专利名称：超声辅助微纳压印成型装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及微纳米压印技术，尤其涉及一种加入超声波振动和防止一致性收缩的 纳米压印装置。
背景技术：
聚合物微纳米压印成型技术自1995年由美国普林斯顿大学的StephenY Chou提 出来以来，由于其具有低成本、可并行加工等优点，已成为聚合物微纳尺度构件加工的主要 方法。其典型的工艺过程主要为(1)模具的制备，采用光学刻蚀技术、电子束刻蚀技术等加 工出印章(模具)上的微/纳米级尺寸结构。(2)压印过程，将模具和聚合物放入压印装置 中，抽真空后加热到聚合物的软化温度以上，加压使得模具上的微纳结构转印到聚合物表 面，然后保压一段时间，再冷却将聚合物上的微纳结构固定成型，最后释放压力及真空，获 得成品。在微纳米压印成型技术中，微纳尺度构件的成型质量是成型过程的主要考核指 标。聚合物在软化时仍然具有较高的粘性，而模具的特征尺度都处在微纳米量级，这使得聚 合物的完全填充满模具内的空间需要大量的时间。而外常规的微纳米压印工艺还需要反复 的抽取及释放真空，这些不利因素无疑影响了微纳米压印的效率。寻求一种有效的方法来 提高聚合物的流动性以及避免反复抽取真空所浪费的时间就显得非常有必要。此外在微纳构件的脱模过程中，由于聚合物的热膨胀系数比模具要大很多，使得 冷却后聚合物微纳构件有较大的热应力集中，这导致了脱模时微纳尺度的特征很容易被破 坏。因此一个理想的降低脱模时微纳结构损伤的方法就是保证脱模时聚合物和模具的收缩 量相同。
发明内容
本发明提供一种超声波辅助微纳压印装置，可加强聚合物的流动特性，并降低冷 却脱模过程中热应力的产生，实现高质量的微纳米结构压印。一种超声辅助微纳压印成型装置，包括分别用于安放基片和压印模具的下加热板 及上加热板，下加热板和上加热板相互靠近时，压印模具作用于基片，所述的上加热板背向 下加热板的一侧装有超声波振动发生装置。本发明在典型的微纳米压印成型工艺的基础上，引入超声技术，在加压过程中通 过高频超声振动，利用超声的空化、局部大温升等效应加速聚合物的流动，提高填充效率。 同时由于超声振动的加入，模具上微纳特征内的空气在压印时可以随着超声振动很容易排 来，从而可以避免原先工艺中抽取及释放真空所浪费的时间。所述的超声波振动发生装置由超声波发生器及位于其底部的超声放大器构成，其 中超声放大器位于上加热板的顶面。超声波发生器主要作用在于产生超声波，而超声放大 器的功能在于扩大振动端面的振幅，传递音波的能量，将超声波传递到模具及聚合物的表 面。夹持罩的作用就是当聚合物基片冷却至一定温度时，将基片固定住，以防止聚合物基片的过度收缩而产生较大的热应力，影响后续微纳结构的脱模质量。所述的超声放大器的内部装有第一隔热陶瓷垫片和第一冷却管。可以防止在上加 热板发热时引发超声波振动发生装置过热。设有用于支撑和带动上加热板直线运动的支撑机构，上加热板直线运动时可以远 离或靠近下加热板。所述的支撑机构包括带导向轴的支撑架，通过直线轴承安装在导向轴 上的滑块以及驱动滑块沿导向轴运动的驱动机构，超声波发生器与滑块连接。滑块运动时 可以带动滑块以及超声波振动发生装置和上加热板一同运动。所述的驱动滑块沿导向轴运动的驱动机构包括固定在支撑架上的第一扭矩电机、 与第一扭矩电机输出轴相连的滚珠丝杠以及与滑块固定连接的滚珠丝杠螺母，其中滚珠丝 杠螺母与滚珠丝杠螺纹配合。当然为了实现滑块的直线运动也可以采取其他现有技术。所述的下加热板下部依次通过第二冷却管和第二隔热陶瓷垫片安装在底座架上， 第二隔热陶瓷垫片和第二冷却管可以防止在下加热板发热时引发底座架过热。第一冷却管和第二冷却管内可以通入冷却水或其他低温介质。为了在冷却脱模的过程中，脱模时聚合物的收缩和模具的收缩保持一致，减少冷 却过程中热应力的产生，在所述的下加热板周边设有可升降的夹持罩。所述的夹持罩通过其驱动机构升降，其驱动机构包括固定在底座架的第二扭矩电 机、与第二扭矩电机的输出轴相连的带动齿轮、与夹持罩螺纹配合的螺纹杆、固定在螺纹杆 上的齿轮；其中齿轮与带动齿轮啮合。当然为了实现夹持罩的直线运动也可以采取其他现 有技术。本发明具有的有益效果是由于采用了超声波振动和夹持罩，与传统的压印相比较，聚合物的流动特性得到 改善，冷却收缩热应力可降至最低，使得聚合物的压印质量得到提高。另外，由于超声波的 加入，整个压印过程可以直接在空气中进行，不必进行抽真空处理，这样不仅简化了机械结 构，也省去了抽真空的过程，提高了压印成型的效率。
图1是本发明超声辅助微纳压印成型装置的结构原理示意图。图2是超声波发生器和夹持罩的安装部分示意图。图3是夹持罩的俯视图。图4a和图4b为降低模具和聚合物间脱模热应力的示意图，其中图4a表明当温度 高于Tu时模具和聚合物自由收缩的示意图；图4b表明当温度高于Tu时聚合物被夹持装置 固定的示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。如图1和图2所示，本发明超声辅助微纳压印成型装置扭矩电机1安装在支撑架 21上，支撑架21的横梁下方设有两根导向轴7，滑块4两端通过直线轴承5与导向轴7相 连，可沿导向轴7作相对直线运动。滑块4固连有滚珠丝杠螺母3上，滚珠丝杠2通过联轴器与扭矩电机1的输出轴
4相连，滚珠丝杠螺母3与滚珠丝杠2配合，扭矩电机1的转动通过滚珠丝杠螺母3与滚珠丝 杠2传动带动滑块4做上下直线运动。滑块4底部固连超声波发生器6，超声波发生器6的下端与超声放大器8相连。超 声放大器8的内部装有隔热陶瓷9和冷却管10，冷却管10穿过超声放大器8和外部相连。 上加热板11安装在超声放大器8的下方。加热板11下方用于安装压印模具。下加热板20下部通过冷却管19和隔热陶瓷18安装在底座架14上，冷却管19穿 过底座架14与外部相连。被加工的基片安装在下加热板20上，夹持罩12连接在螺纹杆13 上。另一扭矩电机16能带动齿轮17转动，和齿轮15啮合，从而带动螺纹杆13的转动，使 得夹持罩12做上下的直线运动。本发明的工作过程如下(1)开启扭矩电机1，将滑块4提升至行程最高点，停转电机，将模板安装在上加热 板11上，基片安装在下加热板20上并定位。(2)再次开启扭矩电机1，通过滚珠丝杠副带动滑块4向下做直线运动，通过上加 热板11给基片施加预压力进行预压；同时给上下加热板通电，对模具和基片进行加热软 化；(3)当温度达到压印温度时，开启超声波发生器，开始产生超声波振动，滑块4通 过上加热板给模具和基片施加压印力；锁住电机，保持温度与压力不变一段时间直到基片 充分成形。(4)停止超声波振动，打开液冷回路将加热板和基片的热量散去，当温度降至 Tu( 一个可以保证聚合物和模具收缩量相同的温度)时，打开扭矩电机16，通过齿轮和螺纹 杆带动夹持罩向下运动，卡住基片后锁死电机，保持夹持罩不动，继续降温。这时由于基片 被夹住，其不在随温度降低而收缩，而模具仍然继续收缩，由于模具的热膨胀系数要小于聚 合物，对应于一个脱模温度Td，总存在一个夹持温度Tu，使得当冷却到脱模温度Td时，模具 和聚合物具有相同的收缩量。Tu和脱模温度Td的关系可以通过(Tg_Td) am= (Tg_Tu) %计 算，这里a m是模具的热膨胀系数，a p是聚合物的热膨胀系数，Tg是聚合物的玻璃态转化温 度。(5)当温度降至脱模温度时，开始脱模，待脱模完成，将滑块4提升至最高点，启动 扭矩电机16松开夹持罩，取出基片和模具。与传统的微纳米压印成型工艺过程相比较，本装置在以下几个方面做了相应的改 进(1)加入了超声波振动可以有效的改善聚合物的流动特性。对于聚合物纳米压印 来说，最主要的就是聚合物的填充效率，超声波振动的加入可以有效的改善聚合物的流动 特性，促进聚合物在模具内的填充。其次是超声波振动的加入可以使得加工可以在空气中 直接进行，不用再抽真空，提高了压印效率并简化了机械结构。(2)夹持罩的使用可以保证一致性收缩。在冷却收缩阶段，热应力的产生主要就 是模具和基片的收缩不一致产生的，那么在冷却阶段当基片与模具的收缩率一致达到一致 时，用夹持罩将基片夹住，以阻止基片的进一步收缩，从而可以保证一致性收缩，这样就可 以有效的减少热应力的产生。图3为夹持罩的俯视图，图4a为常规压印工艺中冷却脱模时的示意，由于模具和聚合物基片均可以自由收缩，而聚合物的收缩量要比模具大的多，导致两者的收缩程度不 均勻，从而产生较大的热应力。图4b为本发明所采用的工艺，当降到温度Tu后，夹持罩工 作，阻止聚合物的进一步收缩，可保证模具和聚合物的收缩量一致，从而大幅降低脱模时的 热应力。
权利要求
一种超声辅助微纳压印成型装置，包括分别用于安放基片和压印模具的下加热板(20)及上加热板(11)，下加热板(20)和上加热板(11)相互靠近时，压印模具作用于基片，其特征在于所述的上加热板(11)背向下加热板(20)的一侧装有超声波振动发生装置。
2.如权利要求1所述的超声辅助微纳压印成型装置，其特征在于所述的超声波振动 发生装置由超声波发生器(6)及位于其底部的超声放大器(8)构成，其中超声放大器(8) 位于上加热板(11)的顶面。
3.如权利要求2所述的超声辅助微纳压印成型装置，其特征在于所述的超声放大器 ⑶的内部装有第一隔热陶瓷垫片(9)和第一冷却管(10)。
4.如权利要求3所述的超声辅助微纳压印成型装置，其特征在于设有用于支撑和带 动上加热板(11)直线运动的支撑机构，所述的支撑机构包括带导向轴(7)的支撑架，通过 直线轴承(5)安装在导向轴(7)上的滑块⑷以及驱动滑块⑷沿导向轴(7)运动的驱动 机构，所述的超声波发生器(6)与滑块(4)连接。
5.如权利要求4所述的超声辅助微纳压印成型装置，其特征在于所述的驱动滑块(4) 沿导向轴(7)运动的驱动机构包括固定在支撑架上的第一扭矩电机(1)、与第一扭矩电机 (1)输出轴相连的滚珠丝杠(2)以及与滑块(4)固定连接的滚珠丝杠螺母(3)，其中滚珠丝 杠螺母(3)与滚珠丝杠(2)螺纹配合。
6.如权利要求1 5任一项所述的超声辅助微纳压印成型装置，其特征在于所述的 下加热板(20)下部依次通过第二冷却管(19)和第二隔热陶瓷垫片(18)安装在底座架 (14)上。
7.如权利要求6所述的超声辅助微纳压印成型装置，其特征在于所述的下加热板 (20)周边设有可升降的夹持罩(12)。
8.如权利要求7所述的超声辅助微纳压印成型装置，其特征在于所述的夹持罩(12) 通过其驱动机构升降，其驱动机构包括固定在底座架(14)的第二扭矩电机(16)、与第二扭 矩电机(16)的输出轴相连的带动齿轮(17)、与夹持罩(12)螺纹配合的螺纹杆(13)、固定 在螺纹杆(13)上的齿轮(15)；其中齿轮(15)与带动齿轮(17)啮合。
全文摘要
本发明公开了一种超声辅助微纳压印成型装置，包括分别用于安放基片和压印模具的下加热板及上加热板，下加热板和上加热板相互靠近时，压印模具作用于基片，所述的上加热板背向下加热板的一侧装有超声波振动发生装置。本发明超声辅助微纳压印成型装置由于采用了超声波振动和夹持罩，与传统的压印相比较，聚合物的流动特性得到改善，冷却收缩热应力可降至最低，使得聚合物的压印质量得到提高。另外，由于超声波的加入，整个压印过程可以直接在空气中进行，不必进行抽真空处理，这样不仅简化了机械结构，也省去了抽真空的过程，提高了压印成型的效率。
文档编号B29C59/02GK101863122SQ20101017581
公开日2010年10月20日 申请日期2010年5月18日 优先权日2010年5月18日
发明者傅建中, 章婷, 贺永 申请人:浙江大学