本發(fā)明涉及光學器件技術領域，特別涉及一種微納三維打印裝置。

背景技術：

在納米技術領域，研究的對象是結構尺寸在1納米-100納米范圍內材料的性質和應用，其最終目標是直接以原子或分子來構造具有特定功能的產品，也可以說，納米技術其實就是一種用單個原子、分子射程物質的技術。

當前電子技術的趨勢要求器件和系統更小、更快、更冷，更小是指響應速度要快，更冷是指單個器件的功耗要小。因此，隨著納米基礎科學的迅速發(fā)展，納米技術的應用受到大家高度關注。納米顆粒(即粒徑小于100納米的顆粒)在微納電子器件以及微納光學元器件三維打印等技術中具有重要的應用，需要指出的是，在這些納米顆粒的應用中，需要得到納米顆粒微束。

目前，納米顆粒微束可以通過小孔限制的方法得到，但由于在這種通過小孔法得到的納米顆粒微束橫截面上，單位面積上的納米顆粒數不大，從而導致納米顆粒不能被高效利用在微電子以及微納光學元器件三維打印等技術中。那么，如果能夠設計一種納米顆粒聚焦器件，以提高納米顆粒微束橫截面單位面積上的納米顆粒數，則該擬設計的納米顆粒聚焦器件在納米顆粒高效應用中扮演著重要角色。本發(fā)明的發(fā)明人在大量調研中發(fā)現：由于納米顆粒一般不帶電，呈電中性，這樣，現有的用于會聚帶電粒子的電磁聚焦技術對電中性的納米顆粒聚焦沒有用武之地。同時，納米顆粒也不同于不帶電的中子這類電中性粒子，這是因為像中子這類電中性粒子的粒徑與納米顆粒的粒徑相差甚遠，不在同一數量級，從而導致了它們具有不同的碰撞特性，因此，用來會聚中子這類電中性粒子的聚焦技術也不能用來會聚納米顆粒。另外，由于納米顆粒和可見光的光子是完全不同的兩種物質，所以常用的會聚可見光等電磁波的聚焦鏡技術(如凸透鏡技術等)也不能被用來會聚納米顆粒。

綜上可見，由于現有的聚焦器件不能用于納米顆粒的聚焦，因此，為了實現納米顆粒的聚焦難題，目前亟需設計一種有效的用于聚焦納米顆粒的器件。

技術實現要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供一種微納三維打印裝置，能提高納米顆粒微束橫截面單位面積上的納米顆粒數，降低微納三維打印技術對高功率納米顆粒源的依賴程度。

為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是這樣實現的：

一方面，本發(fā)明公開了一種微納三維打印裝置，該裝置包括：納米顆粒源；氣流控制器，設置于所述納米顆粒源的出口側，用于生成初始氣流，并通過初始氣流控制及輸送產生自所述納米顆粒源的納米顆粒的運動速度和方向；

納米顆粒聚焦器件，包括由多根單毛細管組成的相互支撐的多孔聚焦部件及用于調節(jié)和更換所述多孔聚焦部件的配合組件，其中在沿著所述納米顆粒聚焦器件中心對稱軸線的方向上，單毛細管中空部分的直徑逐漸減?。凰黾{米顆粒聚焦器件用于接收出自所述氣流控制器的載有納米顆粒的初始氣流并對所述納米顆粒進行會聚，在出口端形成納米顆粒焦斑；微納器件成型載物臺，用于支撐打印成型的微納器件，與所述納米顆粒聚焦器件所形成的納米顆粒焦斑之間的距離可調；自動控制系統，與所述納米顆粒源、所述氣流控制器、所述納米顆粒聚焦器件及所述微納器件成型載物臺分別連接并對其進行控制和調節(jié)。

可選地，在上述實施方案中，所述納米顆粒聚焦器件的入口端直徑D的數值范圍為1mm～50mm，出口端直徑d的數值范圍為0.1mm～5mm，長度L的數值范圍為9mm～200mm；工作距離f的數值范圍為1mm～10mm。

可選地，在上述實施方案中，所述納米顆粒聚焦器件的工作距離f小于或等于所述納米顆粒聚焦器件出口端和所述微納器件成型載物臺之間的距離。

可選地，在上述實施方案中，所述納米顆粒聚焦器件的入口端直徑、出口端直徑和長度與被會聚的所述納米顆粒的粒徑成正比。

可選地，在上述實施方案中，會聚粒徑為15nm的納米顆粒時，對應的所述納米顆粒聚焦器件的入口端直徑、出口端直徑和長度分別為3mm、0.5mm和12mm；會聚粒徑為30nm的納米顆粒時，對應的所述納米顆粒聚焦器件的入口端直徑、出口端直徑和長度分別為6mm、1mm和24mm。

可選地，在上述實施方案中，所述納米顆粒聚焦器件的焦斑直徑的范圍為0.03微米～50微米，放大倍數的范圍為100～1000；和/或，所述氣流控制器所產生的氣流為氮氣流或氦氣流。

可選地，在上述實施方案中，所述納米顆粒聚焦器件沿著所述初始氣流傳播方向的側面外形輪廓為旋轉拋物面、旋轉橢球面或橢圓拋物面的一部分，或者為圓臺形；和/或，所述納米顆粒聚焦器件沿垂直于所述初始氣流傳播方向的入口端面外形輪廓為圓形或六邊形平面，出口端面外形輪廓為球冠面、或旋橢圓面的一部分。

可選地，在上述實施方案中，所述納米顆粒聚焦器件中的單毛細管數量范圍為7根～9000根；和/或，在所述納米顆粒聚焦器件的入口端，所述單毛細管的中空部分的直徑范圍為150微米～900微米；在所述納米顆粒聚焦器件的出口端，所述單毛細管的中空部分的直徑范圍為10微米～100微米。

可選地，在上述實施方案中，所述自動控制系統進一步包括：啟動模塊，與所述納米顆粒源和所述氣流控制器連接，并根據預設的打印程序對其進行控制和調節(jié)；聚焦調控模塊，與所述納米顆粒聚焦器件連接，用于調整所述納米顆粒聚焦器件的位置和角度；打印控制模塊，與所述納米顆粒聚焦器件和所述微納器件成型載物臺連接，用于根據預設的打印程序對所述微納器件成型載物臺與所述納米顆粒焦斑之間的距離進行控制和調節(jié)。

可選地，在上述實施方案中，所述配合組件包括：支撐部，用于支撐所述多孔聚焦部件；調節(jié)部，設置在所述支撐部與所述多孔聚焦部件之間，用于調節(jié)所述多孔聚焦部件的放置位置及角度；其中，所述多孔聚焦部件與所述調節(jié)部、所述支撐部可拆卸連接。

可選地，在上述實施方案中，所述微納器件成型載物臺配置有用于控制和調節(jié)其與其他部件相對位置關系的調控裝置。

相對于現有技術，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

本發(fā)明的微納三維打印裝置中，采用的納米顆粒聚焦器件具有較高的放大倍數，能夠大幅提高納米顆粒微束橫截面單位面積上的納米顆粒數，有助于納米顆粒的高效利用，同時也降低了對高功率納米顆粒源的依賴程度。因此，本發(fā)明的基于納米顆粒聚焦器件的微納三維打印裝置具有高效、便捷等優(yōu)點。另外，構成納米顆粒多毛細管聚焦器件的材料價格低，且容易獲得，所以，基于納米顆粒多毛細管聚焦器件的微納三維打印裝置的造價低，便于推廣。可以預見的是，本發(fā)明的微納三維打印裝置在突飛猛進的三維打印技術中將帶來顛覆性的創(chuàng)新。

本發(fā)明實施例的更多特點和優(yōu)勢將在之后的具體實施方式予以說明。

附圖說明

構成本發(fā)明的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的不當限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明實施例公開的基于納米顆粒多毛細管聚焦器件的微納三維打印裝置的示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例公開的微納三維打印裝置中納米顆粒聚焦器件沿其中心對稱軸線的剖面示意圖；其中，納米顆粒聚焦器件沿著初始氣流傳播方向的側面外形輪廓是旋轉橢球面，沿垂直于初始氣流傳播方向的出口端面外形輪廓是旋轉橢圓面的一部分。

附圖標記說明

1 納米顆粒源

2 氣流控制器

3 初始氣流

4 納米顆粒聚焦器件

5 納米顆粒焦斑

6 微納器件成型載物臺

7 自動控制系統

D 入口端直徑

d 出口端直徑

L 長度

f 工作距離

具體實施方式

下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

下面結合附圖，對本發(fā)明的各優(yōu)選實施例作進一步說明：

參照圖1，其為本發(fā)明實施例公開的一種微納三維打印裝置的結構示意圖。本實施例中，該微納三維打印裝置包括：納米顆粒源1、氣流控制器2、納米顆粒聚焦器件4、微納器件成型載物臺6及自動控制系統7，其中：

氣流控制器2設置于納米顆粒源1的出口側，用于生成初始氣流3，并通過初始氣流3控制及輸送產生自納米顆粒源1的納米顆粒的運動速度和方向。納米顆粒聚焦器件4包括由多根單毛細管組成的相互支撐的多孔聚焦部件及用于調節(jié)和更換多孔聚焦部件的配合組件，其中在沿著納米顆粒聚焦器件4中心對稱軸線的方向上，單毛細管中空部分的直徑逐漸減小。納米顆粒聚焦器件4用于接收出自氣流控制器2的載有納米顆粒的初始氣流3并對納米顆粒進行會聚，在出口端形成納米顆粒焦斑5。微納器件成型載物臺6用于支撐打印成型的微納器件，與納米顆粒聚焦器件4所形成的納米顆粒焦斑5之間的距離可調。自動控制系統7與納米顆粒源1、氣流控制器2、納米顆粒聚焦器件4及微納器件成型載物臺6分別連接并對其進行控制和調節(jié)。

如圖1所示，將納米顆粒源1產生的納米顆粒置于氣流控制器2控制的具有特定速度的初始氣流3中，載有納米顆粒的初始氣流3通過納米顆粒聚焦器件4的各單毛細管后，氣流中載有的納米顆粒被會聚成納米顆粒焦斑5，納米顆粒焦斑5和微納器件成型載物臺6之間的距離通過自動控制系統7調節(jié)控制，另外納米顆粒源1和氣流控制器2工作時，也受到自動控制系統7的調節(jié)約束。本實施例中，納米顆粒聚焦器件4具有較高的放大倍數，能夠大幅提高納米顆粒微束橫截面單位面積上的納米顆粒數，有助于納米顆粒的高效利用，同時也降低了對高功率納米顆粒源的依賴程度。另外，由于構成納米顆粒多毛細管聚焦器件的材料價格低，且容易獲得，因此納米顆粒多毛細管聚焦器件具有造價低，便于推廣的優(yōu)點。

需要說明的是，本實施例中，納米顆粒源1可以采用振動磨、球磨、攪拌磨等方式產生納米顆粒。氣流控制器2根據所會聚的納米顆粒的要求，控制產生初始氣流3的速度和方向，該初始氣流3的速度范圍為20m/s～100m/s。但對于一定的納米顆粒聚焦器件4而言，會聚粒徑越小的納米顆粒所需要的初始氣流3的速度越小，反之亦然。例如，會聚粒徑分別為20nm和70nm的納米顆粒，其對應的初始氣流的速度可分別為30m/s和60m/s。

需要指出的是，上述氣流控制器2所產生的氣流可以是惰性氣體流，如氮氣流、氦氣流等。

這里，結合圖1和圖2，對上述實施例中的納米顆粒聚焦器件4的參數和性能作進一步說明：

參照圖2，其示出了納米顆粒多毛細管聚焦器件4的主體結構，其中用于描述納米顆粒多毛細管聚焦器件4的幾何參量包括：入口端直徑D、出口端直徑d、長度L、工作距離f。

上述實施例中，納米顆粒聚焦器件4的入口端直徑D的數值范圍可為1mm～50mm，出口端直徑d的數值范圍可為0.1mm～5mm，長度L的數值范圍可為9mm～200mm；工作距離f的數值范圍可為1mm～10mm。

其中，納米顆粒多毛細管聚焦器件的工作距離f是指：聚焦器件的焦斑到該聚焦器件出口端的距離。納米顆粒聚焦器件的工作距離與所會聚的納米顆粒的粒徑、初始氣流的速度、顆粒的密度等因素有關。一般來講，上述實施例中，納米顆粒聚焦器件4的工作距離f小于或等于納米顆粒聚焦器件4出口端和微納器件成型載物6臺之間的距離。

此外，納米顆粒聚焦器件4的入口端直徑D、出口端直徑d、長度L與被會聚的納米顆粒的粒徑成正比。

例如，會聚粒徑為15nm的納米顆粒時，對應的納米顆粒聚焦器件4的入口端直徑D、出口端直徑d、長度L分別為3mm、0.5mm和12mm。

又如，會聚粒徑為30nm的納米顆粒時，對應的納米顆粒聚焦器件4的入口端直徑D、出口端直徑d、長度L分別為6mm、1mm和24mm。

作為一種可選的實施方式，上述構成納米顆粒聚焦器件4的單毛細管數量范圍可為7根～9000根。納米顆粒聚焦器件4的焦斑直徑的范圍可為0.03微米～50微米，放大倍數的范圍可為100～1000。其中，放大倍數是指：在有和沒有納米顆粒多毛細管聚焦器件的兩種情況下，在納米顆粒多毛細管聚焦器件的焦斑所在處單位面積上的納米顆粒數量之比。

例如，被會聚納米顆粒的粒徑為20nm時，初始氣流速度可為30m/s，納米顆粒聚焦器件4的入口端直徑D、出口端直徑d、長度L和工作距離f可分別為8mm、1mm、20mm和2mm。納米顆粒聚焦器件4的焦斑直徑和放大倍數可分別是1微米和300。

需要說明的是，上述單毛細管中空部分的直徑是指：在納米顆粒聚焦器件4的入口端，其范圍為150微米～900微米；在納米顆粒多毛細管聚焦器件的出口端，其范圍為10微米～100微米。例如，單毛細管中空部分的直徑在納米顆粒聚焦器件4的入口端處為400微米，在納米顆粒聚焦器件4的出口端處為40微米。

需要指出的是，根據會聚不同粒徑的納米顆粒的需要，納米顆粒聚焦器件4的形狀是不同的。例如，納米顆粒聚焦器件4沿著初始氣流3傳播方向的側面外形輪廓可為旋轉拋物面、旋轉橢球面或橢圓拋物面的一部分，或者為圓臺形。可選地，納米顆粒聚焦器件4沿垂直于初始氣流3傳播方向的入口端面外形輪廓可為圓形或六邊形平面，出口端面外形輪廓可為球冠面、或旋橢圓面的一部分。

基于前述各實施例，下面對納米顆粒聚焦器件4中的多根單毛細管的形狀和性能參數作進一步說明：

在一可選實施例中納米顆粒聚焦器件4沿垂直于其中心對稱軸線的橫截面的外形是正六邊形，構成納米顆粒聚焦器件4的單毛細管的輪廓是圓形的，單毛細管的中空部分為載有納米顆粒的氣流通道。納米顆粒聚焦器件4中單毛細管緊密排列，如果把中間一根單毛細管所在的層數定義為1，則從內向外各層上的單管數目為6(n-1)，其中n大于1，n為層數。

其中，單毛細管的玻璃母管的材料可以是硼硅酸鹽玻璃、鉛玻璃、二氧化硅玻璃等，具體選擇哪種玻璃可由被會聚納米顆粒的特性決定。玻璃母管通過拉絲塔拉制產生單毛細管，這些單毛細管再經過復合拉制產生具有特定形狀的納米顆粒多毛細管聚焦器件。上述各實施例通過將納米顆粒放置于具有特定速度的氣流中，然后使該載有納米顆粒的氣流通過該納米顆粒多毛細管聚焦器件，此時，納米顆粒在構成納米顆粒多毛細管聚焦器件的每根單毛細管中隨氣流往前運動。

進一步來講，納米顆粒由于受到薩夫曼力Saffman force、斯托克斯力Stokes force和巴塞特力Basset force等力的作用，在每根單毛細管中，這些納米顆粒將逐漸會聚到毛細管的中心線上，形成沿中心線繼續(xù)隨氣流往前移動的細流納米顆粒，從而導致來自不同單毛細管的細流納米顆粒在離開毛細管時，將被會聚在距離納米顆粒多毛細管聚焦器件出口端特定距離的位置處，從而實現了納米顆粒的聚焦，形成了納米顆粒多毛細管聚焦器件的焦點。

其中，細流納米顆粒是指納米顆粒被約束在直徑很細的束流中，垂直于初始氣流傳輸方向的細流納米顆粒的截面直徑取決于納米顆粒的粒徑、初始氣流的傳播速度、顆粒的密度等，該“細流納米顆?！苯孛嬷睆椒秶鸀?.01微米～10微米。

這里，給出一個基于納米顆粒多毛細管聚焦器件的微納三維打印裝置的實例：

納米顆粒源采用振動磨產生納米顆粒，被會聚納米顆粒的粒徑為20納米，氣流控制器2產生30m/s的初始氣流，納米顆粒聚焦器件的母管材料采用硼硅酸鹽玻璃，納米顆粒多毛細管聚焦器件入口端直徑D、出口端直徑d、長度L和工作距離f分別為8mm、1mm、20mm和2mm，單毛細管中空部分的直徑在納米顆粒多毛細管聚焦器件的入口端為400微米，在納米顆粒多毛細管聚焦器件的出口端為40微米，納米顆粒多毛細管聚焦器件的焦斑直徑和放大倍數分別是1微米和300。這樣，經過前述任一實施例所提供的微納三維打印裝置結構及本實例的參數，可將粒徑為20納米顆粒會聚形成直徑為1微米的焦斑，通過自動控制系統的控制在微納器件成型載物臺上打印并成型微納電子器件。

基于上述各實施例，作為一種可選的實施方式，納米顆粒聚焦器件4中的配合組件可進一步包括：支撐部和調節(jié)部，其中，支撐部用于支撐多孔聚焦部件；調節(jié)部設置在支撐部與多孔聚焦部件之間，用于調節(jié)多孔聚焦部件的放置位置及角度。多孔聚焦部件與調節(jié)部、支撐部可拆卸連接，以便于針對不同納米顆粒的粒徑更換或調節(jié)多孔聚焦部件的型號。

基于上述各實施例，作為一種可選的實施方式，微納器件成型載物臺6配置有用于控制和調節(jié)其與其他部件相對位置關系的調控裝置。微納器件成型載物臺6作為微納光學元器件和微納電子器件等成型的支撐體，它和納米顆粒多毛細管聚焦器件焦斑之間的距離是可調的，可通過其配置的調控裝置進行調節(jié)。

作為一種可選的實施方式，上述實施例中，自動控制系統7可進一步包括：啟動模塊、聚焦調控模塊、打印控制模塊，其中：啟動模塊與納米顆粒源1和氣流控制器2連接，并根據預設的打印程序對其進行控制和調節(jié)。例如，根據打印要求控制納米顆粒源1和氣流控制器2的啟動、關閉、或者調節(jié)其工作參數等。聚焦調控模塊與納米顆粒聚焦器件4連接，用于根據打印要求預先、或在打印過程中調整納米顆粒聚焦器件4的位置和角度，使會聚的納米顆粒滿足微納電子器件、微納光學元器件等的打印成型要求。打印控制模塊與納米顆粒聚焦器件4和/或微納器件成型載物臺6連接，用于根據預設的打印程序對微納器件成型載物臺6與納米顆粒焦斑5之間的距離進行控制和調節(jié)。

需要說明的是，上述各實施例中，通過自動控制系統調控納米顆粒多毛細管聚焦器件焦點和微納器件成型載物臺之間的相對位置，并按照預先設計的打印程序實現微納元器件的三維成型打印。其中，自動控制系統含有多模式控制模塊，可以用于對納米顆粒源、氣流控制器、納米顆粒聚焦器件機微納器件成型載物臺進行控制、調節(jié)和運行。

與現有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

本發(fā)明各實施例公開的微納三維打印裝置中，采用的納米顆粒聚焦器件具有較高的放大倍數，大幅提高了納米顆粒利用效率，同時也降低了對高功率納米顆粒源的依賴程度，因此本發(fā)明的基于納米顆粒聚焦器件的微納三維打印裝置具有高效、便捷等優(yōu)點。另外，構成納米顆粒多毛細管聚焦器件的材料價格低，且容易獲得，所以，基于納米顆粒多毛細管聚焦器件的微納三維打印裝置的造價低，便于推廣?？梢灶A見的是，本發(fā)明的微納三維打印裝置在突飛猛進的三維打印技術中將帶來顛覆性的創(chuàng)新。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。