一种可控的可拉伸双螺旋微导线的加工方法及其装置与流程

本发明涉及微电子制造技术领域，特别是一种可控的可拉伸双螺旋微导线的加工方法及其装置。

背景技术：

双螺旋结构是大自然在亿万年的进化中所形成的巧妙结构，小到生物基因的载体dna的双螺旋、人体肌腱组织的蛋白质纤维束、植物的卷须，大到电话线、重型机械的弹簧、大跨度桥梁的绳索等，螺旋结构尤其是多级螺旋结构，在众多应用中体现出线性结构无可比拟的高韧性、可拉伸等优点，具有广阔的实际应用前景。

现有专利中，如美国专利us7337012b2通过利用液体或者膏体形式的导电材料挤压填充进预先加工好的沉底中的微流道制造出可拉伸聚合物，这是一种常用的制造特殊形状导线的加工方法，但是因为高精度的微流道衬底加工难度大、导线形状的调整与改变需要依赖于注塑模板的重造而造成加工成本较高，其使用的液体或膏体远大于铜线的电阻率(3倍～10倍)，应用前景相对较小；

在现有文献中，如国外文献(screenprintingofmultilayeredhybridprintedcircuitboardsondifferentsubstrates.ieeetransactionsoncomponents,packagingandmanufacturingtechnology,2015.5(3):p.415-421.)报道了通过在柔性基材上丝网印刷银金属油墨和uv丙烯酸基油墨制造多层混合印刷电路板的过程，该器件在实际应用中具有可弯曲的特点，但是几乎不能拉伸，难以应用在具有拉伸需求的器件上。

综上所述，亟需进一步研发新的技术，开发可应用在适合可拉伸柔性电子基板上的稳固连接的可拉伸微导线。

技术实现要素：

针对上述缺陷，本发明的目的在于提出一种可控的可拉伸双螺旋微导线的加工装置，以解决现有双螺旋微天线加工装置加工效率低、成本高，结构复杂，操作困难的问题。

本发明的另一个目的在于提出一种可控的可拉伸双螺旋微导线的加工方法，通过模仿植物卷须的生长过程，加工出具有良好可拉伸性的双螺微导线。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种可控的可拉伸双螺旋微导线的加工装置，包括共轴喷嘴、微导线生成腔和分隔板，所述分隔板将所述微导线生成腔从上至下分隔为微流腔、紫外光固化腔和螺旋加工腔，所述分隔板开设有通孔；

所述共轴喷嘴有两个均设置在所述微流腔内，所述共轴喷嘴的出口与通孔位置相对应，使所述共轴喷嘴喷出的微导线依次经过紫外光固化腔和螺旋加工腔。

优选的，两所述共轴喷嘴的喷嘴出口端之间的距离为30～100μm；所述共轴喷嘴的管道轴线c与水平面的夹角为25°～50°。

优选的，所述共轴喷嘴包括内嵌管和外套管，所述内嵌管与所述外套管共轴设置并且内嵌于所述外套管中，所述内嵌管和所述外套管的下部均为收缩喷嘴。

优选的，所述外套管的收缩喷嘴的直径为30～200μm，所述内嵌管的收缩喷嘴直径为5～100μm；且所述外套管的收缩喷嘴直径与内嵌管的收缩喷嘴直径的比例为5：1。

优选的，所述分隔板为不透光分隔板。

优选的，所述螺旋加工腔内设置有第一光源和第二光源，所述第一光源和所述第二光源设置在所述微导线的两侧；

所述第一光源和所述第二光源与两所述微导线所在的平面的夹角成30°～60°，且所述第一光源和所述第二光源所发出的光线与所述微导线垂直。

优选的，所述的可控的可拉伸双螺旋微导线的加工装置的双螺旋微导线的加工方法，包括以下步骤：

s1：制备导电浆料和功能水凝胶；

s2：将导电浆料置于两内嵌管内，将功能水凝胶置于两外套管内；

s3：对内嵌管中的导电浆料和外套管中的功能水凝胶施加压力，使导电浆料和功能水凝胶分别从两共轴喷嘴内挤出形成两长条状的微导线；所述微导线的外层为水凝胶层，所述微导线的内层为导电层；

s4：微导线进入紫外光固化腔，在紫外光固化腔内使紫外光对微导线的外层进行固化处理；

s5：固化处理后的微导线进入螺旋加工腔，在螺旋加工腔内的光源对两根微导线进行照射，使两根微导线由相互平行状态变为盘旋缠绕状态，形成一根双螺旋微导线。

优选的，步骤s3中，对所述功能水凝胶施加压力的大小为50～55psi，对所述导电浆料施加压力的大小为50～55psi。

优选的，步骤s4中，所述紫外光的波长为365nm～405nm，功率为10mw。

优选的，所述螺旋加工腔内设置有第一光源和第二光源，所述第一光源和所述第二光源设置在所述微导线的两侧；

所述第一光源和所述第二光源与两所述微导线所在的平面的夹角成30°～60°，且所述第一光源和所述第二光源所发出的光线与所述微导线垂直；

所述第一光源和所述第二光源所发射的连续波激光的功率为200mw～600mw，波长为532nm。

本发明的有益效果：通过紫外光固化腔对两根从共轴喷嘴中不断的挤出的微导线(轴向运动)进行固化处理；经过固化处理后的微导线进入螺旋加工腔，在螺旋加工腔内的光源对两根微导线进行照射，使微导线仿照卷须的顶端在空间中通过自转形成环状，即可使两根微导线分别产生偏心运动(绕中心轴的环状运动)，同时两根相互盘旋的微导线提供了各自盘旋所需的支撑力，依靠离心力的相互叠加进而形成双螺旋状结构；通过模仿卷须植物生长的过程对微导线进行加工，从而生成可拉伸的双螺旋微导线，该方法操作简单，加工完成后的双螺旋微导线具有较好的可拉伸性。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的结构示意图；

图2是本发明的第一光源和第二光源与微导线所在平面的夹角的示意图；

图3是本发明的图1中a部分的放大示意图；

图4是本发明的实施例1加工的双螺旋微导线的示意图；

图5是本发明的实施例2加工的双螺旋微导线的示意图。

其中：1、内嵌管；2、外套管；3、导电浆料；4、功能水凝胶；5、紫外光固化腔；6、螺旋加工腔；7、第一光源；8、第二光源；9、导电层；10、水凝胶层；11、微流腔；12、微导线；13、双螺旋微导线；14、共轴喷嘴；15、微导线生成腔；16、分隔板；c、管道轴线；d、平面。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，一种可控的可拉伸双螺旋微导线的加工装置，包括共轴喷嘴14、微导线生成腔15和分隔板16，所述分隔板16将所述微导线生成腔15从上至下分隔为微流腔11、紫外光固化腔5和螺旋加工腔6，所述分隔板16开设有通孔；

所述共轴喷嘴14有两个均设置在所述微流腔11内，所述共轴喷嘴14的出口与通孔位置相对应，使所述共轴喷嘴14喷出的微导线12依次经过紫外光固化腔5和螺旋加工腔6。

微导线生成腔15分为上、中、下三层腔体，各层腔体相互配合对螺旋微天线进行加工节省了生产时间、便于装置维护；通过紫外线固化腔对的微导线12进行加工，使微导线12在初步固化成形的同时还具备了可弯曲性，方便后续对螺旋加工腔6对微导线12的螺旋结构的加工；

进一步的说明，加工装置通过对共轴喷嘴14内物料施加的压力，使共轴喷嘴14喷出的微导线12依次经过紫外光固化腔5和螺旋加工腔6，微导线12经过紫外光固化腔5的初步固化后，在螺旋加工腔6内形成双螺旋结构；加工装置通过螺旋加工腔6对生成的双螺旋微导线13其螺旋结构的进行加工和控制，避免了常规加工装置中高精度的微流道衬底和高电阻率的加工材料的使用，降低了加工难度，增加了加工装置的应用前景，同时加工装置生成的双螺旋微导线13既具备可弯曲的特点，还具备良好的可拉伸性，能应用在各种具有拉伸需求的器件上。

两所述共轴喷嘴14的喷嘴出口端之间的距离为30～100μm；所述共轴喷嘴14的管道轴线c与水平面的夹角为25°～50°。

两共轴喷嘴14的喷嘴出口端之间的距离为30～100μm，有效避免了距离过近导致两根微导线12会提前黏结，距离过远导致微导线12不能实现相互缠绕；共轴喷嘴14的管道轴线c与水平面的夹角为25°～50°，使得物料能顺利通关共轴喷嘴，保证出料顺畅，有效避免了夹角过大导致加工物料在共轴喷嘴14的出口端堵塞，夹角过小导致加工物料挤出速度过快影响后续微导线12的加工。

所述共轴喷嘴14包括内嵌管1和外套管2，所述内嵌管1与所述外套管2共轴设置并且内嵌于所述外套管2中，所述内嵌管1和所述外套管2的下部均为收缩喷嘴。

内嵌管1与外套管2共轴设置并且内嵌管1内嵌于外套管2中，使内嵌管1与外套管2的安装和拆卸更为简便，内嵌管1和外套管2的下部均为收缩喷嘴有利于管内的液体定向挤出。

所述外套管2的收缩喷嘴的直径为30～200μm，所述内嵌管1的收缩喷嘴直径为5～100μm；且所述外套管2的收缩喷嘴直径与内嵌管1的收缩喷嘴直径的比例为5：1。

外套管2的收缩喷嘴的直径为30～200μm，内嵌管1的收缩喷嘴直径为5～100μm，外套管2和内嵌管1的收缩喷嘴在该直径范围下能生成不同尺寸的微导线12，使加工装置所生成的双螺旋微导线13应用范围更加广泛；外套管2其收缩喷嘴的直径与内嵌管1其收缩喷嘴直径的比例为5：1，该直径比例下生成的微导线12，在不影响微导线12外层的水凝胶层10经过激光照射产生受光弯曲的情况下，达到了微导线12内层的导电层9的最大导电效率，同时该比例确保了微导线12能够最终形成双螺旋结构。

所述分隔板16为不透光分隔板。

分隔板16除了一通孔供两共轴喷嘴14挤出的微导线12通过外，其他部分为不透光分隔结构，有效减少了各腔体之间的光路相互干扰，增加了加工装置的可靠性。

如图2所示，所述螺旋加工腔6内设置有第一光源7和第二光源8，所述第一光源7和所述第二光源8设置在所述微导线12的两侧；

所述第一光源7和所述第二光源8与两所述微导线12所在的平面d的夹角成30°～60°，且所述第一光源7和所述第二光源8所发出的光线与所述微导线12垂直。

所述第一光源7和所述第二光源8与两所述微导线12所在的平面d的夹角成30°～60°，有效避免了加工生成的双螺旋微导线13因螺距和直径过大或过小影响双螺旋微导线13的可拉伸性。

如图1-3所示，所述的可控的可拉伸双螺旋微导线的加工装置的双螺旋微导线的加工方法，包括以下步骤：

s1：制备导电浆料3和功能水凝胶4；

s2：将导电浆料3置于两内嵌管1内，将功能水凝胶4置于两外套管2内；

s3：对内嵌管1中的导电浆料和外套管2中的功能水凝胶施加压力，使导电浆料3和功能水凝胶4分别从两共轴喷嘴14内挤出形成两长条状的微导线12；所述微导线12的外层为水凝胶层10，所述微导线12的内层为导电层9；

s4：微导线12进入紫外光固化腔5，在紫外光固化腔5内使紫外光对微导线12的外层进行固化处理；

s5：固化处理后的微导线12进入螺旋加工腔6，在螺旋加工腔6内的光源对两根微导线12进行照射，使两根微导线1由相互平行状态变为盘旋缠绕状态，形成一根双螺旋微导线13。

功能水凝胶的制作过程为：首先调配0.5mm氯金酸水溶液，以400r～500r/min搅拌250ml种子溶液并加热至沸腾，沸腾时快速加入20ml38.8mm柠檬酸二钠水溶液层，转速调至800r/min；将溶液煮沸6～10min，制备金纳米粒子悬浮液；之后，以40％n-异丙基丙烯酰胺单体、2％n，n’-亚甲基双丙烯酰胺交联剂、0.5％紫外光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮在二甲基亚砜中制成前驱体溶液，再加入0.8wt％金纳米粒子悬浮液，其中烯丙基二硫化物通过氢键在金纳米粒子悬浮液和水凝胶基质之间起连接作用，制成功能水凝胶4；

功能水凝胶为热响应型水凝胶(n异丙基丙烯酰胺)及在其中均匀分布有还原的金纳米粒子作为光热转换器，通过接近激光辐照一侧的光热转换器(金纳米粒子)将光能转换为热能，这一区域的温度升高，高于临界温度时n异丙基丙烯酰胺收缩，远光侧则因温度变化极小而n异丙基丙烯酰胺体积维持不变，因此功能水凝胶层在激光照射下产生向光弯曲的趋势；

导电浆料的制作过程为：将单壁碳纳米管在85℃～95℃温度下75％～85％硝酸中羧化4小时，通过真空过滤法将羧化单壁碳纳米管收集在孔径为0.22μm的微栅上，用大量的去离子水冲洗；然后将羧化单壁碳纳米管分散在去离子水溶液中，加入pt(nh3)4(no3)2中，铂元素占碳纳米管重量的0.5％，在35℃～50℃的静电力作用下持续1.5h～2.5h，用铂前驱体修饰羧化单壁碳纳米管侧壁；然后通过真空过滤将碳纳米管收集在微栅上，在烘干箱中烘干并在320℃～400℃的氢气氛围中还原1h～2h，使羧化单壁碳纳米管的管壁上形成铂粒子；将上述处理后的羧化单壁碳纳米管和共晶镓铟液态金属在1-甲基-2-吡咯烷酮中超声分散10～15min，之后在50～60℃的热板上搅拌，直到粘稠状态，再将混合物转移到聚四氟乙烯砂浆中，在氮气氛围下进一步搅拌10～20min，制成导电浆料；通过上述方法制备的导电浆料的导电性能良好；

进一步的说明，通过紫外光固化腔5对两根从共轴喷嘴14中不断的挤出的微导线12(轴向运动)进行固化处理；经过固化处理后的微导线12进入螺旋加工腔6，在螺旋加工腔6内的光源对两根微导线12进行照射，使微导线12仿照卷须的顶端在空间中通过自转形成环状，即可使两根微导线12分别产生偏心运动(绕中心轴的环状运动)，同时两根相互盘旋的微导线12提供了各自盘旋所需的支撑力，依靠离心力的相互叠加进而形成双螺旋状结构；通过模仿卷须植物生长的过程对微导线12进行加工，从而生成可拉伸的双螺旋微导线13，该方法操作简单，加工完成后的双螺旋微导线13具有较好的可拉伸性。

优选的，步骤s3中，对所述功能水凝胶施加压力的大小为50～55psi，对所述导电浆料施加压力的大小为50～55psi。

通过对功能水凝胶和导电浆料施加50～55psi的压力，有效避免了因施力过大导致功能水凝胶和导电浆料挤出速度过快，影响后续步骤对微导线12的加工效果；

进一步的说明，加工装置通过外接精密气压泵对共轴喷嘴14内的功能水凝胶和导电浆料施加压力，所述精密气压泵的泵管分别密封连接在内嵌管1和外套管2的入口端上；精密气压泵操作简单，能精确控制施加的压力使内嵌管1和外套管2内的液体以相同的速度挤出，增加了加工装置的精确性。

优选的，步骤s4中，所述紫外光的波长为365nm～405nm，功率为10mw。

加工装置通过波长为365nm～405nm，功率为10mw的紫外光对微导线12进行固化，能避免微导线12完全固化，影响后续对微导线12螺旋结构的加工。

优选的，步骤s5中，所述螺旋加工腔6内设置有第一光源7和第二光源8，所述第一光源7和所述第二光源8设置在所述微导线12的两侧；

所述第一光源7和所述第二光源8与两所述微导线12所在的平面d的夹角成30°～60°，且所述第一光源7和所述第二光源8所发出的光线与所述微导线12垂直；

所述第一光源7和所述第二光源8所发射的连续波激光的功率为200mw～600mw，波长为532nm。

第一光源7和第二光源8所发射的连续波激光的功率为200mw～600mw，波长为532nm，在该功率范围下的连续波激光，既能避免激光功率过大引致微导线12的螺旋结构难以控制，又能避免激光功率过小导致微导线12不产生偏心运动；通过调整第一光源7和第二光源8与所述微导线12所在的平面d的夹角，从而达到控制生成的双螺旋微导线的螺距和直径。

实施例1：

本实施例的可控的可拉伸双螺旋微导线的加工装置，包括共轴喷嘴14、微导线生成腔15和分隔板16，分隔板16将微导线生成腔15从上至下分隔为微流腔11、紫外光固化腔5和螺旋加工腔6，分隔板16开设有通孔；

共轴喷嘴14有两个，均设置在微流腔11内，共轴喷嘴14的出口与通孔位置相对应，使共轴喷嘴14喷出的微导线12依次经过紫外光固化腔5和螺旋加工腔6；

两共轴喷嘴14的喷嘴出口端之间的距离为30μm；共轴喷嘴14的管道轴线c与水平面的夹角为45°；

共轴喷嘴14包括内嵌管1和外套管2，内嵌管1与外套管2共轴设置并且内嵌于所述外套管2中，内嵌管1和外套管2的下部均为收缩喷嘴；

外套管2的收缩喷嘴的直径为50μm，内嵌管1的收缩喷嘴直径为10μm；

分隔板16为不透光分隔板；

螺旋加工腔6内设置有第一光源7和第二光源8，第一光源7和第二光源8设置在微导线12的两侧；

第一光源7和第二光源8与两微导线12所在的平面d的夹角成45°，且第一光源7和第二光源8所发出的光源与微导线12垂直。

基于上述可控的可拉伸双螺旋微导线的加工装置的双螺旋微导线的加工方法，包括以下步骤：s1：制备导电浆料和功能水凝胶；

步骤s1：制备导电浆料3和功能水凝胶4；

步骤s2：将导电浆料3置于两内嵌管1内，将功能水凝胶4置于两外套管2内；

步骤s3：对内嵌管1中的导电浆料3施加54psi压力，对外套管2中的功能水凝胶4施加55psi压力，使导电浆料3和功能水凝胶4从共轴喷嘴14内以0.2mm/s的速度挤出形成两长条状的微导线12；所述微导线12的外层为水凝胶层10，所述微导线12的内层为导电层9；

步骤s4：控制紫外光固化腔5发出波长为405nm，功率为10mw的紫外光对微导线12的外层进行固化处理；

步骤s5：控制第一光源7和第二光源8对两根经固化处理后的微导线12发出功率为500mw，波长为532nm的连续波激光；

如图4所示，两微导线12经过第一光源7和第二光源8的连续波激光照射后产生偏心运动，在螺旋加工腔6内由相互平行状态变为盘旋缠绕状态，形成一根在自然未拉伸状态下直径为130μm，螺距为100μm的双螺旋微导线13。

实施例2：

本实施例的可控的可拉伸双螺旋微导线的加工装置与实施例1基本相同，不同之处在于，共轴喷嘴14的管道轴线c与水平面的夹角为30°；外套管2的收缩口的直径为100μm，内嵌管1的收缩口的直径为20μm；第一光源7和第二光源8与两微导线12所在的平面d的夹角成55°。

基于上述可控的可拉伸双螺旋微导线的加工装置的双螺旋微导线的加工方法，与实施例1基本相同，不同之处在于：

步骤s5：控制第一光源7和第二光源8对两根经固化处理后的微导线12发出功率为600mw，波长为532nm的连续波激光；

如图5所示，两微导线12经过第一光源7和第二光源8的连续波激光照射后产生偏心运动，在螺旋加工腔6内由相互平行状态变为盘旋缠绕状态，形成一根在自然未拉伸状态下直径为260μm，螺距为230μm的双螺旋微导线13。

实施例1和实施例2的加工装置均能通过控制第一光源7和第二光源8对微导线12的照射角度，以及两共轴喷嘴14与水平面的夹角，现加工装置对生成双螺旋微导线13其螺旋结构的控制，避免了高精度的微流道衬底和高电阻率的加工材料的使用，减低了加工难度，增加了加工装置的应用前景。

实施例1和实施例2的加工方法所得两种双螺旋微导线的区别在于，螺距和直径不同，通过模仿卷须植物生长的过程对微导线12进行加工，从而生成可拉伸的双螺旋微导线13，该方法操作简单，加工完成后的双螺旋微导线13具有较好的可拉伸性。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。