一種基于快速成型技術(shù)的微納傳感器制造方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于快速成型技術(shù)的微納傳感器制造方法及裝置。所述的制造方法是將設(shè)計好的微納傳感器三維模型表面進行面型化處理和分層處理后，得到各層截面的二維輪廓信息；按照輪廓信息自動生成加工路徑，在控制系統(tǒng)的控制下，有選擇性地噴涂各種成型材料和支撐材料，形成各個截面的輪廓薄片，并順序累加成微納傳感器的三維實體，再經(jīng)后處理后制造出微納傳感器。所述的制造裝置由工作臺、裝有噴頭的噴頭支架、噴頭運動控制單元、材料輸送及噴嘴選擇控制單元、快速降溫裝置等組成。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明由于采用快速成型技術(shù)來生產(chǎn)制造微納傳感器，有效地提高了傳感器的精度，縮短了生產(chǎn)周期，降低了制造成本。
【專利說明】一種基于快速成型技術(shù)的微納傳感器制造方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳感器制造【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于快速成型技術(shù)的微納傳感器制造方法及其制造裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]微納傳感器是站在原子尺度來考慮的微型傳感器，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于機械、航空、軍事、生物、化學等領(lǐng)域，它具有龐大的界面，能夠提供大量的物質(zhì)通道，且導(dǎo)通電阻很小。
[0003]目前，本領(lǐng)域制造微納傳感器的方法一般仍基于娃微機械加工技術(shù)，傳統(tǒng)的傳感器制造方法有很多種，如光刻、沉積、腐蝕、聚焦離子束、鍵合、外延、體硅加工、表面加工、MEMS, LIGA等制造方法，但上述傳統(tǒng)的制造方法在具體實施應(yīng)用中相應(yīng)還存在有制造工藝繁瑣、周期長(一般至少需要四個工作日以上)、精度低(傳統(tǒng)傳感器的精度一般在0.1mm以上)、對加工環(huán)境要求高(例如高溫、粉塵、潮濕、電磁場等環(huán)境因素都會影響制造出的傳感器質(zhì)量)、生產(chǎn)成本高、傳感器的功耗大等不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種工藝步驟簡單、操作方便、制造周期短、產(chǎn)品精度高、生產(chǎn)成本低且可有效避免加工環(huán)境對生產(chǎn)者造成不良影響的基于快速成型技術(shù)的微納傳感器制造方法及其制造裝置。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0006]一種基于快速成型技術(shù)的微納傳感器制造方法，包括下述的步驟:
[0007]I)將設(shè)計好的微納傳感器 三維CAD模型、加工參數(shù)、材料種類信息以及微納傳感器制造裝置中噴頭運動控制、噴嘴選擇及輸出料控制信息輸入到計算機中；
[0008]2)通過計算機對微納傳感器三維CAD模型進行面型化處理，存儲成STL文件格式，對模型進行分層切片處理，獲得模型的各層截面信息；
[0009]3)在與計算機相聯(lián)的微納傳感器制造裝置的噴頭運動控制單元和噴嘴選擇及輸出料控制單元的控制下，調(diào)用微納傳感器制造裝置上分別裝有不同噴涂材料的噴嘴，根據(jù)微納傳感器截面信息在工作臺上有選擇地噴出一層截面，然后在快速降溫裝置的作用下降低已成型截面的溫度，從而形成一個固化層；
[0010]4)使工作臺下降一個層厚的距離，在該固化層的表面上重復(fù)步驟3)，形成一個新的固化層；
[0011]5)重復(fù)步驟3)~步驟4)，使各固化層逐層累加，直到微納傳感器模型完全完成；
[0012]6)使工作臺下降，取出模型，去掉支撐材料，對模型進行固化處理，即得到需求的微納傳感器。
[0013]在上述的微納傳感器制造方法中，所述的每層固化層的層厚為0.Ο?μπι~2μπι。
[0014]上述微納傳感器制造方法中，在各噴嘴中充裝的噴涂材料分別為導(dǎo)電材料、絕緣材料、半導(dǎo)體材料和粘結(jié)材料中的一種，其中粘結(jié)材料的作用是將顆粒材料粘結(jié)起來或者將不同層粘結(jié)起來或者將不同的傳感器元件連接起來。實際工作中，可根據(jù)產(chǎn)品的具體制造需要在計算機程序控制下有選擇地依次或同時使各噴涂材料由對應(yīng)的噴嘴中噴出，制成微納傳感器產(chǎn)品。
[0015]用于實現(xiàn)上述制造方法的基于快速成型技術(shù)的微納傳感器制造包括計算機、工作臺和設(shè)置在工作臺上方的噴頭支架，在噴頭支架上裝有可在噴頭運動控制單元驅(qū)動下沿水平面正交X軸或Y軸移動的噴頭，在噴頭的上部插裝有多個分別內(nèi)充不同噴涂材料的成型材料輸送管和一個支撐材料輸送管，在噴頭的下端設(shè)置有與上述各成型材料輸送管和支撐材料輸送管依次對應(yīng)連通的多個微納噴嘴，所述的各微納噴嘴可以在與計算機連接的材料輸送及噴嘴選擇控制單元控制下單獨或協(xié)調(diào)進行噴涂動作。
[0016]上述微納傳感器制造裝置中，設(shè)置于噴頭上的微納噴嘴的數(shù)目為2?10000個，優(yōu)選的數(shù)目為2?800個。
[0017]上述微納傳感器制造裝置中，在工作臺上還設(shè)有快速降溫裝置，所述的快速降溫裝置是為了防止高熔點材料在已成型面上累加另一層時發(fā)生粘連，起降低已成型面溫度的作用。
[0018]本發(fā)明所述的微納傳感器制造方法及裝置是一種利用快速成型技術(shù)，通過分層制造、逐層累加的方式進行微納傳感器加工的方法及裝置。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明由于采用快速成型技術(shù)來生產(chǎn)制造微納傳感器，節(jié)約材料，可以實現(xiàn)復(fù)合材料的加工，一次成型，可以批量制造各種復(fù)雜的具有特殊性能的微納傳感器，操作簡單易行，工作可靠，減少了人工參與，有效避免了加工環(huán)境對生產(chǎn)制造者造成的不良影響，提高了傳感器精度(精度可達0.1nm以下)，縮短了制造周期(一般僅需幾小時便可制造出來)，所用材料容易獲得且價格低廉，降低了制造成本，傳感器功耗小。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明所述微納傳感器制造裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2是本發(fā)明中噴頭上8噴嘴按線性排列結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖3是本發(fā)明中噴頭上8噴嘴按方性排列結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖4是本發(fā)明中噴頭上8噴嘴按圓性排列結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖5是本發(fā)明的制造工藝流程圖。
[0024]附圖中各數(shù)字標記的名稱分別是:1 一運動控制線路，2 —成型材料輸送管，3 —微納傳感器元件，4 一工作臺，5 —噴頭運動控制單元，6 —材料輸送及噴嘴選擇控制單元，7 —支撐材料輸送管，8 —噴頭支架，9 一微納噴嘴，10 —快速降溫裝置。
【具體實施方式】
[0025]以下將結(jié)合附圖及實施例對本
【發(fā)明內(nèi)容】
進一步說明，但本發(fā)明的實際應(yīng)用形式并不僅限于下述的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應(yīng)被認為屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0026]參見附圖1，本發(fā)明所述的基于快速成型技術(shù)的微納傳感器制造裝置由工作臺4、裝有噴頭的噴頭支架8、運動控制線路1、噴頭運動控制單元5、材料輸送及噴嘴選擇控制單元6、快速降溫裝置10等組成。運動控制線路I安裝在噴頭上，其與噴頭運動控制單元5相連。噴頭上安裝有八個材料輸送管，其中包括一個支撐材料輸送管7和七個成型材料輸送管2，這八個材料輸送管由材料輸送及噴嘴選擇控制單元6來控制。在噴頭上設(shè)有八個微納噴嘴9，各個材料輸送管和各噴嘴之間是一一對應(yīng)的連通關(guān)系。各材料輸送管和微納噴嘴的啟閉均由與計算機連接的材料輸送及噴嘴選擇控制單元6來控制。噴頭中的多個噴嘴之間可以單獨運動即一個噴嘴運動完成后另一個噴嘴再運動，也可以協(xié)調(diào)運動即多個噴嘴同時有規(guī)則地運動，噴嘴的尺度等級可以是毫米級或微米級或納米級的。工作時噴頭上的各微納噴嘴9根據(jù)控制信息可以在設(shè)置有快速降溫裝置10的工作臺4上噴出微納米線，不同噴嘴噴涂不同材料，例如有的噴涂有機材料(如碳納米粒子材料、碳納米管材料、納米點材料、量子點材料等)，有的噴涂無機材料(如金屬或金屬氧化物納米材料、合金納米材料等)。與支撐材料輸送管7連通的噴嘴噴出的支撐材料可以選擇具有特殊性能的材料(例如水溶性材料、低熔點的熱熔性材料等高分子材料)，以便于后處理過程中支撐材料的去除，由此形成所需截面形狀，然后在快速降溫裝置10的作用下降低層面溫度，分層制造、逐層累加，逐漸形成微納傳感器元件3，工作完畢時去掉支撐，經(jīng)相應(yīng)的后處理后就可以完整地制造出一個所需的微納傳感器。整個噴頭可在噴頭運動控制單元5及同步帶的作用下在噴頭支架8上做X向和Y向運動，工作臺在絲杠螺母的作用下可以做豎直Z向的升降運動。
[0027]本發(fā)明的工作原理可參考圖1和圖5。加工之前，把裝配好的微納傳感器三維CAD模型、機器所需的加工參數(shù)、材料輸送管和噴嘴的編號信息等輸入到計算機中。通過計算機對傳感器三維CAD模型進行面型化處理及分層切片，獲得模型的各截面信息。在每個成型材料輸送管2中分別裝入一種制造該微納傳感器所需的原材料(若材料種類超過了 7種，這時可以采用16個或者32個或者更多個噴嘴的噴頭)，在支撐材料輸送管7中裝入一種支撐材料，例如水溶性材料。把裝有不同材料的輸送管編號信息輸送到計算機中的材料輸送及噴嘴選擇控制單元6中，計算機對微納傳感器的三維模型進行切片處理并根據(jù)層片信息及輸入的信息自動進行相關(guān)噴嘴的運動路徑規(guī)劃，信息處理完畢后由噴頭運動控制單元5控制相應(yīng)的噴嘴精確地運動到指定位置。噴頭內(nèi)的高溫加熱裝置迅速將材料加熱熔融，通過微納噴嘴9噴出微納米線，涂覆在工作臺4上的特定區(qū)域形成部分截面形狀，變換裝有不同材料的噴嘴在同一層上噴出指定形狀。再由裝有支撐材料的噴嘴在工作臺4上噴出該層所需形狀的支撐，這就形成一層完整的截面，在快速降溫裝置10的作用下迅速降低已成型面溫度形成一個固化層。再在上一個固化層的表面重復(fù)上述過程形成一個新的層面，與前一個層面進行累加，如此反復(fù)，直到傳感器模型完全完成。去掉支撐后便得到整個微納傳感器的原型，再進行相應(yīng)的后處理就可獲得具有特定功能的微納傳感器。
[0028]圖2、圖3和圖4所示分別為本發(fā)明中噴嘴8的三種排列結(jié)構(gòu)示意圖，依次為線形排列、方形排列和圓形排列。線形排列有利于前后兩噴嘴之間的切換；方形排列的各噴嘴之間距離較均勻，當調(diào)用不同噴嘴時徑向沖擊力小，且便于不同噴嘴之間及時地切換；圓形排列的各噴嘴距離圓心等距控制起來方便且便于不同噴嘴之間的切換。
【權(quán)利要求】
1.一種基于快速成型技術(shù)的微納傳感器制造方法，其特征在于包括下述的步驟: 1)將設(shè)計好的微納傳感器三維CAD模型、加工參數(shù)、材料種類信息以及微納傳感器制造裝置中噴頭運動控制、噴嘴選擇及輸出料控制信息輸入到計算機中； 2)通過計算機對微納傳感器三維CAD模型進行面型化處理，存儲成STL文件格式，對模型進行分層切片處理，獲得模型的各層截面信息； 3)在與計算機相聯(lián)的微納傳感器制造裝置的噴頭運動控制單元和噴嘴選擇及輸出料控制單元的控制下，調(diào)用微納傳感器制造裝置上分別裝有不同噴涂材料的噴嘴，根據(jù)微納傳感器截面信息在工作臺上有選擇地噴出一層截面，然后在快速降溫裝置的作用下降低已成型截面的溫度，從而形成一個固化層； 4)使工作臺下降一個層厚的距離，在該固化層的表面上重復(fù)步驟3)，形成一個新的固化層； 5)重復(fù)步驟3)~步驟4)，使各固化層逐層累加，直到微納傳感器模型完全完成； 6)使工作臺下降，取出模型，去掉支撐材料，對模型進行固化處理，即得到需求的微納傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于快速成型技術(shù)的微納傳感器制造方法，其特征在于:所述的每層固化層的層 厚為0.Ο?μπι~2μηι。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于快速成型技術(shù)的微納傳感器制造方法，其特征在于:在各噴嘴中充裝的噴涂材料分別為導(dǎo)電材料、絕緣材料、半導(dǎo)體材料和粘結(jié)材料中的一種。
4.一種基于快速成型技術(shù)的微納傳感器制造裝置，其特征在于:包括計算機、工作臺(4)和設(shè)置在工作臺(4)上方的噴頭支架(8)，在噴頭支架(8)上裝有可在噴頭運動控制單元(5)驅(qū)動下沿水平面正交X軸或Y軸移動的噴頭，在噴頭的上部插裝有多個分別內(nèi)充不同噴涂材料的成型材料輸送管和一個支撐材料輸送管，在噴頭的下端設(shè)置有與上述各成型材料輸送管和支撐材料輸送管依次對應(yīng)連通的多個微納噴嘴(9)，所述的各微納噴嘴(9)可以在與計算機連接的材料輸送及噴嘴選擇控制單元(6)控制下單獨或協(xié)調(diào)進行噴涂動作。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于快速成型技術(shù)的微納傳感器制造裝置，其特征在于:設(shè)置于噴頭上的微納噴嘴(9)的數(shù)目為2~10000個。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的基于快速成型技術(shù)的微納傳感器制造裝置，其特征在于:設(shè)置于噴頭上的微納噴嘴(9)的數(shù)目為2~800個。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于快速成型技術(shù)的微納傳感器制造裝置，其特征在于:微納噴嘴(9)的尺度等級為毫米級或微米級或納米級。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于快速成型技術(shù)的微納傳感器制造裝置，其特征在于:在工作臺(4)上設(shè)有快速降溫裝置(10)。
【文檔編號】B29C67/00GK103496166SQ201310486097
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月16日
【發(fā)明者】楊來俠, 陳龍, 薛英保 申請人:西安科技大學