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CN111438944B - 一种基于su-8胶电解法制备纳米尺度电射流喷头的方法 - Google Patents

一种基于su-8胶电解法制备纳米尺度电射流喷头的方法 Download PDF

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CN111438944B CN202010253691.1A CN202010253691A CN111438944B CN 111438944 B CN111438944 B CN 111438944B CN 202010253691 A CN202010253691 A CN 202010253691A CN 111438944 B CN111438944 B CN 111438944B
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杨雪
贾炳强
胡伟
李露
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Jilin University
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Jilin University
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    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

本发明涉及纳米尺度电射流喷头制备，特别是涉及一种基于SU‑8胶电解法制备纳米尺度电射流喷头的方法。本发明采用SU‑8胶作为电射流喷针材料，通过不完全烘干、过曝光方式，为纳米裂纹的形成创造必要条件。以石墨烯直线为诱导图形，在高压电的电解作用下，在诱导图形下方形成一条线性、尺寸较均匀的纳米沟道。经过热压键合、紫外光刻、电极制造步骤后，形成最终的纳米尺度电射流喷头。

Description

一种基于SU-8胶电解法制备纳米尺度电射流喷头的方法
技术领域
本发明涉及电射流打印喷针制备，特别是涉及一种利用SU-8胶电解法制备纳米尺度电射流喷针的方法。
背景技术
直写方法是一种无需掩膜、模具或额外辅助设备的打印技术。其已经在样机开发、小批量生产、模型修复等领域展现出巨大的应用前景。直写方法目前主要包括熔融沉积快速成型、光固化成型、三维粉末粘接、选择性激光烧结、电射流打印等方法。在以上方法中，由于电射流打印是基于电液流体动力效应，即墨水受高压电场牵引作用，内部电荷集中于喷口弯液面处，进而引发电射流，结合打印平台的三维移动，可形成三维结构。实验已经证明，电射流直径可比喷针内径小2-3个数量级。因此，目前只有电射流打印能够实现纳米尺度精度打印。
电射流打印的内在特性使得电射流具有如下优势。其一，电射流对打印材料具有极高的材料适应性。即相同打印分辨率下，电射流打印可使用更粗的打印喷头。其二，电射流打印成本更低。由于在相同直写线宽下，电射流打印所需的喷头尺寸更大，故电射流打印不易出现墨水堵塞、喷头制造困难等问题，使得电射流本身设备和打印成本更低。电射流打印的优势使得该方法一经推出即受到了工业界和学术界广泛关注。目前电射流打印已经在薄膜沉积、太阳能电池、二极管制造、柔性电子打印等领域得到实际应用。
虽然相比其它直写技术电射流打印在微米和亚微米精度打印上具有巨大优势，但是在纳米尺度分辨率打印方面电射流打印仍具有挑战。由于喷针内径直接决定了射流尺寸，实现纳米级分辨率打印目前仍然需要制造纳米尺度电射流喷头。通常情况下，电射流打印设备无需放置于超净间中。这使得纳米内径喷头容易受环境中颗粒、墨水杂质影响，导致喷头堵塞现象。对于纳米内径喷头，受液体表面张力影响，清洗液极难进入到纳米通道中，故很难采用冲洗方式对纳米喷头进行清洁。通常情况下，纳米喷头一旦堵塞，唯一的解决方式就是更换新的整个喷头。传统的纳米尺度电射流喷头制造工艺十分复杂、成本高、依赖于昂贵的设备。这表明，目前基于电射流打印的纳米尺度分辨率直写成本依然较高。纳米尺度电射流喷头制造已经成为限制电射流打印在纳米尺度结构直写领域发展的瓶颈。为推进电射流打印的应用范围，急需开发低成本纳米尺度电射流喷头工艺。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，针对以往传统方法制备纳米尺度电射流喷头成本高、工艺复杂等问题，提出一种基于SU-8电解法制备纳米尺度电射流喷头的新工艺。
本发明提供的一种利用石墨作为诱导图形，通过施加高压电流在未完全交联的SU-8基底上形成纳米沟道，经过热压键合及电极制造，最终形成纳米尺度电射流喷头的方法，整个喷头制造包括以下步骤：
1.纳米尺度电射流喷头的微米结构制造
2.纳米尺度电射流喷头的纳米沟道制造
3.纳米尺度电射流喷头封装
本发明与现有电射流打印喷针制作方法相比，其优势在于制备工艺极其简单，成本极地低，成品率高，不依赖于需昂贵设备，制备方法便于操作，适合批量化加工。
附图说明
图1是纳米尺度电射流喷头制作流程示意图。
图2是最终制作的纳米尺度电射流喷针结构示意图。
图中：1电射流喷头硅基底；2电射流喷头SU-8胶基底；3石墨诱导线条；4银浆连接点；5电射流喷头纳米沟道；6电射流喷头SU-8胶盖板；7电射流喷头储液池；8纳米通道断面；9电射流喷头电极。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图详细叙述本发明专利的具体实施方式。
1.纳米尺度电射流喷头的微米结构制造
(1)在硅基底1上旋涂一层厚度约20微米的SU-8胶光刻胶2，旋涂速度为3000转/分钟，旋涂时间为30秒。对SU-8胶进行不完全前烘，前烘温度为70摄氏度，时间为4-5分钟。不完全前烘可增加SU-8的导电性，保证步骤2可形成线性、尺寸均匀的纳米裂纹，防止纳米裂纹的分叉现象。
(2)将光刻掩膜板与SU-8胶基底进行对准，对SU-8胶进行过曝光，曝光时间为15分钟。过曝光可促进SU-8胶脆化，是步骤2形成纳米裂纹的必要条件。将SU-8胶基底显影后(显影时间为4-5分钟)，可形成如图1a所示的纳米尺度电射流喷头的微米结构。
2.纳米尺度电射流喷头的纳米沟道制造
(1)在如图1b所示的位置，利用8B铅笔勾画一条石墨烯直线3，作为纳米裂纹诱导图形。采用银浆4分别在石墨烯直线两端各固定一条导线。
(2)在导线两端施加高压电(2300-2500伏特/厘米)，由于未完全烘干的SU-8具有一定的导电性，且过曝光使得SU-8胶脆化，电流沿着诱导石墨烯直线方向流动，SU-8胶在高压电作用下分子链断裂，发生电解，形成可溶性物质。利用酒精超声清洗后，诱导图形正下方可形成如图1c所示的纳米尺度电射流喷头的纳米沟道5。纳米裂纹的深宽范围介于300-500纳米之间。
3.纳米尺度电射流喷头封装
(1)在PDMS基底上旋涂一层厚度约10微米的SU-8胶，旋涂速度为8000转/分钟，旋涂时间为30秒。将SU-8胶完全烘干，前烘温度为90摄氏度，前烘时间为15分钟。
(2)将PDMS和硅基底对准后进行热压键合，键合温度为50摄氏度，键合压力为0.5兆帕，键合时间为15分钟。键合后揭去PDMS基底，SU-8胶将转移至纳米尺度电射流喷头上，形成如图1d所示的纳米尺度电射流喷头盖板6。
(3)利用掩膜板将纳米尺度电射流喷头进行完全曝光，曝光时间为6-8分钟。显影后(显影时间4分钟)，可形成纳米尺度电射流喷头储液池7。
(4)如图1e所示，在垂直于纳米通道的位置将电射流喷头进行切割，露出纳米通道断面8。利用点焊机将铜导线9焊接至如图1e所示的储液池位置，形成最终的纳米尺度电射流喷头(如图2所示)。
凡是利用本发明及附图内容的等效方法，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于SU-8胶电解法制备纳米尺度电射流喷头的方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、纳米尺度电射流喷头的微米结构制造
（1） 在硅基底上旋涂一层厚度20微米的SU-8胶光刻胶，旋涂速度为3000转/分钟，旋涂时间为30秒；对SU-8胶进行不完全前烘，前烘温度为70摄氏度，时间为4-5分钟；
（2） 将光刻掩膜板与SU-8胶基底进行对准，对SU-8胶进行过曝光，曝光时间为15分钟；将SU-8胶基底显影4-5分钟后，形成纳米尺度电射流喷头的微米结构；
二、纳米尺度电射流喷头的纳米沟道制造
（1） 在电射流喷头上，利用8B铅笔勾画一条石墨烯直线，作为纳米裂纹诱导图形；采用银浆分别在石墨烯直线两端各固定一条导线；
（2） 在导线两端施加2300-2500伏特/厘米高压电；利用酒精超声清洗后，诱导图形正下方形成宽深均为纳米尺度的裂纹，形成电射流喷头的纳米沟道；
三、纳米尺度电射流喷头封装
（1） 在PDMS基底上旋涂一层厚度10微米的SU-8胶，旋涂速度为8000转/分钟，旋涂时间为30秒；将SU-8胶完全烘干，前烘温度为90摄氏度，前烘时间为15分钟；
（2） 将PDMS和硅基底对准后进行热压键合，键合温度为50摄氏度，键合压力为0.5兆帕，键合时间为15分钟；键合后揭去PDMS基底，SU-8胶将转移至纳米尺度电射流喷头上，形成纳米尺度电射流喷头盖板；
（3） 利用掩膜板将纳米尺度电射流喷头进行完全曝光，曝光时间为6-8分钟；显影4分钟后，形成纳米尺度电射流喷头储液池；
在垂直于纳米通道的位置将电射流喷头进行切割，露出纳米通道断面；利用点焊机将铜导线焊接至储液池位置，形成最终的纳米尺度电射流喷头。
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