一種基于表面張力自洽的微通道制造裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于表面張力自洽的微通道制造裝置，包括用于盛裝Ga?In液態(tài)合金的缸體、設(shè)置在缸體上方的用于噴射金屬粉末的聚焦裝置和控制系統(tǒng)；缸體內(nèi)設(shè)有一可在缸體內(nèi)升降的支撐平臺(tái)；在缸體內(nèi)的Ga?In液態(tài)合金的液面上方設(shè)有感應(yīng)加熱工位；聚焦裝置固定在移動(dòng)平臺(tái)上，并由移動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)其在二維作平面運(yùn)動(dòng)；控制系統(tǒng)，用于控制支撐平臺(tái)按照預(yù)設(shè)升降速度作上升或下降運(yùn)動(dòng)和控制移動(dòng)平臺(tái)按照預(yù)設(shè)運(yùn)動(dòng)軌跡在二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。在制造過程中，聚焦裝置由移動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)，可在二維平面精確地運(yùn)動(dòng)，形成各種各樣的軌跡。通過控制系統(tǒng)設(shè)置所需運(yùn)動(dòng)軌跡，即微通道的截面形狀、圖案等，通過聚焦裝置就能方便快捷地加工出任意形狀的微通道。
【專利說明】
一種基于表面張力自洽的微通道制造裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及微通道制造制備領(lǐng)域，尤其涉及一種基于表面張力自洽的微通道制造裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]微通道制造的方法有很多，如光刻加工法、熔融拉制法、軟化拉制法、飛秒激光加工法、注塑法、熱壓法、金屬腐蝕法、LIGA法和1^-1^6々法[1—3]。其中，光刻加工法較多用于硅微通道制造;熔融拉制法、軟化拉制法和飛秒激光加工法多用于玻璃微通道的制造;注塑法和熱壓法常用于聚合物微通道的制造。金屬微通道的制造常用金屬腐蝕法、LIGA法和UV-LIGA 法。
[0003]金屬腐蝕法[4]就是先在基板上使用保護(hù)膜保護(hù)不需腐蝕的部位，然后用化學(xué)或電化學(xué)方式腐蝕掉不需要的部位的一種加工方法?；瘜W(xué)腐蝕法腐蝕速度較快，但是腐蝕液對(duì)環(huán)境有很大的危害性。電化學(xué)腐蝕法對(duì)環(huán)境的污染較小，但是蝕刻深度不易控制。
[0004]1^6六法[5]是一種基于X射線光刻的加工方法，其工藝步驟主要包括X射線深度同步輻射光刻、電鑄和剝模。電鑄的基本原理是以按所需形狀制成的原模作為陰極，用電鑄材料作為陽極，一起放進(jìn)與陽極材料相同的金屬鹽溶液中。通電后，原模表面逐漸沉積出金屬電鑄層。當(dāng)電鑄層達(dá)到所需厚度后，從溶液中取出，并將電鑄層與原模分離，即可獲得與原模形狀相對(duì)應(yīng)的復(fù)制件。
[0005]群-1^64法[6]與LIGA法的工藝步驟一致，主要的區(qū)別在于光刻時(shí)采用的光源不同。UV-LIGA法在光刻時(shí)采用近紫外光，與LIGA法相比，大大降低了加工成本。然而，X射線的平行度非常高、輻射強(qiáng)度強(qiáng)，使LIGA技術(shù)能夠制造出高寬比很大且結(jié)構(gòu)側(cè)壁光滑的微通道。
[0006]然而它們普遍存在的缺點(diǎn)如下:
[0007]金屬腐蝕法使用化學(xué)腐蝕液時(shí)會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害。金屬腐蝕法難以控制腐蝕過程，無法精確控制腐蝕深度，因此得到的微通道尺寸精度較差，只適用于對(duì)尺寸要求不高的場(chǎng)合。并且，金屬腐蝕法常用于槽型微通道的制造，無法方便快捷地制造出任意形狀的微通道。
[0008]LIGA法是一種基于X射線光刻的加工方法，成本很高。由于加工過程采用了光刻工藝，無法制造出任意形狀的微通道，常用于制造槽型微通道。加工得到的微通道寬度在數(shù)十微米到數(shù)百微米之間，無法得到更小尺度的微通道，例如納米尺度。
[0009]UV-LIGA法與LIGA法的加工工藝一致。因此，這種加工方法同樣無法加工出任意形狀的微通道，也無法獲得更小尺度的微通道。
[0010]可見，它們大多都是在基板上加工獲得微通道，無法制造出單獨(dú)的微通道器件。
[0011]參考文獻(xiàn):
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種基于表面張力自洽的微通道制造裝置，解決現(xiàn)有金屬微通道制造工藝中無法加工任意形狀微通道、無法加工納米尺度微通道以及無法得到單獨(dú)的微通道器件等技術(shù)問題。
[0019]本實(shí)用新型通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0020]—種基于表面張力自洽的微通道制造裝置，包括用于盛裝Ga-1n液態(tài)合金5的缸體
6、設(shè)置在缸體6上方的用于噴射金屬粉末的聚焦裝置2和控制系統(tǒng)；
[0021 ]缸體6內(nèi)設(shè)有一可在缸體6內(nèi)升降的支撐平臺(tái)4;在缸體6內(nèi)的Ga-1n液態(tài)合金5的液面上方設(shè)有感應(yīng)加熱工位3 ；
[0022]聚焦裝置2固定在移動(dòng)平臺(tái)I上，并由移動(dòng)平臺(tái)I帶動(dòng)其在二維作平面運(yùn)動(dòng)；
[0023]控制系統(tǒng)，用于控制支撐平臺(tái)4按照預(yù)設(shè)升降速度作上升或下降運(yùn)動(dòng)和控制移動(dòng)平臺(tái)I按照預(yù)設(shè)運(yùn)動(dòng)軌跡在二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。
[0024]聚焦裝置2為一個(gè)具有進(jìn)口10和出口 11的管狀噴頭，在管狀噴頭內(nèi)軸向方向上依次設(shè)有通過隔板21相互間隔的多個(gè)腔室22;各隔板21上分別開設(shè)有相互同心的通孔23;各通孔23的孔徑由進(jìn)口 10端至出口 11端依次逐漸縮小。
[0025]所述缸體6的外壁設(shè)有冷卻水循環(huán)通道，用于在加工微通道時(shí)，對(duì)Ga-1n液態(tài)合金5進(jìn)行冷卻。
[0026]所述支撐平臺(tái)4的熔點(diǎn)大于金屬粉末的熔點(diǎn)。
[0027]所述支撐平臺(tái)4固定在一抽拉桿7上，抽拉桿7的下端伸出缸體6的底部并與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，控制系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)并帶動(dòng)抽拉桿7上升或下降，進(jìn)而使支撐平臺(tái)4在缸體6內(nèi)作直線上升或直線下降運(yùn)動(dòng)。
[0028]一種基于表面張力自洽的微通道制造方法如下:
[0029]初始時(shí)刻，支撐平臺(tái)4的上部露出Ga-1n液態(tài)合金5的液面，下部則浸沒在Ga-1n液態(tài)合金5中；先通過感應(yīng)加熱工位3對(duì)支撐平臺(tái)4的上部進(jìn)行加熱;此時(shí)支撐平臺(tái)4的上部溫度高于金屬粉末的熔點(diǎn)；
[0030]先通過控制系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定移動(dòng)平臺(tái)I的初始運(yùn)動(dòng)軌跡，該初始運(yùn)動(dòng)軌跡就是待加工的微通道的截面輪廓形狀的軌跡;然后金屬粉末通過輸送裝置由聚焦裝置2的進(jìn)口 10進(jìn)入其內(nèi)、由出口 11噴出，并按照移動(dòng)平臺(tái)I的初始運(yùn)動(dòng)軌跡噴落在支撐平臺(tái)4上后，被支撐平臺(tái)4熔化成金屬熔液，形成微通道的截面形狀輪廓，與此同時(shí)，繼續(xù)噴落在金屬熔液上的金屬粉末被fe融;完成移動(dòng)平臺(tái)I的初始運(yùn)動(dòng)軌跡；
[0031]接著，控制系統(tǒng)控制支撐平臺(tái)4按照預(yù)設(shè)的下降速度逐漸下移，而此時(shí)由于感應(yīng)加熱工位3的協(xié)同加熱作用，待加工的微通道8頂部始終保持熔融狀態(tài)，形成熔融區(qū)域9，而熔融區(qū)域9以下則被Ga-1n液態(tài)合金5浸沒，并隨著支撐平臺(tái)4的逐漸下沉而逐漸被冷卻固化，并逐漸形成微通道8的結(jié)構(gòu)體，直至微通道8的結(jié)構(gòu)體完全成型，從而獲得所需形狀結(jié)構(gòu)的微通道。
[0032]在金屬粉末通過輸送裝置被送入聚焦裝置2的進(jìn)口10時(shí)，氣流13攜帶金屬粉末12依次經(jīng)過各個(gè)通孔23、各個(gè)腔室22，由于通孔的孔徑逐漸依次縮小，在氣流的拖曳力以及金屬粉末自身較大慣性的作用下，金屬粉末12沿軸線通過各個(gè)通孔23、腔室22，并在多級(jí)逐次縮小的通孔23聚焦作用下，最后從出口 11流出的金屬粉末12將被聚焦成束狀。
[0033]待加工的微通道8頂部始終保持熔融狀態(tài)，形成熔融區(qū)域9后，S卩，移動(dòng)平臺(tái)I帶動(dòng)聚焦裝置走完一遍初始運(yùn)動(dòng)軌跡后停止不動(dòng)或仍然按初始運(yùn)動(dòng)軌跡繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，但仍然持續(xù)噴射金屬粉末。當(dāng)移動(dòng)平臺(tái)I帶動(dòng)聚焦裝置走完一遍初始運(yùn)動(dòng)軌跡后，若停止不動(dòng)，此時(shí)僅向該熔融區(qū)域9中的任意一個(gè)點(diǎn)位噴出金屬粉末，在金屬熔液內(nèi)部的馬蘭戈尼效應(yīng)下，使其質(zhì)量自動(dòng)重新分配。
[0034]本實(shí)用新型相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果:
[0035]本實(shí)用新型在制造過程中，聚焦裝置由移動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)，可在二維平面精確地運(yùn)動(dòng)，形成各種各樣的軌跡。通過控制系統(tǒng)設(shè)置所需運(yùn)動(dòng)軌跡(運(yùn)動(dòng)軌跡就是所要得到的微通道的截面形狀、圖案等)，通過聚焦裝置就能方便快捷地加工出任意形狀的微通道。
[0036]本實(shí)用新型通過改變聚焦裝置中各隔板通孔的孔徑或增加隔板的數(shù)量，即可方便地調(diào)節(jié)出口金屬粉末束的直徑，從而快捷地加工出不同尺寸的微通道，大到數(shù)百微米，小到幾個(gè)納米。
[0037]本實(shí)用新型在制造的過程中，采用感應(yīng)加熱工位(采用感應(yīng)線圈)加熱和Ga-1n液態(tài)合金冷卻兩種強(qiáng)制換熱的方法，在微通道中形成高溫度梯度，促進(jìn)晶粒在熱流反方向的生長(zhǎng)，提高了微通道的縱向力學(xué)性能。
[0038]本實(shí)用新型加工出來的微通道可以作為一個(gè)獨(dú)立器件進(jìn)行應(yīng)用，而不必依賴基板。
[0039]本實(shí)用新型技術(shù)手段簡(jiǎn)便易行，且用到的原料如冷卻水循環(huán)通道的水、Ga-1n合金等都可循環(huán)利用，不僅取材容易，而且環(huán)保經(jīng)濟(jì)。
【附圖說明】
[0040]圖1為本實(shí)用新型基于表面張力自洽的微通道制造裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041]圖2為微通道制造過程示意圖；圖中，隨著支撐平臺(tái)的逐漸下移，浸沒在Ga-1n液態(tài)合金下的微通道結(jié)構(gòu)體逐漸成型。
[0042]圖3為聚焦裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0043]圖4為金屬粉末12隨著氣流13經(jīng)過聚焦裝置中的通孔進(jìn)入下一個(gè)腔室時(shí)的動(dòng)態(tài)聚焦原理示意；圖中，金屬粉末12離開某一個(gè)通孔進(jìn)入下一個(gè)腔室之后氣流擴(kuò)散，但擴(kuò)散的速度較小，并且金屬粉末的慣性較大，因此金屬粉末將保持在軸線附近。在多級(jí)孔徑逐漸縮小的通孔聚焦作用下，最后從出口流出的金屬粉末將被聚焦成束狀。
[0044]圖5為舉例在加工圓形結(jié)構(gòu)微通道時(shí)的工作狀態(tài)示意圖；圖中，聚焦裝置定位在A點(diǎn)噴出金屬粉末，由于熔體內(nèi)部的馬蘭戈尼流14，質(zhì)量可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)重新分配。
【具體實(shí)施方式】
[0045]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步具體詳細(xì)描述。
[0046]實(shí)施例
[0047]如圖1至5所示。本實(shí)用新型公開了一種基于表面張力自洽的微通道制造裝置，包括用于盛裝Ga-1n液態(tài)合金5(常溫為液體)的缸體6、設(shè)置在缸體6上方的用于噴射金屬粉末的聚焦裝置2和控制系統(tǒng)(圖中未示出)；
[0048]缸體6內(nèi)設(shè)有一可在缸體6內(nèi)升降的支撐平臺(tái)4;在缸體6內(nèi)的Ga-1n液態(tài)合金5的液面上方設(shè)有感應(yīng)加熱工位3 ；
[0049]聚焦裝置2固定在移動(dòng)平臺(tái)I上，并由移動(dòng)平臺(tái)I帶動(dòng)其在二維(XZ)作平面運(yùn)動(dòng);移動(dòng)平臺(tái)I的運(yùn)動(dòng)可通過本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的絲桿機(jī)構(gòu)或精密齒輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)。
[0050]控制系統(tǒng)，用于控制支撐平臺(tái)4按照預(yù)設(shè)升降速度作上升或下降運(yùn)動(dòng)和控制移動(dòng)平臺(tái)I按照預(yù)設(shè)運(yùn)動(dòng)軌跡在二維(xz)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。控制移動(dòng)平臺(tái)I的預(yù)設(shè)運(yùn)動(dòng)軌跡，根據(jù)待加工的微通道的截面形狀及尺寸等決定;如果要加工圓柱形微通道，則移動(dòng)平臺(tái)I帶動(dòng)聚焦裝置2按照?qǐng)A形軌跡移動(dòng)(如圖5所示)。
[0051]聚焦裝置2為一個(gè)具有進(jìn)口10和出口 11的管狀噴頭，在管狀噴頭內(nèi)軸向方向上依次設(shè)有通過隔板21相互間隔的多個(gè)腔室22;各隔板21上分別開設(shè)有相互同心的通孔23;各通孔23的孔徑由進(jìn)口 10端至出口 11端依次逐漸縮小。
[0052]所述缸體6的外壁設(shè)有冷卻水循環(huán)通道，用于在加工微通道時(shí)，對(duì)Ga-1n液態(tài)合金5進(jìn)行冷卻。
[0053]所述支撐平臺(tái)4可采用高溫耐熱材料，其熔點(diǎn)應(yīng)當(dāng)大于金屬粉末的熔點(diǎn)。
[0054]所述支撐平臺(tái)4固定在一抽拉桿7上，抽拉桿7的下端伸出缸體6的底部并與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，控制系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)并帶動(dòng)抽拉桿7上升或下降，進(jìn)而使支撐平臺(tái)4在缸體6內(nèi)作直線上升或直線下降運(yùn)動(dòng)。抽拉桿7的運(yùn)動(dòng)也可通過本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的絲桿機(jī)構(gòu)或精密齒輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)。
[0055]本實(shí)用新型基于表面張力自洽的微通道制造方法，可通過如下步驟實(shí)現(xiàn):
[0056]初始時(shí)刻，支撐平臺(tái)4的上部露出Ga-1n液態(tài)合金5的液面，下部則浸沒在Ga-1n液態(tài)合金5中；先通過感應(yīng)加熱工位3對(duì)支撐平臺(tái)4的上部進(jìn)行加熱;此時(shí)支撐平臺(tái)4的上部溫度高于金屬粉末的熔點(diǎn)；
[0057]先通過控制系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定移動(dòng)平臺(tái)I的初始運(yùn)動(dòng)軌跡，該初始運(yùn)動(dòng)軌跡就是待加工的微通道的截面輪廓形狀的軌跡;然后金屬粉末通過輸送裝置由聚焦裝置2的進(jìn)口 10進(jìn)入其內(nèi)、由出口 11 (噴嘴)噴出，并按照移動(dòng)平臺(tái)I的初始運(yùn)動(dòng)軌跡噴落在支撐平臺(tái)4上后，被支撐平臺(tái)4熔化成金屬熔液，形成微通道的截面形狀輪廓，與此同時(shí)，繼續(xù)噴落在金屬熔液上的金屬粉末被熔融;完成移動(dòng)平臺(tái)I的初始運(yùn)動(dòng)軌跡；
[0058]接著，控制系統(tǒng)控制支撐平臺(tái)4按照預(yù)設(shè)的下降速度逐漸下移，而此時(shí)由于感應(yīng)加熱工位3的協(xié)同加熱作用，待加工的微通道8頂部(在Ga-1n液態(tài)合金5的液面上)始終保持熔融狀態(tài)，形成熔融區(qū)域9，而熔融區(qū)域9以下則被Ga-1n液態(tài)合金5浸沒，并隨著支撐平臺(tái)4的逐漸下沉而逐漸被冷卻固化，并逐漸形成微通道8的結(jié)構(gòu)體，直至微通道8的結(jié)構(gòu)體完全成型，從而獲得所需形狀結(jié)構(gòu)的微通道。Ga-1n液態(tài)合金5常溫為液體，導(dǎo)熱系數(shù)極大，可以很快地帶走由熔融區(qū)域9傳遞到微通道8下部的熱量，對(duì)微通道8起冷卻的作用。而傳遞到Ga-1n 液態(tài)合金 5 中的熱量則由冷卻水循環(huán)通道的冷卻循環(huán)水帶走。
[0059]在金屬粉末通過輸送裝置被送入聚焦裝置2的進(jìn)口10時(shí)，氣流13攜帶金屬粉末12依次經(jīng)過各個(gè)通孔23、各個(gè)腔室22，由于通孔的孔徑逐漸依次縮小，在(大小可調(diào)的高速)氣流的拖曳力以及金屬粉末自身較大慣性的作用下，金屬粉末12沿軸線通過各個(gè)通孔23、腔室22，并在多級(jí)逐次縮小的通孔23聚焦作用下，最后從出口 11流出的金屬粉末12將被聚焦成束狀。
[0060]待加工的微通道8頂部始終保持熔融狀態(tài)，形成熔融區(qū)域9后，S卩，移動(dòng)平臺(tái)I帶動(dòng)聚焦裝置走完一遍初始運(yùn)動(dòng)軌跡后停止不動(dòng)或仍然按初始運(yùn)動(dòng)軌跡繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，但仍然持續(xù)噴射金屬粉末。當(dāng)移動(dòng)平臺(tái)I帶動(dòng)聚焦裝置走完一遍初始運(yùn)動(dòng)軌跡后，若停止不動(dòng)，此時(shí)僅向該熔融區(qū)域9中的任意一個(gè)點(diǎn)位噴出金屬粉末，在金屬熔液內(nèi)部的馬蘭戈尼效應(yīng)下，使其質(zhì)量自動(dòng)重新分配。
[0061 ]如上所述，便可較好地實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型。
[0062]本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于表面張力自洽的微通道制造裝置，其特征在于:包括用于盛裝Ga-1n液態(tài)合金(5)的缸體(6)、設(shè)置在缸體(6)上方的用于噴射金屬粉末的聚焦裝置(2)和控制系統(tǒng)；缸體(6)內(nèi)設(shè)有一可在缸體(6)內(nèi)升降的支撐平臺(tái)(4);在缸體(6)內(nèi)的Ga-1n液態(tài)合金(5)的液面上方設(shè)有感應(yīng)加熱工位(3); 聚焦裝置(2)固定在移動(dòng)平臺(tái)(I)上，并由移動(dòng)平臺(tái)(I)帶動(dòng)其在二維作平面運(yùn)動(dòng)； 控制系統(tǒng)，用于控制支撐平臺(tái)(4)按照預(yù)設(shè)升降速度作上升或下降運(yùn)動(dòng)和控制移動(dòng)平臺(tái)(I)按照預(yù)設(shè)運(yùn)動(dòng)軌跡在二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于表面張力自洽的微通道制造裝置，其特征在于:聚焦裝置(2)為一個(gè)具有進(jìn)口(10)和出口(11)的管狀噴頭，在管狀噴頭內(nèi)軸向方向上依次設(shè)有通過隔板(21)相互間隔的多個(gè)腔室(22);各隔板(21)上分別開設(shè)有相互同心的通孔(23)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于表面張力自洽的微通道制造裝置，其特征在于:各通孔(23)的孔徑由進(jìn)口( 1)端至出口( 11)端依次逐漸縮小。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于表面張力自洽的微通道制造裝置，其特征在于:所述缸體(6)的外壁設(shè)有冷卻水循環(huán)通道，用于在加工微通道時(shí)，對(duì)Ga-1n液態(tài)合金(5)進(jìn)行冷卻。5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述基于表面張力自洽的微通道制造裝置，其特征在于:所述支撐平臺(tái)(4)的熔點(diǎn)大于金屬粉末的熔點(diǎn)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述基于表面張力自洽的微通道制造裝置，其特征在于:所述支撐平臺(tái)(4)固定在一抽拉桿(7)上，抽拉桿(7)的下端伸出缸體(6)的底部并與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，控制系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)并帶動(dòng)抽拉桿(7)上升或下降，進(jìn)而使支撐平臺(tái)(4)在缸體(6)內(nèi)作直線上升或直線下降運(yùn)動(dòng)。
【文檔編號(hào)】B22F5/10GK205614060SQ201620276986
【公開日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2016年4月5日
【發(fā)明人】黃延祿, 黃權(quán)東
【申請(qǐng)人】華南理工大學(xué)