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1、(10)申请公布号 CN 103009632 A (43)申请公布日 2013.04.03 CN 103009632 A *CN103009632A* (21)申请号 201210552279.5 (22)申请日 2012.12.18 B29C 67/00(2006.01) B29C 35/08(2006.01) (71)申请人 浙江大学 地址 310027 浙江省杭州市西湖区浙大路 38 号 (72)发明人 梅德庆 梁灵威 姚喆赫 孟坚鑫 范宗尉 杨克己 陈子辰 (74)专利代理机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200 代理人 林怀禹 (54) 发明名称 基于声表面波的微阵列无模成型装。
2、置及成型 方法 (57) 摘要 本发明公开了一种基于声表面波的微阵列无 模成型装置及成型方法。在正方形的压电基体板 上光刻有两对叉指换能器， 每对以正方形的压电 基体板中心轴为轴线对称布置， 在压电基体板中 间放置正方形的玻璃液槽并与压电基体板胶结， 被成型的液态材料置于玻璃液槽中。超声表面波 在压电基体板中传播， 其能量以一定角度泄露到 被成型的液态材料中形成声场， 调节信号发生器 和功率放大器改变超声表面波的幅值、 频率和相 位， 从而使成型的液态材料表面形成稳定的所需 微阵列结构， 通过紫外光照射使其固化成型。 本发 明利用声场对液态材料快速成型制造出表面微阵 列结构， 不需要模具， 制。
3、造工艺简单， 设备要求低， 操作简便， 生产成本低， 材料利用率高， 生产效率 高。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 1/1 页 2 1. 一种基于声表面波的微阵列无模成型装置， 其特征在于 ： 在正方形的压电基体板 （1） 上光刻有两对叉指换能器， 每对叉指换能器以正方形的压电基体板 （1） 中心轴为轴线对 称布置， 在压电基体板 （1） 中间放置正方形的玻璃液槽 （3） 并与压电基体板 （1） 胶结， 被成 型的液态材料 （4） 置于玻璃液。
4、槽 （3） 中。 2. 根据权利要求 1 所述的一种基于声表面波的微阵列无模成型装置， 其特征在于 ： 所 述两对叉指换能器中， 每对叉指电极与各自压电基体板 （1） 边缘平行的一边贴有吸声材料 （5） 。 3. 根据权利要求 1 所述的一种基于声表面波的微阵列无模成型装置， 其特征在于 ： 所 述正方形的玻璃液槽 （3） 为无底玻璃液槽， 通过其玻璃壁面与正方形的压电基体板 （1） 胶 结。 4. 根据权利要求 1 所述的一种基于声表面波的微阵列无模成型装置， 其特征在于 ： 所 述正方形的玻璃液槽 （3） 的边长小于等于叉指换能器 （2） 的孔径。 5. 一种基于声表面波的微阵列无模成型方。
5、法， 其特征在于， 该方法包括以下各步骤 ： 1) 将基于声表面波的微阵列无模成型装置放置在水平的平面上， 使被成型的液态材 料液面平坦， 将产生射频电信号的多通道信号发生器和功率放大器与四个叉指换能器电极 相连 ； 2) 开启多通道信号发生器输出射频电信号并将射频电信号传输给功率放大器， 功率 放大器对射频电信号进行放大并分别传给四个叉指换能器， 在各叉指电极间形成电场使压 电基体板表面发生机械振动， 并激发出与信号发生器输出电信号同频率的超声表面波， 沿 着压电基体板向两侧传播产生表面波， 其中朝压电基体板边缘传播的超声表面波被吸声材 料吸收， 朝压电基体板中心传播的超声表面波进入被成型的。
6、液体材料时产生了一个折射角 为 r 的纵波， 四个纵波在被成型的液体材料叠加形成稳定的声场， 在多个声场的叠加作 用下使被成型的液态材料表面形成稳定的微阵列形貌 ； 3) 采用三维显微镜观察微阵列的形貌， 调节信号发生器和功率放大器改变输入的射 频电信号， 从而改变超声表面波的振幅、 频率和相位， 相应地改变微阵列的高度、 大小、 位 置， 使被成型的液态材料表面形成所需的微阵列形貌 ； 4) 调节成所需的微阵列形貌后， 采用紫外光照射， 使被成型的液体材料迅速固化。 权 利 要 求 书 CN 103009632 A 2 1/4 页 3 基于声表面波的微阵列无模成型装置及成型方法 技术领域 0。
7、001 本发明涉及微成型装置及成型方法， 尤其是涉及一种基于声表面波的微阵列无模 成型装置及成型方法。 背景技术 0002 随着科技的进步， 产品不断向微型化发展。 微系统作为多学科交叉的研究领域， 融 合机械、 电子、 材料、 力学等学科， 在生物医学、 航空航天、 电子信息等领域得到广泛应用， 特 别是微机电系统 （MEMS） 的发展应用开拓了一个全新的技术领域和产业。微小构件作为微 系统的重要组成部分， 其成型制造方法一直是研究的热点。微阵列结构是指表面具有微小 凸台或波纹阵列的结构， 由于其特殊的表面微阵列形貌， 具有比表面积大的特点， 因此适用 于作为化学反应催化剂的载体以增大反应接。
8、触面积， 此外， 表面微阵列形貌能产生较大的 摩擦力， 因此适用于作为一般微小构件的外表层， 如仿生皮肤的外表层。目前， 传统的微小 构件的成型制造技术主要有光刻技术、 LIGA 技术、 超精密微机械制造技术、 快速光固化方法 等。 0003 光刻技术主要应用在微电子中。它一般是对半导体进行加工， 采用一个部分透光 的掩模板， 通过曝光、 显影、 刻蚀等技术获得和掩模板一样的图形。 由于掩膜板的磨损， 光刻 技术制造寿命很低， 此外其工艺步骤多， 生产效率低。 0004 LIGA工艺是一种基于X射线光刻技术的MEMS加工技术， 主要包括X光深度同步辐 射光刻， 电铸制模和注模复制三个工艺步骤。。
9、由于 X 射线有非常高的平行度、 极强的辐射强 度、 连续的光谱， LIGA 技术制造出的三维立体结构尺寸较大， 精度较高。但 LIGA 技术一般 需要特殊设备和贵金属， 成本太高， 费时， 工艺步骤繁多。 0005 超精密微机械制造技术是利用微型化的加工设备对工件进行加工的方法， 如微铣 床、 微车床等。 这种方法跟宏观的机械加工设备操作方法相同， 但是这种微制造技术对微制 造设备要求较高， 生产周期长， 生产效率低。 0006 快速光固化成型方法是基于液态光敏材料的光固化原理， 利用光使液态材料中的 光敏材料发生光化学反应， 产生具有引发活性的碎片， 引发材料中的预聚体和单体聚合及 交联固。
10、化。其工艺是在液槽中盛满液态光敏材料， 紫外光束在控制系统的控制下按零件的 各分层截面信息在光敏材料表面进行逐点扫描， 使被扫描区域的材料薄层产生光聚合反应 而固化， 形成零件的一个薄层。 一层固化完毕后， 在原先固化好的材料表面再敷上一层新的 液态材料， 新固化的一层牢固地粘结在前一层上， 如此重复直至整个零件制造完毕， 得到一 个三维实体原型。将快速光固化成型方法应用于微成型制造是一种新兴的微成型方法， 这 种成型技术属于材料堆积技术， 相对于传统的微制造技术， 该技术材料利用率、 成型速度、 精度都比较高， 因此采用光固化成型方法制造表面微阵列结构比传统的微制造技术有很大 的优势， 但逐。
11、点、 逐层扫描固化的方式降低了其生产效率， 限制了快速光固化微成型方法的 发展和应用。 说 明 书 CN 103009632 A 3 2/4 页 4 发明内容 0007 为克服传统微成型技术和快速光固化成型方法的缺陷， 结合快速光固化成型方 法， 利用超声表面波的声场作用， 本发明提出了一种基于声表面波的微阵列无模成型装置 及成型方法。利用高频的超声表面波使液态材料中形成稳定的声场， 液态材料在与空气接 触的界面即液态材料的表面上产生微阵列结构， 调节超声表面波的振幅、 频率、 相位， 从而 改变微阵列的高度、 大小、 位置， 在液态材料表面形成理想的微阵列形貌， 并利用紫外光灯 对成型的液态。
12、材料进行光照固化。 0008 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 ： 一、 一种基于声表面波的微阵列无模成型装置 ： 本发明在正方形的压电基体板上光刻有两对叉指换能器， 每对叉指换能器以正方形的 压电基体板中心轴为轴线对称布置， 在压电基体板中间放置正方形的玻璃液槽并与压电基 体板胶结， 被成型的液态材料置于玻璃液槽中。 0009 所述两对叉指换能器中， 每对叉指电极与各自压电基体板边缘平行的一边贴有吸 声材料。 0010 所述正方形的玻璃液槽为无底玻璃液槽， 通过其玻璃壁面与正方形的压电基体板 胶结。 0011 所述正方形的玻璃液槽的边长小于等于叉指换能器的孔径。 0012 二、 一种基。
13、于声表面波的微阵列无模成型方法， 该方法包括以下各步骤 ： 1) 将基于声表面波的微阵列无模成型装置放置在水平的平面上， 使被成型的液态材 料液面平坦， 将产生射频电信号的多通道信号发生器和功率放大器与四个叉指换能器电极 相连 ； 2) 开启多通道信号发生器输出射频电信号并将射频电信号传输给功率放大器， 功率 放大器对射频电信号进行放大并分别传给四个叉指换能器， 在各叉指电极间形成电场使压 电基体板表面发生机械振动， 并激发出与信号发生器输出电信号同频率的超声表面波， 沿 着压电基体板向两侧传播产生表面波， 其中朝压电基体板边缘传播的超声表面波被吸声材 料吸收， 朝压电基体板中心传播的超声表面。
14、波进入被成型的液体材料时产生了一个折射角 为 r 的纵波， 四个纵波在被成型的液体材料叠加形成稳定的声场， 在多个声场的叠加作 用下使被成型的液态材料表面形成稳定的微阵列形貌 ； 3) 采用三维显微镜观察微阵列的形貌， 调节信号发生器和功率放大器改变输入的射 频电信号， 从而改变超声表面波的振幅、 频率和相位， 相应地改变微阵列的高度、 大小、 位 置， 使被成型的液态材料表面形成所需的微阵列形貌 ； 4) 调节成所需的微阵列形貌后， 采用紫外光照射， 使被成型的液体材料迅速固化。 0013 本发明具有的有益效果是 ： （1） 本发明通过超声表面波使成型的液态材料表面形成理想的微阵列形貌， 并。
15、通过紫 外光照射快速固化， 这种方法适用于多种材料的表面微阵列成型制造， 包括树脂、 涂料、 油 墨等 ； （2） 利用高频的超声表面波使液体材料表面成型， 成型速度快， 通过紫外光照液态材料 可以迅速固化， 整个生产过程周期短， 生产效率高 ； （3） 本发明所用设备简单， 在压电基体板上光刻叉指换能器， 制造工艺成熟， 使用超声 说 明 书 CN 103009632 A 4 3/4 页 5 场使液体材料成型， 不需要模具， 因此制造成本较低 ； （4） 本发明采用光固化成型方法， 属于材料堆积技术， 相对于传统的微制造技术， 该技 术材料利用率比较高。 附图说明 0014 图 1 是基于声。
16、表面波的微阵列无模成型装置示意图。 0015 图 2 是基于声表面波的微阵列无模成型装置接线图。 0016 图 3 是超声表面波在被成型的液体材料中传播示意图。 0017 图 4 是激发表面波后的基于声表面波的微阵列无模成型装置示意图。 0018 图 5 是基于声表面波的微阵列无模成型装置在显微镜下观察调节图。 0019 图 6 是被成型的液态材料在紫外光照射下固化示意图。 0020 图中 1压电基体板， 2叉指换能器， 3玻璃液槽， 4被成型的液态材料， 5吸声 材料， 6超声表面波， 7、 纵波， 8、 多通道信号发生器， 9、 功率放大器， 10. 三维显微镜， 11. 紫 外光灯。 具。
17、体实施方式 0021 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。 0022 如图 1 所示， 本发明在正方形的压电基体板 1 上光刻有两对叉指换能器 2， 每对叉 指换能器 2 以正方形的压电基体板 1 中心轴为轴线对称布置， 在压电基体板 1 中间放置正 方形的玻璃液槽 3 并与压电基体板 1 胶结， 被成型的液态材料 4 置于玻璃液槽 3 中。 0023 所述正方形的玻璃液槽 3 为无底玻璃液槽， 通过其玻璃壁面与正方形的压电基体 板 1 胶结， 玻璃液槽 3 盛有的被成型的液态材料 4 厚度小于等于 5mm。 0024 所述正方形的玻璃液槽 3 的边长小于等于叉指换能器 2 的孔径。 。
18、0025 本发明的微波纹表面成型制造装置， 由压电基体板 1、 两对叉指换能器 2、 玻璃液 槽 3、 被成型的液态材料 4 组成。基于声表面波的微阵列无模成型装置的具体制造方法如 下 ： (1) 选用 128 Y-X 切向的铌酸锂 (LiNbO3) 作为压电基体板 1 的材料， 声表面波的波 速是 3990m/s， 将一块方形的具有压电效应的压电基体板 1 经表面抛光， 在其表面用电子束 蒸发蒸镀一层厚度为1微米的金属膜， 选用铝膜作为金属膜的材料， 压电基体板1材料可以 是铌酸锂、 人造石英、 钽酸锂、 锗酸铋等， 所述的金属膜可以是铝膜、 铜铝复合膜、 铝钛复合 膜等 ； (2) 将四块。
19、设计好的有叉指图案的掩膜板与涂有光刻胶的压电基体板 1 四边对称紧 密接触， 用平行的紫外光进行曝光， 再对金属膜进行刻蚀， 制成四个结构相同的叉指换能 器， 每个叉指换能器有 18 对叉指电极， 叉指电极的电极宽度、 电极间隔相等， 均为 0.1mm， 周 期为 0.4mm， 孔径为 12mm， 每对叉指换能器 2 以基体板中心轴线对称布置， 并在压电基体板 1 的四边与相应的四个叉指换能器 2 之间贴有吸声材料 5 为泡沫玻璃 ； (3) 无底的薄壁玻璃液槽3边长为10mm， 与压电基体板1通过胶体粘接， 并置于两对叉 指换能器 2 中间 ； (4) 被成型的液态材料 4 按质量份数由 8。
20、0 份预聚体环氧树脂、 20 份稀释剂正丁基缩水 说 明 书 CN 103009632 A 5 4/4 页 6 甘油醚、 3 份光引发剂混合型三芳基六氟磷酸硫鎓盐和 1 份光敏剂异丙基硫杂蒽酮均匀地 混合制成， 将1mm厚的成型的液态材料4置于透明的薄壁玻璃液槽中， 所述的预聚体可以是 环氧树脂、 涂料或油墨等。 0026 如图2、 图3、 图4、 图5及图6所示， 本发明的基于声表面波的微阵列无模成型方法 具体实施过程如下 ： (1) 如图 2 所示， 将基于声表面波的微阵列无模成型装置置于水平的平面上， 使成型的 液态材料 4 液面平坦， 将产生射频电信号的多通道信号发生器 8 和功率放大。
21、器 9 与四个叉 指换能器电极相连， 多通道信号发生器 8 产生交变的电信号， 经功率放大器 9 放大， 其中多 通道信号发生器 8 的通道 1、 通道 2 分别与功率放大器 9 的输入通道 1、 输入通道 2 相连， 功 率放大器 9 的输出通道 1、 输出通道 2 相应地与两对叉指换能器 2 相连， 使相对的叉指换能 器 2 产生相等的超声表面波， 为避免连线繁杂， 可以将叉指电极的连线焊接在一块 PCB 板 上。 0027 (2) 如图 3、 图 4 所示， 开启多通道信号发生器 8 输入两个频率为 10Mhz-20Mhz 的 交变电信号， 经功率放大器9输出的交变信号功率为5-20W，。
22、 分别激发两对叉指换能器2， 在 叉指电极间形成电场使压电基体板 1 表面发生机械振动， 产生与多通道信号发生器 8 输出 电信号同频率的超声表面波 6， 沿着压电基体板 1 向两侧传播产生表超声表面波 6， 其中朝 压电基体板边缘传播的超声表面波 6 被吸声材料 5 吸收， 朝压电基体板中心传播的超声表 面波6遇到被成型的液体材料4时产生了一个纵波7， 纵波7以折射角为r进入被成型的 液体材料 4， 四个纵波 7 在被成型的液体材料 4 中形成稳定的声场， 在这个声场的叠加作用 下使被成型的液态材料 4 表面形成稳定的微阵列形貌。 0028 (3) 如图 5 所示， 利用三维显微镜 10 观。
23、察微阵列的形貌， 调节多通道信号发生器 8 分别改变两个输入交变电信号的频率 f， 由公式 =c/f， 式中 c 为波速， 为波长， 相应地 改变超声表面波6的波长， 从而调节液体表面微阵列在水平面x、 y方向上的大小， 调节多通 道信号发生器8分别改变两个输入交变信号的相位， 相应地改变超声表面波6的相位， 实 现液体表面微阵列在水平面 x、 y 方向上的移动， 调节功率放大器 9 改变超声表面波 6 的振 幅 A， 对应于调节液体表面微阵列的高度， 最终使成型的液态材料 4 表面形成所需的微阵列 形貌。 0029 (4) 如图 6 所示， 被成型的液态材料 4 表面形状调节好后， 采用紫外。
24、光灯 5 在 200W-300W 的输出功率下照射 5-10 分钟， 被成型的液态材料 4 迅速固化。 0030 本实例用了两对叉指换能器， 可以对微阵列的大小、 位置、 高度进行调节， 也可以 用多对叉指换能器环形布置， 使微阵列调节精度更高。 0031 上述具体实施方式用来解释说明本发明， 而不是对本发明进行限制， 在本发明的 精神和权利要求的保护范围内， 对本发明作出的任何修改和改变， 都落入本发明的保护范 围。 说 明 书 CN 103009632 A 6 1/3 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103009632 A 7 2/3 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103009632 A 8 3/3 页 9 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103009632 A 9 。