本發(fā)明屬于水聲傳感器制造領(lǐng)域，具體涉及利用光固化打印技術(shù)在十字梁上定位形成仿生纖毛的制造模型及方法。

背景技術(shù)：

1、水聲傳感器是一種用于探測水中聲波信號的設(shè)備，其廣泛應(yīng)用于水下探測、導(dǎo)航和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。由于低頻水聲信號在水中吸收少且傳播距離較遠(yuǎn)，因此成為遠(yuǎn)程探測和深海探測的常用手段，對于水下聲場中低頻水聲信號的獲取和處理也是目前海洋聲學(xué)和水聲學(xué)領(lǐng)域中的學(xué)者較為關(guān)注的問題。目前，利用纖毛式矢量水聲傳感器測量低頻水聲信號成為一個(gè)越來越熱門的趨勢，這類傳感器通過纖毛-十字梁結(jié)構(gòu)檢測聲壓梯度，無需彈性懸掛，從而避免了極低頻共振峰的干擾。

2、光固化打印是一種先進(jìn)的三維打印技術(shù)，其基本原理源于光敏材料在紫外線(ultra-violet?ray，uv)照射下發(fā)生固化的獨(dú)特性質(zhì)。該技術(shù)主要選用光敏聚合物樹脂作為打印材料，這些樹脂在受特定波長紫外線光輻照后，通過光聚合反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)閳?jiān)實(shí)的固體結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對三維物體的精確建模。

3、中北大學(xué)的weirong?ren等在2022年發(fā)表于measurement的論文《design?andimplementation?of?crossed-circle?mems?ciliary?vector?hydrophone》中提到，水聲傳感器纖毛的制造方法主要依賴于人工粘接。具體而言，操作人員利用顯微鏡和移動平臺等工具，通過目視方式將預(yù)制的纖毛粘附在傳感器十字梁的中央。該手工操作方法對操作人員的技能要求較高，且存在一系列問題：首先，傳感器的十字梁十分脆弱，容易在操作過程中損壞；其次，纖毛粘接過程中往往會在底部留下膠水殘余，影響傳感器的性能；最后，纖毛最終位置的準(zhǔn)確性難以保證，進(jìn)一步制約了傳感器的制造精度。由于所需的仿生纖毛半徑僅175μm，但高度可達(dá)好幾毫米，因此使用常規(guī)方法在傳感器上進(jìn)行打印會造成樣品不成型和十字梁結(jié)構(gòu)破壞的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種利用光固化打印機(jī)實(shí)現(xiàn)水聲傳感器一體化集成制造的模型及方法。本方法操作流程較簡單，只需要進(jìn)行兩次特定的打印操作及相應(yīng)的模型，即可避免對十字梁結(jié)構(gòu)造成破壞和解決樣品不成型的問題，在傳感器底座上精確成型所需的仿生纖毛。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

3、一種基于仿生纖毛的水聲傳感器一體化集成制造模型，所述的水聲傳感器一體化集成制造模型包括用于實(shí)現(xiàn)打印的光固化打印設(shè)備和兩種基于仿生纖毛的水聲傳感器一體化集成制造打印模型。其中，第一種一體化集成制造打印模型應(yīng)用在第一次打印中實(shí)現(xiàn)打印定位功能，定義為打印定位模型，第二種一體化集成制造打印模型應(yīng)用在第二次打印中實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)保護(hù)功能，定義為結(jié)構(gòu)保護(hù)模型。

4、所述的打印定位模型包括板狀結(jié)構(gòu)的定位打印基座10，用于將帶十字梁結(jié)構(gòu)的水聲傳感器基座13固定在定位打印基座10上的四個(gè)固定卡子11，用于將水聲傳感器基座13的中心點(diǎn)定位到凹陷區(qū)域中心點(diǎn)的定位基柱12，其中位打印基座10的正中心有一塊凹陷區(qū)域。

5、進(jìn)一步的，所述的定位打印基座10的長寬為光固化打印設(shè)備可打印的最大長寬，其高度為水聲傳感器基座13高度的兩倍。

6、進(jìn)一步的，所述的定位打印基座10正中心的一凹陷區(qū)域的長度為水聲傳感器基座13長度的兩倍，凹陷區(qū)域的寬度為水聲傳感器基座13寬度的兩倍，凹陷區(qū)域的中心是四個(gè)對稱固定卡子11和一個(gè)定位基柱12。

7、進(jìn)一步的，所述的固定卡子11是與定位打印基座10傾斜一定角度的細(xì)圓柱，每對中心對稱的固定卡子11底部圓心的間隔距離等于水聲傳感器基座13的寬度加上兩倍的固定卡子11的圓柱直徑，通過傾斜設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對水聲傳感器基座的夾緊。

8、進(jìn)一步的，所述的定位基柱12為與定位打印基座10垂直的細(xì)圓柱，用于在水聲傳感器基座13嵌入固定卡子11當(dāng)中時(shí)起到定位作用。

9、進(jìn)一步的，所述水聲傳感器基座13是待加工的硅質(zhì)器件，并非打印產(chǎn)物。

10、進(jìn)一步的，優(yōu)選的，通過擴(kuò)寬所述打印定位模型的中心凹陷區(qū)域，對應(yīng)的固定卡子11與定位基柱12以陣列形式排布，可以放置多個(gè)水聲傳感器基座13。

11、所述的結(jié)構(gòu)保護(hù)模型包括仿生纖毛14及圍繞在周圍的保護(hù)層結(jié)構(gòu)15。所述仿生纖毛14與環(huán)形的保護(hù)層結(jié)構(gòu)15等高，仿生纖毛14垂直成型在水聲傳感器基座13的十字梁中心，保護(hù)層結(jié)構(gòu)15垂直成型在定位打印基座10上。

12、進(jìn)一步的，所述的保護(hù)層結(jié)構(gòu)15的直徑為2.74倍的定位打印基座10的長度。

13、進(jìn)一步的，所述的光固化打印設(shè)備包括：最底端的移動導(dǎo)軌1，可沿著移動導(dǎo)軌1在y軸方向上進(jìn)行移動的樹脂槽軸2，固定在樹脂槽軸2上的樹脂槽3，垂直固定在樹脂槽軸2上的打印平臺軸4，可在打印平臺軸4上沿z軸方向移動的打印平臺5，安裝在樹脂槽3上方的離型膜6，固定在移動導(dǎo)軌1中心正上方的激光測距儀7、uv固化光源8和實(shí)時(shí)監(jiān)控相機(jī)9。所述的激光測距儀7可沿x軸方向移動，打印平臺5與離型膜6皆可單獨(dú)拆卸下來。

14、一種基于仿生纖毛的水聲傳感器一體化集成制造方法，基于上述水聲傳感器一體化集成制造模型實(shí)現(xiàn)，是一種通過改良打印流程來保護(hù)脆弱結(jié)構(gòu)的光固化打印方法，包括以下步驟：

15、步驟1)將樹脂槽軸2及安裝在樹脂槽軸2上的樹脂槽3、固定在樹脂槽軸2上的打印平臺軸4、安裝在打印平臺軸4上的打印平臺5和安裝在樹脂槽3上的離型膜6沿移動導(dǎo)軌1移動到導(dǎo)軌中心位置，使得打印平臺5、離型膜6與uv固化光源8的中心點(diǎn)位于一條垂直線上；

16、步驟2)通過移動樹脂槽軸2來改變安裝在樹脂槽3上的離型膜6的y軸位置，通過移動激光測距儀7來改變激光測距儀7相對于離型膜6的x軸位置，利用激光測距儀7分別測量離型膜6四個(gè)角的z軸高度，并調(diào)平離型膜6至任意兩角之間在z軸上的高度差小于20μm；

17、步驟3)將離型膜6從樹脂槽3上卸下，通過移動樹脂槽軸2來改變打印平臺5的y軸位置，通過移動激光測距儀7來改變激光測距儀7相對于打印平臺5的x軸位置，利用激光測距儀7分別測量打印平臺5四個(gè)角的z軸高度，并調(diào)平打印平臺5至任意兩角之間在z軸上的高度差小于20μm；

18、步驟4)將離型膜6安裝到樹脂槽3上，使用膠頭滴管向樹脂槽3中添加液態(tài)樹脂直至液體表面與樹脂槽3內(nèi)腔的刻度線平齊，此時(shí)打印平臺5的下端完全浸沒在液態(tài)樹脂中，離型膜6的下表面與液態(tài)樹脂上表面正好接觸；

19、步驟5)打開uv固化光源8，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控相機(jī)9觀察uv固化光源8在離型膜6上形成的圖案，通過調(diào)節(jié)樹脂槽3的高度改變離型膜6在z軸上的位置，直到uv固化光源8在離型膜6上形成高度集中的光斑為止；

20、步驟6)關(guān)閉uv固化光源8，移動激光測距儀7至與離型膜6的中心點(diǎn)正上方，測量并記錄離型膜6在此時(shí)的z軸位置；

21、步驟7)從樹脂槽3上卸下離型膜6，用刀片輕輕刮去上一步中由于uv固化光源8形成的光斑造成的附著在離型膜6下表面的固態(tài)樹脂；

22、步驟8)將離型膜6安裝到樹脂槽3上，根據(jù)步驟6)中測得的離型膜6的z軸位置來調(diào)節(jié)打印平臺5在打印平臺軸4上的位置，直至打印平臺5下端的上表面與離型膜6的下表面正好接觸；

23、步驟9)導(dǎo)入用于實(shí)現(xiàn)打印定位功能的打印模型文件，設(shè)置uv固化光源8在打印過程中使用的光照時(shí)間與光照強(qiáng)度，設(shè)置打印平臺5在打印過程中的下降速度與單次下降距離，設(shè)置打印平臺5每次下降后的液態(tài)樹脂流平等待時(shí)間，進(jìn)行第一次打??；

24、步驟10)完成第一次打印，從樹脂槽3上卸下離型膜6，從打印平臺軸4上卸下打印平臺5，以及粘在打印平臺5下端上表面的打印件，打印件包括由液態(tài)樹脂受uv固化光源8照射固化形成的定位打印基座10、四個(gè)固定卡子11和定位基柱12；

25、步驟11)用濃度95％的乙醇清洗打印平臺5和仍粘在打印平臺5上的定位打印基座10、四個(gè)固定卡子11和定位基柱12，將硅質(zhì)的水聲傳感器基座13平推嵌入到四個(gè)固定卡子11和定位基柱12形成的方形空隙當(dāng)中；

26、步驟12)將離型膜6安裝到樹脂槽3上，用膠頭滴管向樹脂槽3中補(bǔ)充液態(tài)樹脂至樹脂槽3內(nèi)腔的刻度線處，重復(fù)步驟5)的操作，當(dāng)uv固化光源8在離型膜6上形成高度集中的光斑后，調(diào)節(jié)樹脂槽3的高度，將離型膜6的z軸位置向上移動0.1mm；

27、所述步驟使得后續(xù)打印時(shí)，受uv固化光源8照射生成的固態(tài)樹脂件上表面不會非常牢固的粘在離型膜6的下表面，避免在打印完成后取下離型膜6時(shí)產(chǎn)生的拉力導(dǎo)致打印出的仿生纖毛14及與其相連的水聲傳感器基座13上的十字梁結(jié)構(gòu)受到破壞。

28、步驟13)關(guān)閉uv固化光源8，移動激光測距儀7至與離型膜6的中心點(diǎn)正上方，測量并記錄離型膜6在此時(shí)的z軸位置；

29、步驟14)從樹脂槽3上卸下離型膜6，用刀片輕輕刮去上一步中由于uv固化光源8形成的光斑造成的附著在離型膜6下表面的固態(tài)樹脂；

30、步驟15)將打印平臺5安裝到打印平臺軸4上，將離型膜6安裝到樹脂槽3上，根據(jù)步驟13)中測得的離型膜6的z軸位置來調(diào)節(jié)打印平臺5在打印平臺軸4上的位置，直至打印平臺5上第一次的打印件中嵌入的水聲傳感器基座13的上表面與離型膜6的下表面正好接觸；

31、步驟16)導(dǎo)入用于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)保護(hù)功能的打印模型文件，設(shè)置uv固化光源8在打印過程中使用的光照時(shí)間與光照強(qiáng)度，設(shè)置打印平臺5的單次下降距離，設(shè)置打印平臺5每次下降后的液態(tài)樹脂流平等待時(shí)間，設(shè)置打印平臺5在打印過程中的下降速度為第一次打印設(shè)置的一半，以避免樹脂槽3內(nèi)的液態(tài)樹脂流速過快沖壞打印結(jié)構(gòu)，進(jìn)行第二次打??；

32、步驟17)完成第二次打印，取出打印平臺5及粘在打印平臺5表面上的樹脂打印件和嵌在定位打印基座10中的水聲傳感器基座13，所述樹脂打印件包括定位打印基座10、四個(gè)固定卡子11、定位基柱12、仿生纖毛14與保護(hù)層結(jié)構(gòu)15，取出后將它們放置在濃度95％的乙醇中輕輕搖晃一分鐘，以洗凈樣品上殘留的液態(tài)樹脂，最后取出等待自然風(fēng)干。

33、步驟18)用薄刀片沿打印平臺5與打印得到的定位打印基座10的接觸面插入，將定位打印基座10及定位打印基座10上面的四個(gè)固定卡子11、定位基柱12，以及嵌在固定卡子11和定位基柱12中間的水聲傳感器基座13、生成在水聲傳感器基座13十字懸臂梁正中心的仿生纖毛14和環(huán)繞在水聲傳感器基座13外圍的保護(hù)層結(jié)構(gòu)15一起完整的刮下，用刀尖輕推十字梁中心帶仿生纖毛14的水聲傳感器基座13，將仿生纖毛14連同水聲傳感器基座13一起從固定卡子11沒有定位基柱12的一側(cè)取出，即可得到由仿生纖毛14與水聲傳感器基座13組成的水聲傳感器。

34、本發(fā)明的有益效果如下：

35、(1)本發(fā)明能夠通過光固化打印在水聲傳感器基座上直接形成仿生纖毛，有效避免了傳統(tǒng)膠水粘接方法在仿生纖毛底部留下膠水殘余導(dǎo)致對水聲傳感器性能產(chǎn)生不利影響。

36、(2)本發(fā)明借助光固化打印系統(tǒng)中的設(shè)備對仿生纖毛在傳感器上的位置進(jìn)行定位，有效避免了人工目測定位導(dǎo)致的定位不準(zhǔn)問題。

37、(3)本發(fā)明可以有效保護(hù)傳感器基座表面脆弱的十字梁結(jié)構(gòu)。