[发明专利]基于近场静电纺丝一步化工艺制备压电聚合物MEMS结构的装置及方法

说明书

本发明公开一种基于近场静电纺丝一步化工艺制备压电聚合物MEMS结构的装置及方法，该装置包含了注射系统、前驱液、直流高压电源、可编程三轴移动平台、A4打印纸等关键部件，结合了近场静电纺丝的在线压电极化作用及其对纤维沉积位置的精确控制能力。以压电聚合物材料配制前驱液，利用近场静电纺丝过程中的强电场作用与静电拉伸作用实现对纤维的在线压电极化；同时，以A4打印纸作为纤维收集器，通过可编程三维移动平台运动轨迹的重复，实现纤维的一致性重复堆叠，完成可控三维结构的“增材”制造。通过本发明可实现聚合物MEMS结构与压电功能化的一步化快速高效制造。

技术领域

本发明属于微纳制造与增材制造领域，具体为一种基于近场静电纺丝一步化工艺制备压电聚合物MEMS结构的装置及方法。

背景技术

相较于传统的硅基微机电系统(MEMS,Micro Electro Mechanical System)，基于高分子聚合物材料的MEMS结构具备优良的机械柔韧性、较低的材料与加工成本、以及快速的加工过程等诸多优点，在柔性电子器件领域具备广阔的应用前景。除却聚合物材料的典型优点，具备压电效应的聚合物材料可以被直接用作机电转换功能材料，近年来，基于压电聚合物材料加工的MEMS结构被广泛应用于触觉传感器、能量收集器、声电换能器以及惯性传感器等领域，具有十分重要的实用价值。目前，用于压电聚合物MEMS结构加工的技术手段主要有：光刻、微纳铸造、纳米压印、飞秒激光切割等。这些技术方法多为基于“减材”机理的加工手段，需要事先加工模板对结构尺寸进行定义(如光刻需要掩膜版)，与此同时，需要后续分离工艺对制造好的结构进行压电极化处理。整个加工过程复杂繁琐，大大增加了复杂度与成本。

发明内容

为解决以上传统聚合物MEMS加工技术的不足，本发明提出一种基于近场静电纺丝一步化工艺制备压电聚合物MEMS结构的装置及方法，该发明结合近场静电纺丝过程中的强电场作用、静电拉伸作用以及其对纤维沉积位置的精确控制，同时完成纤维的在线压电极化与一致性重复堆叠，实现聚合物MEMS结构制备与压电功能化的一步化快速成形“增材”制造。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于近场静电纺丝一步化工艺制备压电聚合物MEMS结构的装置，包括注射装置、电源、可编程三轴移动平台、金属板和纤维收集器；

金属板固定于可编程三轴移动平台上，纤维收集器设置于金属板表面；

注射装置中装有前驱液，注射装置具有用于输出前驱液的纺丝针头；

电源的正极与纺丝针头连接，电源的负极与金属板连接；

纺丝针头设置于纤维收集器的上方，纺丝针头与金属板之间形成静电场；在静电力作用下，纺丝针头能够向纤维收集器表面喷射纺丝纤维，使纺丝纤维在纤维收集器表面沉积，纤维收集器上已沉积纺丝纤维部位的电阻下降并吸引后续的纺丝纤维沉积在已沉积纺丝纤维之上。

纺丝针头到纤维收集器的表面的距离，或到已沉积纤维的距离为0.5～3mm，充分利用静电纺丝纤维的稳定运动区域。

所述电源的工作电压为0.6～2kV，纺丝针头与纤维收集器之间形成的静电场能够使前驱液从纺丝针头喷射而出。

所述注射装置包括注射器和注射泵，注射泵与注射器连接，纺丝针头与注射器连接，前驱液装于注射泵中。

所述金属板接地。

所述纤维收集器采用打印纸。

基于近场静电纺丝一步化工艺制备压电聚合物MEMS结构的方法，采用上述装置进行，过程如下：

调控纺丝针头出口的流量，使前驱液在静电力作用下喷射形成纺丝纤维丝，形成的纺丝纤维为微纳纺丝纤维；