[发明专利]一种微孔内材料固液换流装置及方法

说明书

一种微孔内材料固液换流装置及方法，(1)制备所需二维的光刻微沟道模具、三维结构的可溶性树脂模具或PDMS模具；(2)使用模具完成微孔结构的成型；(3)定性分析二维、三维模具表面属性及使用的溶解液属性，进行界面及环境调控，PDMS模具不需要调控；(4)将模具置于强制对流装置内；(5)启动强制对流装置，待过滤室内溶液中可溶性材料浓度下降至设置阈值时停止工作，完成微孔内的固液换流。根据微孔内固液界面属性、固液换流环境进行调控，设计一套高效率的强制对流装置，以解决微孔结构内材料溶解困难、典型微纳加工结构件溶解质量受结构开敞性与溶解面制约、三维微孔结构中的可溶性光敏树脂溶解效率低、溶解速率慢等问题。

技术领域

本发明适用于微纳制造技术和微纳加工工艺领域，特别涉及一种微孔内材料固液换流装置及方法，具体为通过界面调控、环境调控及强制对流的工艺对微孔内材料进行固液换流，同时提供一种能够实现强制固液换流的装置，以实现微孔内材料的高效率、高质量固液换流。

背景技术

近年来，随着微纳制造工艺的蓬勃发展，微型结构化器件的成型方法逐渐多元化，例如面曝光立体微光刻等技术不但促成了微型器件的结构可设计化也进一步提高了结构化器件的成型精度。但由于此类技术对材料及加工环境的要求过高导致绝大部分材料依然无法高精度结构化成型，因而翻模成型工艺在微尺度方向得到了较大的拓展和应用。

翻模成型优势明显，它能大大拓展了材料的选择范围并且可以一体化成型，制得的构件较正向加工工艺缺陷少，质量大幅提升，另外，它还具有加工效率高，经济性好等特点。应用在微纳加工领域的翻模成型工艺依然存在着其传统情况下的问题，如在灌注过程中的气压作用导致液态材料无法顺利灌入微孔状模具等。因而在微纳领域的翻模加工方面，微孔灌注、微孔填充技术一直以来都是影响加工质量的重要因素。在器件翻模过程中，微孔内材料的灌注质量与灌注效率直接决定了成型结构是否带有缺陷及成型成本。例如，在灌注过程中若存在空气或者其他杂质的混入，成型结构将出现明显的缩松或断裂，严重影响成型质量。基于此，电子科技大学的Wei He等人采用多物理耦合技术研究了高密度互连印刷电路板制造中的微孔填充工艺，采用SPS(双(钠-硫丙基)-二硫化物)、EO/PO(环氧乙烷和环氧丙烯嵌段共聚物)和pepi(聚乙烯氧化物-聚酰亚胺)进行微孔填充，但其材料可选择性差依旧是制约其进一步发展的重要因素。斯坦福大学的Clementine M等人通过光刻刻蚀技术，在PU基质中构建所需图案的沟道，并嵌入导电碳纳米管构成电极，由此制得了一种柔性电子皮肤。但PU基质溶解成本高、速度慢等问题极大地影响了此类柔性电子皮肤的发展；北京大学的Yu Song等人将PDMS复合材料通过真空泵输送及毛细管力渗透，灌注至糖方的多孔结构中，并将方糖于热水中溶解，制备而得多孔的PDMS海绵，但在方糖溶解过程中存在灌注精度低，溶解速率慢等问题；除了随机三维结构中可溶性材料溶解的问题，加州大学的Kanguk Kim等人使用BTO等材料直接数字立体光刻成型三维结构，但由于BTO对紫外光的吸收导致掺杂BTO的光敏材料立体光刻精度不高，效率低下，因而选择成型包含BTO结构的反结构模具，再通过翻模的方式得到所需结构，但结构化的可溶性树脂模具在微孔型腔内与溶解液接触面小、溶解速率低、难以完全溶解等问题一直制约着这一方法的发展。总而言之，微孔结构内固液材料的换流方法依然存在着溶解成本高、溶解速率慢、溶解不完全、可溶性材料与溶解液无法充分接触等缺陷与不足，这导致微孔结构的成型质量难以保证，成本也较为昂贵，有待进一本优化改进。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种微孔内材料固液换流装置及方法，根据微孔内固液界面属性、固液换流环境进行调控，设计一套高效率的强制对流装置，解决微孔结构内材料溶解困难、典型微纳加工结构件溶解质量受结构开敞性与溶解面制约、三维微孔结构中的可溶性光敏树脂溶解效率低、溶解速率慢等问题，提高基于翻模制造方法的微柱结构的质量，降低其成型成本。

为了实现上述目的，本发明提供的具体方案为：