一種三維曲面上微筆直寫電子漿料的裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于微電子/光電子器件制造技術領域，具體涉及一種三維曲面上微筆直寫電子漿料的裝置，可在表面不平整的三維曲面上進行微筆直寫電子漿料，該裝置可用于微電子/光電子元器件的制造，包括導體、電介質、電容、電感、光波導等的制造。
【背景技術】
[0002]直寫技術(Direct Writing Technology)是指任何可以由預先設計的圖形數據驅動在某種材料表面實現材料的沉積、轉移或處理的技術。它是一種可實現多種多樣、不同功能、跨尺度(亞微米至毫米量級)加工的工藝技術，一般可根據“自由堆積/去除”的工藝原理，將眾多直寫工藝和技術分為加成法和減成法兩大類。
[0003]加成法直寫技術基于材料“自由堆積”原理，根據需要在基板表面選區逐點逐層沉積不同成分的膜層，最終完成平面圖形或三維結構的制作，如微噴射沉積、微流動沉積、納米探針沉積和能束輔助沉積等。而減成法直寫技術基于材料“自由去除”原理，通過對塊狀材料的逐點逐層刻蝕實現平面圖形和三維結構的制造，如激光直寫刻蝕技術和微細電火花刻蝕技術等。
[0004]微筆直寫(Micropen Direct Writing)技術是一種厚薄膜印刷系統，由計算機預先設置圖形并控制工作臺移動，采用沉積、噴射、燒蝕等各種方法在基板表面制作出二維功能材料圖形或三維立體零件。該技術最初應用在微電子行業中，代替絲網印刷等傳統工藝制作導線、電容、電感等無源器件，在簡化印制電路板制造工藝、降低成本等方面起著重要的作用。目前用該技術制作的結構尺寸精度雖不及光刻工藝高，但是它具有絲網印刷、噴涂和轉印等不具備的一些優勢，比如無需掩膜、周期短、對環境污染小、可選擇的材料范圍廣泛、柔性化程度高、適于制作復雜的圖形和結構，特別是可用于三維立體復雜零件的制造。
[0005]本申請人早期公開了多個與微筆直寫加工裝置設備系統相關的發明專利或實用新型，如“一種電子漿料的直寫成型裝置”(申請號:CN200620097596)、“一種電子漿料霧化沉積直寫裝置”(申請號:CN200610019527)、和“一種制備聚合物光波導的方法及其專用直寫裝置”(申請號:CN200610019923)等。這些專利或實用新型公開的裝置系統直寫加工的范圍大，運行穩定，結構簡單，操作方便，實用性強，初步具備了制作二維和準三維功能材料圖形及較復雜立體零件的能力。
[0006]本申請人已利用該設備的準二維制作能力，初步制作出了具有三維復合式結構的微帶天線，它分別根據雙臂平面等角螺旋天線和雙臂圓錐對數螺旋天線的函數方程編寫宏程序，在AutoCAD中繪制天線的結構圖，利用CAD/CAM轉換軟件處理結構圖，實現了對這些三維空間曲線的加工。不過，該三維復合式結構微帶天線是在具有標準三維結構的工件表面直寫出具有標準空間曲線方程的圖形而得到的。
[0007]盡管這樣，該微筆直寫加工裝置尚存在明顯的缺點:即該裝置在直寫過程中，既對基板表面的平整性要求很高，又無相應的監測調節裝置，而且也不能在無標準空間曲線方程的復雜曲面工件上進行直寫加工，無法滿足對表面不平整的三維曲面直寫的加工工藝要求。該裝置在進行表面不平整的三維曲面直寫的加工時，隨著微筆直寫筆頭的移動，微筆直寫筆頭會經常與不平整的工件表面發生碰撞或刮擦，縮短微筆直寫筆頭使用壽命，甚至損壞微筆直寫筆頭，而且還導致直寫的漿料層厚度不均勻，直寫的加工效果差、效率低。因此，實際加工應用時，無法最大程度發揮微筆直寫裝置的優勢，難以滿足加工要求。
【實用新型內容】
[0008]本實用新型所要解決的問題在于提供一種三維曲面上微筆直寫電子漿料的裝置，該裝置可在表面不平整的低/高曲率曲面或是球面工件上進行微筆直寫，以解決上述【背景技術】中的缺點。
[0009]本實用新型提供的一種三維曲面上微筆直寫電子漿料的裝置，其特征在于，該裝置包括五軸聯動工作臺、微筆直寫子系統和控制單元；
[0010]所述五軸聯動工作臺包括XY工作臺、Z軸和旋轉工作臺，Z軸與XY工作臺垂直安裝，旋轉工作臺安裝在XY工作臺上，用于安裝待直寫的工件，旋轉工作臺能夠使工件分別繞X軸方向和Z軸方向旋轉運動；
[0011]微筆直寫子系統包括微筆陣列、激光位移傳感器和夾具，微筆陣列由陣列排布的微筆直寫筆頭構成，微筆陣列固定在與Z軸相連的支架上，微筆陣列垂直于XY工作臺的平面安裝；激光位移傳感器通過夾具安裝在與Z軸相連的所述支架上，激光位移傳感器與XY工作臺的平面傾斜安裝；
[0012]控制單元用于控制五軸聯動工作臺運動，使激光位移傳感器與微筆陣列能夠同時移動，并在微筆直寫過程中控制微筆直寫筆頭與工件之間的垂直距離。
[0013]與現有技術相比，本實用新型的有益效果是:
[0014](1)將五軸聯動工作臺與微筆直寫子系統集成在一起，通過控制單元對微筆直寫子系統和五軸聯動工作臺進行自動控制，可實現在任意復雜三維工件表面電子漿料的微筆直寫加工，自動化程度高，操作簡單，可有效控制加工精度；
[0015](2)本實用新型采用激光位移傳感器(其垂直分辨率可達0.0025mm)，實時監測微筆直寫筆頭與三維工件表面間的垂直距離，通過控制單元控制Z軸移動來保證直寫過程中微筆直寫筆頭與三維工件表面間的垂直距離d始終保持在最佳工藝參數(30 ym〈d〈0.2倍微筆直寫筆頭內徑)，適合表面不平整的三維復雜曲面工件的直寫加工。電子漿料的微筆直寫順利流暢，膜層厚度均勻，且工藝相對簡單，加工效率高，制作周期短。
【附圖說明】
[0016]圖1為本實用新型微筆直寫專用裝置的示意圖；
[0017]圖2為本實用新型位移傳感器的示意圖；
[0018]圖3為本實用新型微筆直寫筆頭的工作原理圖；
[0019]圖4為本實用新型加工直寫表面不平整的低曲率曲面工件的示意圖；
[0020]圖5為本實用新型加工直寫表面不平整的高曲率曲面工件的示意圖；
[0021]圖6為本實用新型加工直寫球體工件表面的示意圖；
[0022]圖中:1 一氣壓工作站；2—氣閥；3 — Z軸；4一激光位移傳感器組件；5—旋轉工作臺；6—微筆陣列；7—XY工作臺；8—旁軸(XD ;9—光纖激光器；10—控制單元；11 一激光位移傳感器；12—轉動板；13—橫向移動板；14一縱向移動板；15—表面不規則的低曲率曲面工件；16—旋轉A軸；17—表面不規則的高曲率曲面陶瓷工件；18—旋轉U軸；19一球體工件。
[0023]A—激光位移傳感器11的出光點出一微筆直寫筆頭與過激光位移傳感器11的出光點的水平面的交點；C一激光位移傳感器11的探測光斑點和微筆直寫筆頭垂直投影點在工件表面的焦點。
【具體實施方式】
[0024]本實用新型對原有的電子漿料直寫裝置進行了改進，增加用于測量微筆直寫筆頭與工件表面垂直距離的激光位移傳感器，并且在XYZ三軸運動工作臺的基礎上，增加旋轉工作臺，可實現工件分別繞X軸方向和Z軸方向旋轉運動，以構成XYZAU五軸聯動工作臺。激光位移傳感器用于監測和反饋微筆直寫筆頭與工件表面直接的精確垂直距離，與五軸聯動工作臺和控制單元一起實現對工件的五軸聯動控制。
[0025]本實用新型適用于多種材料基板、不同性質的電子漿料的直寫，可快速獲得性能良好的電子元器件或薄膜器件等。電子漿料包括導體漿料、電阻漿料、介質漿料或其他電子漿料，基板材料可以是陶瓷、玻璃、硅、環氧樹脂、聚酰亞胺、聚碳酸酯等，加工工件可以是表面平整的平面工件、表面不平整的平面工件、有固定空間曲線方程的三維曲面工件、表面不平整的高/低曲率曲面工件等。
[0026]下面結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】作進一步說明。在此需要說明的是，對于這些實施方式的說明用于幫助理解本實用新型，但并不構成對本實用新型的限定。此夕卜，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0027]如圖1所示，本實例主要包括微筆直寫子系統、五軸聯動工作臺和控制單元10。
[0028]五軸聯動工作臺包括XY工作臺7、Z軸3和旋轉工作臺5，XY工作臺7和Ζ軸3構成ΧΥΖ三軸聯動工作臺，旋轉工作臺5安裝在ΧΥ工作臺7上，用于對工件直寫時的加工固定，根據不同的加工工件形狀，旋轉工作臺5能夠使工件分別繞X軸方向和Ζ軸方向旋轉運動，該多軸數控聯動機床可以實現三軸、四軸或五軸聯動控制。Ζ軸3在使用時安裝在實驗臺支架上。
[0029]微筆直寫子系統包括微筆陣列6和傳感器組件4，微筆陣列6由陣列排布的微筆直寫筆頭構成，微筆陣列6固定在與Ζ軸3相連的支架上，微筆陣列6垂直于ΧΥ工作臺7的平面安裝。傳感器組件4包括激光位移傳感器11及其夾具；激光位移傳感器11通過夾具安裝在與Ζ軸3相連的所述支架上，激光位移傳感器11與ΧΥ工作臺7的平面成一定角度傾斜安裝。
[0030]控制單元10控制Ζ軸3運動，使激光位移傳感器11與微筆陣列6能夠同時移動，保證在微筆直寫過程中微筆直寫筆頭與工件的垂直距離始終保持在最佳工藝參數范圍內；旋轉工作臺5固定在ΧΥ兩軸聯動工作臺上，并且都通過控制單元10控制運動。
[0031]如圖2所示，夾具由旋轉板12、橫向移動板13和縱向移動板14組成。激光位移傳感器11固定在旋轉板12上；旋轉板12通過圓柱銷孔固定在橫向移動板13上，旋轉板12可以通過圓柱銷孔在ΧΥ平面內旋轉運動；橫向移動板13固定在縱向移動板14上；縱向移動板14與微筆陣列6固定在與