倍作为吹击速度，对带有pdms预聚物的有机网骨架进行扫描吹击。

具体而言，如图5所示，通过单行多次吹击试验，通过观察吹击结果的成孔效果来评价吹击速度，孔的成形效果分为三类。通过单行多次吹击试验，当达到刚好得到单行过吹孔时的速度为过吹速度umax。本发明实施例中，在气枪出口移动速度为10mm/s时，该速度的参考值为：孔径40～100μm，pdms:os-20比例小于1:3，umax>340m/s；孔径100～200μm，pdms:os-20比例为1:3～3:1，200＜umax<400(m/s)；孔径大于200μm，pdms:os-20比例为1:3～3:1，80<umax<280(m/s)。对于本实施例，取过吹速度umax＝406m/s的0.8-1倍作为吹击速度u＝345m/s，对带有pdms预聚物的网骨架进行扫描吹击；其总体规律为粘度一定时，孔径越大，过吹速度越小；孔径一定时，运动粘度越大，过吹速度越大。当获得的过吹速度umax为406m/s时，则确定吹击速度为过吹速度umax的0.8倍为324m/s，并采用此吹击速度对整个带有pdms预聚物薄层整个网骨架平面进行扫描式吹击。

在步骤s306中，通过光检测在线追踪封闭孔的缺陷，对封闭孔进行多次吹击，直至吹击圆孔成孔率最大化，得到液态孔阵列掩膜。

具体地，如图6所示，步骤s306包括：

在对带有pdms预聚物的网骨架平面进行第一次扫描式吹击后，利用ccd相机采集网骨架平面的实时图像(如图2所示)，将实时图像通过数据线输入图像处理软件中。

通过图像处理软件对图像进行判断，得出拍摄区域内的封闭孔所在区域位置，其中，通过判断实时图像中孔是否存在高亮的边缘，以辨别是否为吹透孔或封闭孔。

通过运动控制系统控制定位吹击气枪对封闭孔所在区域位置进行再次吹击，直至不存在封闭孔。

也就是说，光检测在线追踪封闭孔缺陷方法：在对带有pdms预聚物的网骨架平面进行第一次扫描式吹击后，ccd相机对网骨架平面进行在线拍摄照片，相机拍照获得的图像通过数据线传输给观测计算机内的图像处理软件进行处理。然后通过图像处理软件对照片判断，利用图像识别技术及机器学习技术，得出拍摄区域内的封闭孔所在区域位置，通过运动控制系统定位气枪口对封闭孔所在区域位置进行再次吹击，重复上述过程直至达到网骨架平面封闭孔的缺陷。

需要说明的是，如图7所示，应用本发明实施例的网骨架吹击pdms制备阵列微圆孔柔性膜系统，圆孔成孔率可达到87.9％，得到的75μm孔阵列典型结果。

在步骤s307中，采用有机物固化方式对所述液体孔阵列掩膜进行固化，得到阵列微圆孔柔性膜。

具体而言，如图4中(6)所示，对于已经成型的液态孔阵列掩膜，采用紫外光固化、加热固化等常见的有机物固化方式可完成柔性膜的固化。需要说明的是，该步骤需在保证液态掩膜不被破坏的前提下，选择便于实现大面积、低成本、高效率的固化方式。以液态pdms预聚物为例，当其稀释质量比为pdms：os-20＝1:3时，可以采用60℃加热2小时的方式实现完全固化。

根据本发明实施例提出的网骨架吹击pdms制备阵列微圆孔柔性膜工艺方法，通过采用光检测在线追踪封闭孔缺陷方法，实现封闭孔缺陷的自动化辨别和定位，易于与计算机图像识别技术结合，能够快速地获得优化的工艺参数，优化了吹击工艺过程和提高吹击圆孔的成孔率，同时，操作方便、成本低，适于自动化、批量化生成。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。