一种基于表面张力自洽的微通道制造装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于表面张力自洽的微通道制造装置，包括用于盛装Ga?In液态合金的缸体、设置在缸体上方的用于喷射金属粉末的聚焦装置和控制系统；缸体内设有一可在缸体内升降的支撑平台；在缸体内的Ga?In液态合金的液面上方设有感应加热工位；聚焦装置固定在移动平台上，并由移动平台带动其在二维作平面运动；控制系统，用于控制支撑平台按照预设升降速度作上升或下降运动和控制移动平台按照预设运动轨迹在二维平面内运动。在制造过程中，聚焦装置由移动平台带动，可在二维平面精确地运动，形成各种各样的轨迹。通过控制系统设置所需运动轨迹，即微通道的截面形状、图案等，通过聚焦装置就能方便快捷地加工出任意形状的微通道。
【专利说明】
一种基于表面张力自洽的微通道制造装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及微通道制造制备领域，尤其涉及一种基于表面张力自洽的微通道制造装置。
【背景技术】
[0002]微通道制造的方法有很多，如光刻加工法、熔融拉制法、软化拉制法、飞秒激光加工法、注塑法、热压法、金属腐蚀法、LIGA法和1^-1^6々法[1—3]。其中，光刻加工法较多用于硅微通道制造;熔融拉制法、软化拉制法和飞秒激光加工法多用于玻璃微通道的制造;注塑法和热压法常用于聚合物微通道的制造。金属微通道的制造常用金属腐蚀法、LIGA法和UV-LIGA 法。
[0003]金属腐蚀法[4]就是先在基板上使用保护膜保护不需腐蚀的部位，然后用化学或电化学方式腐蚀掉不需要的部位的一种加工方法。化学腐蚀法腐蚀速度较快，但是腐蚀液对环境有很大的危害性。电化学腐蚀法对环境的污染较小，但是蚀刻深度不易控制。
[0004]1^6六法[5]是一种基于X射线光刻的加工方法，其工艺步骤主要包括X射线深度同步辐射光刻、电铸和剥模。电铸的基本原理是以按所需形状制成的原模作为阴极，用电铸材料作为阳极，一起放进与阳极材料相同的金属盐溶液中。通电后，原模表面逐渐沉积出金属电铸层。当电铸层达到所需厚度后，从溶液中取出，并将电铸层与原模分离，即可获得与原模形状相对应的复制件。
[0005]群-1^64法[6]与LIGA法的工艺步骤一致，主要的区别在于光刻时采用的光源不同。UV-LIGA法在光刻时采用近紫外光，与LIGA法相比，大大降低了加工成本。然而，X射线的平行度非常高、辐射强度强，使LIGA技术能够制造出高宽比很大且结构侧壁光滑的微通道。
[0006]然而它们普遍存在的缺点如下:
[0007]金属腐蚀法使用化学腐蚀液时会对环境造成危害。金属腐蚀法难以控制腐蚀过程，无法精确控制腐蚀深度，因此得到的微通道尺寸精度较差，只适用于对尺寸要求不高的场合。并且，金属腐蚀法常用于槽型微通道的制造，无法方便快捷地制造出任意形状的微通道。
[0008]LIGA法是一种基于X射线光刻的加工方法，成本很高。由于加工过程采用了光刻工艺，无法制造出任意形状的微通道，常用于制造槽型微通道。加工得到的微通道宽度在数十微米到数百微米之间，无法得到更小尺度的微通道，例如纳米尺度。
[0009]UV-LIGA法与LIGA法的加工工艺一致。因此，这种加工方法同样无法加工出任意形状的微通道，也无法获得更小尺度的微通道。
[0010]可见，它们大多都是在基板上加工获得微通道，无法制造出单独的微通道器件。
[0011]参考文献:
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【发明内容】
[0018]本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种基于表面张力自洽的微通道制造装置，解决现有金属微通道制造工艺中无法加工任意形状微通道、无法加工纳米尺度微通道以及无法得到单独的微通道器件等技术问题。
[0019]本实用新型通过下述技术方案实现:
[0020]—种基于表面张力自洽的微通道制造装置，包括用于盛装Ga-1n液态合金5的缸体
6、设置在缸体6上方的用于喷射金属粉末的聚焦装置2和控制系统；
[0021 ]缸体6内设有一可在缸体6内升降的支撑平台4;在缸体6内的Ga-1n液态合金5的液面上方设有感应加热工位3 ；
[0022]聚焦装置2固定在移动平台I上，并由移动平台I带动其在二维作平面运动；
[0023]控制系统，用于控制支撑平台4按照预设升降速度作上升或下降运动和控制移动平台I按照预设运动轨迹在二维平面内运动。
[0024]聚焦装置2为一个具有进口10和出口 11的管状喷头，在管状喷头内轴向方向上依次设有通过隔板21相互间隔的多个腔室22;各隔板21上分别开设有相互同心的通孔23;各通孔23的孔径由进口 10端至出口 11端依次逐渐缩小。
[0025]所述缸体6的外壁设有冷却水循环通道，用于在加工微通道时，对Ga-1n液态合金5进行冷却。
[0026]所述支撑平台4的熔点大于金属粉末的熔点。
[0027]所述支撑平台4固定在一抽拉杆7上，抽拉杆7的下端伸出缸体6的底部并与驱动机构连接，控制系统控制驱动机构并带动抽拉杆7上升或下降，进而使支撑平台4在缸体6内作直线上升或直线下降运动。
[0028]一种基于表面张力自洽的微通道制造方法如下:
[0029]初始时刻，支撑平台4的上部露出Ga-1n液态合金5的液面，下部则浸没在Ga-1n液态合金5中；先通过感应加热工位3对支撑平台4的上部进行加热;此时支撑平台4的上部温度高于金属粉末的熔点；
[0030]先通过控制系统预先设定移动平台I的初始运动轨迹，该初始运动轨迹就是待加工的微通道的截面轮廓形状的轨迹;然后金属粉末通过输送装置由聚焦装置2的进口 10进入其内、由出口 11喷出，并按照移动平台I的初始运动轨迹喷落在支撑平台4上后，被支撑平台4熔化成金属熔液，形成微通道的截面形状轮廓，与此同时，继续喷落在金属熔液上的金属粉末被fe融;完成移动平台I的初始运动轨迹；
[0031]接着，控制系统控制支撑平台4按照预设的下降速度逐渐下移，而此时由于感应加热工位3的协同加热作用，待加工的微通道8顶部始终保持熔融状态，形成熔融区域9，而熔融区域9以下则被Ga-1n液态合金5浸没，并随着支撑平台4的逐渐下沉而逐渐被冷却固化，并逐渐形成微通道8的结构体，直至微通道8的结构体完全成型，从而获得所需形状结构的微通道。
[0032]在金属粉末通过输送装置被送入聚焦装置2的进口10时，气流13携带金属粉末12依次经过各个通孔23、各个腔室22，由于通孔的孔径逐渐依次缩小，在气流的拖曳力以及金属粉末自身较大惯性的作用下，金属粉末12沿轴线通过各个通孔23、腔室22，并在多级逐次缩小的通孔23聚焦作用下，最后从出口 11流出的金属粉末12将被聚焦成束状。
[0033]待加工的微通道8顶部始终保持熔融状态，形成熔融区域9后，S卩，移动平台I带动聚焦装置走完一遍初始运动轨迹后停止不动或仍然按初始运动轨迹继续运动，但仍然持续喷射金属粉末。当移动平台I带动聚焦装置走完一遍初始运动轨迹后，若停止不动，此时仅向该熔融区域9中的任意一个点位喷出金属粉末，在金属熔液内部的马兰戈尼效应下，使其质量自动重新分配。
[0034]本实用新型相对于现有技术，具有如下的优点及效果:
[0035]本实用新型在制造过程中，聚焦装置由移动平台带动，可在二维平面精确地运动，形成各种各样的轨迹。通过控制系统设置所需运动轨迹(运动轨迹就是所要得到的微通道的截面形状、图案等)，通过聚焦装置就能方便快捷地加工出任意形状的微通道。
[0036]本实用新型通过改变聚焦装置中各隔板通孔的孔径或增加隔板的数量，即可方便地调节出口金属粉末束的直径，从而快捷地加工出不同尺寸的微通道，大到数百微米，小到几个纳米。
[0037]本实用新型在制造的过程中，采用感应加热工位(采用感应线圈)加热和Ga-1n液态合金冷却两种强制换热的方法，在微通道中形成高温度梯度，促进晶粒在热流反方向的生长，提高了微通道的纵向力学性能。
[0038]本实用新型加工出来的微通道可以作为一个独立器件进行应用，而不必依赖基板。
[0039]本实用新型技术手段简便易行，且用到的原料如冷却水循环通道的水、Ga-1n合金等都可循环利用，不仅取材容易，而且环保经济。
【附图说明】
[0040]图1为本实用新型基于表面张力自洽的微通道制造装置结构示意图。
[0041]图2为微通道制造过程示意图；图中，随着支撑平台的逐渐下移，浸没在Ga-1n液态合金下的微通道结构体逐渐成型。
[0042]图3为聚焦装置内部结构示意图。
[0043]图4为金属粉末12随着气流13经过聚焦装置中的通孔进入下一个腔室时的动态聚焦原理示意；图中，金属粉末12离开某一个通孔进入下一个腔室之后气流扩散，但扩散的速度较小，并且金属粉末的惯性较大，因此金属粉末将保持在轴线附近。在多级孔径逐渐缩小的通孔聚焦作用下，最后从出口流出的金属粉末将被聚焦成束状。
[0044]图5为举例在加工圆形结构微通道时的工作状态示意图；图中，聚焦装置定位在A点喷出金属粉末，由于熔体内部的马兰戈尼流14，质量可以实现自动重新分配。
【具体实施方式】
[0045]下面结合具体实施例对本实用新型作进一步具体详细描述。
[0046]实施例
[0047]如图1至5所示。本实用新型公开了一种基于表面张力自洽的微通道制造装置，包括用于盛装Ga-1n液态合金5(常温为液体)的缸体6、设置在缸体6上方的用于喷射金属粉末的聚焦装置2和控制系统(图中未示出)；
[0048]缸体6内设有一可在缸体6内升降的支撑平台4;在缸体6内的Ga-1n液态合金5的液面上方设有感应加热工位3 ；
[0049]聚焦装置2固定在移动平台I上，并由移动平台I带动其在二维(XZ)作平面运动;移动平台I的运动可通过本领域技术人员熟知的丝杆机构或精密齿轮机构带动。
[0050]控制系统，用于控制支撑平台4按照预设升降速度作上升或下降运动和控制移动平台I按照预设运动轨迹在二维(xz)平面内运动。控制移动平台I的预设运动轨迹，根据待加工的微通道的截面形状及尺寸等决定;如果要加工圆柱形微通道，则移动平台I带动聚焦装置2按照圆形轨迹移动(如图5所示)。
[0051]聚焦装置2为一个具有进口10和出口 11的管状喷头，在管状喷头内轴向方向上依次设有通过隔板21相互间隔的多个腔室22;各隔板21上分别开设有相互同心的通孔23;各通孔23的孔径由进口 10端至出口 11端依次逐渐缩小。
[0052]所述缸体6的外壁设有冷却水循环通道，用于在加工微通道时，对Ga-1n液态合金5进行冷却。
[0053]所述支撑平台4可采用高温耐热材料，其熔点应当大于金属粉末的熔点。
[0054]所述支撑平台4固定在一抽拉杆7上，抽拉杆7的下端伸出缸体6的底部并与驱动机构连接，控制系统控制驱动机构并带动抽拉杆7上升或下降，进而使支撑平台4在缸体6内作直线上升或直线下降运动。抽拉杆7的运动也可通过本领域技术人员熟知的丝杆机构或精密齿轮机构带动。
[0055]本实用新型基于表面张力自洽的微通道制造方法，可通过如下步骤实现:
[0056]初始时刻，支撑平台4的上部露出Ga-1n液态合金5的液面，下部则浸没在Ga-1n液态合金5中；先通过感应加热工位3对支撑平台4的上部进行加热;此时支撑平台4的上部温度高于金属粉末的熔点；
[0057]先通过控制系统预先设定移动平台I的初始运动轨迹，该初始运动轨迹就是待加工的微通道的截面轮廓形状的轨迹;然后金属粉末通过输送装置由聚焦装置2的进口 10进入其内、由出口 11 (喷嘴)喷出，并按照移动平台I的初始运动轨迹喷落在支撑平台4上后，被支撑平台4熔化成金属熔液，形成微通道的截面形状轮廓，与此同时，继续喷落在金属熔液上的金属粉末被熔融;完成移动平台I的初始运动轨迹；
[0058]接着，控制系统控制支撑平台4按照预设的下降速度逐渐下移，而此时由于感应加热工位3的协同加热作用，待加工的微通道8顶部(在Ga-1n液态合金5的液面上)始终保持熔融状态，形成熔融区域9，而熔融区域9以下则被Ga-1n液态合金5浸没，并随着支撑平台4的逐渐下沉而逐渐被冷却固化，并逐渐形成微通道8的结构体，直至微通道8的结构体完全成型，从而获得所需形状结构的微通道。Ga-1n液态合金5常温为液体，导热系数极大，可以很快地带走由熔融区域9传递到微通道8下部的热量，对微通道8起冷却的作用。而传递到Ga-1n 液态合金 5 中的热量则由冷却水循环通道的冷却循环水带走。
[0059]在金属粉末通过输送装置被送入聚焦装置2的进口10时，气流13携带金属粉末12依次经过各个通孔23、各个腔室22，由于通孔的孔径逐渐依次缩小，在(大小可调的高速)气流的拖曳力以及金属粉末自身较大惯性的作用下，金属粉末12沿轴线通过各个通孔23、腔室22，并在多级逐次缩小的通孔23聚焦作用下，最后从出口 11流出的金属粉末12将被聚焦成束状。
[0060]待加工的微通道8顶部始终保持熔融状态，形成熔融区域9后，S卩，移动平台I带动聚焦装置走完一遍初始运动轨迹后停止不动或仍然按初始运动轨迹继续运动，但仍然持续喷射金属粉末。当移动平台I带动聚焦装置走完一遍初始运动轨迹后，若停止不动，此时仅向该熔融区域9中的任意一个点位喷出金属粉末，在金属熔液内部的马兰戈尼效应下，使其质量自动重新分配。
[0061 ]如上所述，便可较好地实现本实用新型。
[0062]本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于表面张力自洽的微通道制造装置，其特征在于:包括用于盛装Ga-1n液态合金(5)的缸体(6)、设置在缸体(6)上方的用于喷射金属粉末的聚焦装置(2)和控制系统；缸体(6)内设有一可在缸体(6)内升降的支撑平台(4);在缸体(6)内的Ga-1n液态合金(5)的液面上方设有感应加热工位(3); 聚焦装置(2)固定在移动平台(I)上，并由移动平台(I)带动其在二维作平面运动； 控制系统，用于控制支撑平台(4)按照预设升降速度作上升或下降运动和控制移动平台(I)按照预设运动轨迹在二维平面内运动。2.根据权利要求1所述基于表面张力自洽的微通道制造装置，其特征在于:聚焦装置(2)为一个具有进口(10)和出口(11)的管状喷头，在管状喷头内轴向方向上依次设有通过隔板(21)相互间隔的多个腔室(22);各隔板(21)上分别开设有相互同心的通孔(23)。3.根据权利要求2所述基于表面张力自洽的微通道制造装置，其特征在于:各通孔(23)的孔径由进口( 1)端至出口( 11)端依次逐渐缩小。4.根据权利要求1所述基于表面张力自洽的微通道制造装置，其特征在于:所述缸体(6)的外壁设有冷却水循环通道，用于在加工微通道时，对Ga-1n液态合金(5)进行冷却。5.根据权利要求1至4中任一项所述基于表面张力自洽的微通道制造装置，其特征在于:所述支撑平台(4)的熔点大于金属粉末的熔点。6.根据权利要求5所述基于表面张力自洽的微通道制造装置，其特征在于:所述支撑平台(4)固定在一抽拉杆(7)上，抽拉杆(7)的下端伸出缸体(6)的底部并与驱动机构连接，控制系统控制驱动机构并带动抽拉杆(7)上升或下降，进而使支撑平台(4)在缸体(6)内作直线上升或直线下降运动。
【文档编号】B22F5/10GK205614060SQ201620276986
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年4月5日
【发明人】黄延禄, 黄权东
【申请人】华南理工大学