[发明专利]基于数字光的超声辅助微结构选区成形制造装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于数字光的超声辅助微结构选区成形制造装置及方法。双面抛光铌酸锂晶片布置在光学支架的透光孔上，至少一对叉指换能器正交排布在晶片四周，PDMS氮气保护壳置于换能器上方，透光孔正下方依次设有汇聚透镜和数字式微棱镜芯片，紫外光源和准直透镜依次倾斜安装在光学支架的侧面。晶片上涂覆光敏液体，启动叉指换能器使声表面驻波场耦合入光敏液体内形成微结构阵列；放置氮气保护壳，输入DMD掩膜版，紫外光经准直透镜后照射在数字式微棱镜芯片进行选择反射，然后依次穿过汇聚透镜、晶片射入光敏液体内，曝光区域的光敏液体固化，得到指定形状的微结构阵列薄膜。本发明实现了紫外光的数字选择，成形区域控制精度高，响应速度快。

技术领域

本发明涉及快速成形技术，尤其涉及一种基于数字光的超声辅助微结构选区成形制造装置及方法。

背景技术

常见的聚合物表面微结构制造方法包括3D打印、光刻、纳米压印、超声驻波场辅助等等。其中基于超声驻波场辅助的阵列式微结构成形方法，具有成形速度快、成形过程不需要模具、可实现多材料制造等优点，可以被应用于细胞芯片基底、柔性微米电极、分布式柔性触觉传感器等具有聚合物基底的微结构制作中。比如，超声驻波场辅助制造的一维或二维阵列式微结构可作为细胞芯片的基底材料，用于研究离体细胞三维培养；液体受表面驻波场激发，其内部周期性分布的声辐射力可对纳米银线颗粒进行线性排布，再结合紫外光固化可在聚合物基底上制备纳米银线，实现聚合物薄膜上微电极的快速低成本制造。

目前现有的超声驻波场辅助阵列式微结构的成形方法中，可以通过改变叉指换能器的波长、输入电压与叉指换能器对数选择，从而激发不同的超声驻波场，调节微结构阵列的形貌。微结构的范围取决于紫外光固化前液膜的涂覆区域。然而液膜受声辐射力、晶片表面特性与液膜厚度等因素的影响，其分布区域难以精准调控。而且，驻波场激发的一维和二维微结构阵列相对简单，难以满足更为复杂的微结构阵列制造需要。比如，在肝细胞离体培养中，为了更好模拟细胞的真实生长环境，需要将其培养在一个圆形区域的阵列式微结构基底上。分布式柔性传感器需要具有部分微凸台的结构层实现压敏电阻的预张紧。综上所述，现有技术中缺少了一种三维微结构成形区域的控制方法与装置。

发明内容

为解决现有超声驻波场辅助的阵列式微结构成形方法中存在的问题，利用数字微棱镜器件(DMD)可对光进行选择反射这一技术，本发明提出了一种基于数字光的超声辅助微结构选区成形制造装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、基于数字光的超声辅助微结构选区成形制造装置

装置包括数字式微棱镜芯片、汇聚透镜、双面抛光铌酸锂晶片、叉指换能器、PDMS氮气保护壳、紫外光源、准直透镜和光学支架；双面抛光铌酸锂晶片布置在光学支架中心的透光孔上，至少一对叉指换能器正交排布在双面抛光铌酸锂晶片的四周，光敏液体涂覆于至少一对叉指换能器包围形成的双面抛光铌酸锂晶片中心区域内，PDMS氮气保护壳密封盖在光学支架上，并覆盖在双面抛光铌酸锂晶片的上方。

光学支架的透光孔的正下方依次设置有汇聚透镜和数字式微棱镜芯片，紫外光源和准直透镜依次倾斜安装在光学支架的侧面，紫外光源、准直透镜和数字式微棱镜芯片的中心位于同一直线上，紫外光源发出的紫外光经准直透镜变为平行光后通过数字式微棱镜芯片进行选择反射，再由汇聚透镜汇聚紫外光透过光学支架的透光孔和双面抛光铌酸锂晶片照射到光敏液体上。

优选的，叉指换能器均为均匀等周期叉指换能器，叉指换能器的中心位置重合，每对叉指换能器均产生声表面波驻波场，声表面波驻波场耦合入光敏液体中。

优选的，数字光控制采用的数字式微棱镜芯片是具有选择反射功能的DMD芯片，或者是阵列式LED数字光源。

优选的，至少一对叉指换能器、光敏液体、双面抛光铌酸锂晶片均位于PDMS氮气保护壳和光学支架之间形成密封空间内。