專利名稱：加工微/納米級結構的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種借助于表面活性劑或直接產生的氣泡，利用其薄液膜本身的微米和納米級厚度，運用具有二元或多元成分的薄液膜融合過程中發生在微尺度下的化學反應，在基底表面進行加工微/納米級結構的裝置，特別涉及一種通過對二元或多元薄液膜及其被加工基底的熱場、電場、磁場、光場或不同工作氣體及其濃度場的精細控制，以實現在反應過程中的自組裝、刻蝕或堆積而制備加工微/納米級結構的裝置。
背景技術：
當代自然科學發展趨勢是朝微型化邁進，層出不窮的微/納米器件正在改善人們的生活質量，同時也推動了科學技術的發展。在各種微型化技術中，關于微/納米結構物體的制作加工是其核心。眾所周知，隨著物體尺度的減小，加工難度也隨之提高，因此，微/納米尺度上的加工一直極具挑戰性。當前的微加工主要是通過由半導體集成電路(IC)制造業中的微細加工技術與機械制造業中的精密機械加工技術相結合而產生，它是發展微/納米機械電子工程的基礎和保證。微加工技術和用于加工MEMS器件的材料均直接借鑒自IC工業，各種成熟的表面加工技術已經可以制造出精巧復雜的MEMS(微電子機械)器件。然而，傳統的微加工技術通常成本昂貴，對環境的要求比較苛刻，加工過程復雜，且存在一定的環境污染問題。與此同時，傳統方法在向納米加工方面推進時也遇到很多困難，無論通過AFM(原子力顯微鏡)移動原子還是利用電子進行刻蝕來加工納米器件都存在諸多不足。
縱所周知，當通過某種裝置產生一個氣泡時，由于氣泡表面張力的作用，以及內外氣體壓力的擠壓，成泡液體會被逐漸排出，最終形成厚度極薄的薄液膜，并且在一定條件下可以保持相對的穩定性。由于成泡液體的總體積恒定，這種液膜在氣泡逐漸變大的情況下，可以做得相當薄，理論上其厚度甚至可達到只有表面活性劑或液體本身的幾層分子，即納米尺度。因此，若能充分利用這種自然天成的納米結構，通過控制液膜的厚度，存在的空間和時間，就可以簡單靈活的實現宏觀尺度下加工各種微米納米級結構的方法和裝置。
發明內容
本實用新型的目的在于提供一種加工微/納米級結構的裝置，利用其薄液膜本身的微米和納米級厚度，運用具有二元或多元成分的薄液膜融合過程中發生在微尺度下的化學反應，在基底表面進行加工微/納米級結構的裝置，特別涉及一種通過對二元或多元薄液膜及其被加工基底的熱場、電場、磁場、光場或不同工作氣體及其濃度場的精細控制，以實現在反應過程中的自組裝、刻蝕或堆積而制備微/納米級結構。
本實用新型的技術方案如下本實用新型提供的加工微/納米級結構的裝置，包括一帶有透明頂蓋8的由透明耐化學腐蝕材料制做的箱體2，放置在所述箱體2內底面上的帶有三維移動導軌16的加工操作平臺20；所述加工操作平臺20上表面上放置有溫度控制元件14；放置在箱體2之內的由電、磁和光場控制器19控制的可產生電場的金屬板式電極、可產生磁場的永磁體/電磁體陣列和由可移動的半導體激光器構成的激光光源；放置在箱體2之內的氣泡發生器9；一自帶電源的控制電路7；所述控制電路7分別與溫度控制元件14，電、磁和光場控制器19和氣泡發生器9電相連；所述氣泡發生器9與外置氣源17相連通；移動導軌16為通過平面運動調節旋鈕5和垂向運動調節旋鈕18進行三維調節的三維移動導軌。
本實用新型的加工微/納米級結構的裝置，還包括安裝箱體2下表面，且通過調節使所述箱體2的內底表面處于水平的可調穩定底座1。
所述氣泡發生器9為1-6個，分別由萬向支架3固定支撐在所述箱體2的內底表面上。
所述箱體2的幾何尺寸為50mm×50mm×20mm到1000mm×1000mm×500mm。所述的加工控制平臺20的平面幾何尺寸為50mm×50mm到500mm×500mm。
所述氣泡發生器9的結構，包括一氣缸25；其氣缸壁上設有與外置氣源17相連通的進氣口27；一裝于氣缸25之內的其前端帶活塞24的活動推桿26；一位于氣缸25的前端并與氣缸25相通的成膜液體腔室233，所述成膜液體腔室的室壁上設有成膜液體注入口23；
一安裝在成膜液體腔室233前端安裝有可更換噴頭22。
所述活塞28同氣缸25之間保證密配合。
所述加工操作平臺(20)及其上的部件可以倒置。
這里以銀線的加工為例說明本實用新型的工作路線。使用本實用新型的裝置進行微/納米級結構的加工時，將待加工的基底10放置在位于加工操作平臺20上的溫度控制元件14的上表面上，并用夾具將其固定；然后調配好可使用的兩種溶液即分別混合表面活性劑的銀氨溶液和乙醛溶液，濃度示反應需要而定，濕度合適的空氣或氮氣氣源17，選擇好要加工的微納米結構。之后，打開氣路12，保持較好的成泡濕度控制氣泡的壽命，將加工基底10夾持在加工操作平臺20上。計算所要加工的流道的寬度和深度所需薄液膜的厚度，得到所需溶液的劑量和充入氣體體積；控制兩個氣體發生器9運動到確定的加工位置；調節水平運動控制旋鈕5和垂直運動控制旋鈕18調節微調加工基底上布線加工進行的位置。通過活塞推進器28利用微電機自動或手動推動推桿26拉出活塞24使得氣缸25內的氣體容積達到需要的水平，再通過氣源17和氣路12注入的某種氣源氣體通過氣泡發生器9的進氣口27進入氣缸25。分別在兩個氣泡發生器中通過液膜注入口23將成膜液體即混合表面活性劑的銀氨溶液和乙醛溶液直接注入氣缸中液膜腔中。通過活塞推進器28利用微電機自動或手動推動推桿26推進活塞24將氣缸內已經注入的某種氣源推進液膜中形成氣泡，繼續將氣體注入氣泡21中，從而定量的控制氣泡薄液膜的產生，同時控制液膜的厚度。控制微加工平臺反應溫度控制單元14的溫度，保證反應基底底溫度保持在需要底反應溫度。形成的兩種不同溶液薄液膜的氣泡在基底上融合，再融合面上形成薄液膜結構，在該薄液膜結構中發生化學反應(3)然后，還原反應生成的銀附著在玻璃加工基底的表面，即形成銀線。
本實用新型的提供的加工微/納米級結構的裝置具有如下優點1.用于加工微/納米結構的氣泡本身即在微/納米量級，易于實現；2.加工環境比較干凈，操作簡單；3.加工裝置成本較低；4.可實現多種微/納米結構加工；5.采用多種液體，可以方便地控制加工對象的物理組分及化學性質，由此實現功能結構的加工。
6.可與固體、氣體結構配合實現更多加工路線。
本實用新型提供的裝置是一種新概念型的微/納米加工方法。
附圖1-1為本實用新型的結構示意圖；附圖1-2為附圖1-1去掉透明頂蓋8后的俯視圖；附圖2-1為氣泡發生器9的結構示意圖；圖2-2-1、圖2-2-2和圖2-2-3為氣泡發生器9的操作原理圖；附圖3-1和附圖3-2為加工一微型圓的示意圖；附圖4-1和附圖4-2為加工一微型直線的示意圖；附圖5-1和附圖5-2為加工一相交于一點的三根微型直線的示意圖；附圖6-1和附圖6-2為加工一微型十字的示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步的詳細說明。
由圖1和圖2可知，本實用新型提供的加工微/納米級結構的裝置，包括一帶有透明頂蓋8的由透明耐化學腐蝕材料制做的箱體2，放置在所述箱體2內底面上的帶有三維移動導軌16的加工操作平臺20；所述加工操作平臺20上表面上放置有溫度控制元件14；放置在箱體2之內的由電、磁和光場控制器19控制的可產生電場的金屬板式電極、可產生磁場的永磁體/電磁體陣列和由可移動的半導體激光器構成的激光光源；放置在箱體2之內的氣泡發生器9；一自帶電源的控制電路7；所述控制電路7分別與溫度控制元件14，電、磁和光場控制器19和氣泡發生器9電相連；所述氣泡發生器9與外置氣源17相連通；移動導軌16為通過平面運動調節旋鈕5和垂向運動調節旋鈕18進行三維調節的三維移動導軌。
本實用新型的加工微/納米級結構的裝置，還包括安裝箱體2下表面，且通過調節使所述箱體2的內底表面處于水平的可調穩定底座1。
所述氣泡發生器9為1-6個，分別由萬向支架3固定支撐在所述箱體2的內底表面上。所述氣泡發生器9固定于移動支架6上端，移動支架6下端裝于萬向支架3。
所述箱體2的幾何尺寸為50mm×50mm×20mm到1000mm×1000mm×500mm。所述的加工控制平臺20的平面幾何尺寸為50mm×50mm到500mm×500mm。
所述氣泡發生器9的結構，包括一氣缸25；其氣缸壁上設有與氣源相連通的進氣口27；一裝于氣缸25之內的其前端帶活塞24的活動推桿26，活動推桿26的端部裝有活塞推進器28；一位于氣缸25的前端并與氣缸25相通的成膜液體腔室233，所述成膜液體腔室的室壁上設有成膜液體注入口23；一安裝在成膜液體腔室233前端安裝有可更換噴頭22。
所述活塞28同氣缸25之間保證密配合。
所述成膜液體為所述氣缸25內充入的氣體為所述加工操作平臺20及其上的部件可以倒置。
由圖1可知，透明耐腐蝕箱體2和透明頂蓋8由耐腐蝕的透明材料如玻璃等制成，將頂蓋8蓋在箱體2上并與之相連，箱體2和頂蓋8由于透明因而便于觀測加工過程，實際加工過程中可結合其它光學、電子、射線和掃描探針顯微鏡進行實時監測加工。通過充填密封材料如樹脂等密封，控制電路7和氣路12穿過電路氣路通路4的通孔連接到箱體內，據此可保證在加工過程中，能夠精確控制箱內環境，以減少外界的干擾和污染。在箱體2的內底面鋪設有加工平臺導軌3，并通過水平運動調節旋鈕和垂直運動調節旋鈕控制整個加工操作平臺作小范圍的三維運動。
如圖2所示氣泡發生器9在使用過程中可以靈活的更換不同口徑和表面親疏水處理的噴頭22，通過液膜注入口23注入成膜溶液，可以控制產生的氣泡微結構；通過經過密封處理的液膜注入口23可以將成膜液體直接注入活塞腔，控制試劑的計量和可能的污染，也可通過直接利用噴頭蘸取溶液的方法得到液膜；氣體通過氣源17和氣路12進入氣泡發生器9的進氣口27；通過活塞推進器28利用微電機自動或手動推動推桿26推進活塞24將氣缸內已經注入的某種氣源注入氣泡21中，從而定量的控制氣泡薄液膜的產生，同時可以控制液膜的厚度。
實施例1使用本實用新型的裝置加工一圖3-2所示的微型圓通過控制兩個氣泡接觸，并結合與基底的化學反應，可以實現如圖3-2所示的微型圓實施例2使用本實用新型的裝置加工一圖4-2所示的微型直線通過控制兩個氣泡接觸面積，并結合與基底的化學反應，可以實現如圖4-2所示的微型直線
實施例3使用本實用新型的裝置加工一圖5-2所示的相交于一點的三根微型直線通過控制三個氣泡接觸面積，并結合與基底的化學反應，可以實現如圖5-2所示的微型直線實施例4使用本實用新型的裝置加工一圖6-2所示的一微型十字通過控制四個氣泡接觸面積，并結合與基底的化學反應，可以實現如圖5-2所示的微型直線。
以上過程的工作步驟大致相同，只是氣泡結構及控制方式有所不同。這里以其中的部分加工為例，描述如下。
本實用新型裝置的一個具體實施例(刻蝕加工)的使用過程如下1.準備加工材料，包括清洗好的待刻蝕加工玻璃基底10，調配好可使用的兩種溶液即分別混合表面活性劑的KF和HCl溶液，濃度示反應需要而定，濕度合適的空氣或氮氣氣源17，選擇好要刻蝕的微納米結構(此處為直線形微流道)；2.對本裝置進行清潔，并按照圖1所示，打開氣路12，保持較好的成泡濕度控制氣泡的壽命，將加工基底10夾持在加工操作平臺20上。
3.計算所要加工的流道的寬度和深度所需薄液膜的厚度，得到所需溶液的劑量和充入氣體體積；控制兩個氣體發生器9運動到確定的加工位置；調節水平運動控制旋鈕5和垂直運動控制旋鈕18調節微調加工基底上刻蝕加工進行的位置。
4.通過活塞推進器28利用微電機自動或手動推動推桿26拉出活塞24使得氣缸25內的氣體容積達到需要的水平，再通過氣源17和氣路12注入的某種氣源氣體通過氣泡發生器9的進氣口27進入氣缸25。
5.分別在兩個氣泡發生器中通過液膜注入口23將成膜液體即混合有表面活性劑的KF和HCl溶液直接注入氣缸中液膜腔中。
6.通過活塞推進器28利用微電機自動或手動推動推桿26推進活塞24將氣缸內已經注入的某種氣源推進液膜中形成氣泡，繼續將氣體注入氣泡21中，從而定量的控制氣泡薄液膜的產生，同時控制液膜的厚度。
7.形成的兩種不同溶液薄液膜的氣泡在基底上融合，再融合面上形成薄液膜結構，在該薄液膜結構中發生化學反應(1)然后，生成的氫氟酸和玻璃的加工基底反應(2)，刻蝕玻璃基底，形成微流道，這就是可控二元或多元薄液膜微米、納米加工的基本過程。
(2)8.實現人字形結構或者十字結構的加工方式是要利用多個起泡發生器9，并精確控制基底移動；通過多次加工可以得到復雜的結構。
本實用新型裝置的另一個具體實施例(加工納米線)的使用過程如下1.準備加工材料，包括清洗好的待布線加工玻璃基底10，調配好可使用的兩種溶液即分別混合表面活性劑的銀氨溶液和乙醛溶液，濃度示反應需要而定，濕度合適的空氣或氮氣氣源17，選擇好要加工的銀微納米結構，此處為銀線。
2.對本裝置進行清潔，并按照圖1所示，打開氣路12，保持較好的成泡濕度控制氣泡的壽命，將加工基底10夾持在加工操作平臺20上。
3.計算所要加工的流道的寬度和深度所需薄液膜的厚度，得到所需溶液的劑量和充入氣體體積；控制兩個氣體發生器9運動到確定的加工位置；調節水平運動控制旋鈕5和垂直運動控制旋鈕18調節微調加工基底上布線加工進行的位置。
4.通過活塞推進器28利用微電機自動或手動推動推桿26拉出活塞24使得氣缸25內的氣體容積達到需要的水平，再通過氣源17和氣路12注入的某種氣源氣體通過氣泡發生器9的進氣口27進入氣缸25。
5.分別在兩個氣泡發生器中通過液膜注入口23將成膜液體即混合表面活性劑的銀氨溶液和乙醛溶液直接注入氣缸中液膜腔中。
6.通過活塞推進器28利用微電機自動或手動推動推桿26推進活塞24將氣缸內已經注入的某種氣源推進液膜中形成氣泡，繼續將氣體注入氣泡21中，從而定量的控制氣泡薄液膜的產生，同時控制液膜的厚度。
7.控制微加工平臺反應溫度控制單元14的溫度，保證反應基底底溫度保持在需要底反應溫度，此處為60℃。
8.形成的兩種不同溶液薄液膜的氣泡在基底上融合，再融合面上形成薄液膜結構，在該薄液膜結構中發生化學反應(3)然后，還原反應生成的銀附著在玻璃加工基底的表面，形成銀線。
綜上所述，本實用新型的可控二元或多元薄液膜微米、納米加工裝置包括底座1、箱體2、加工控制平臺20及其運動控制機構(加工操作平臺移動導軌16、水平運動調節旋鈕5和垂直運動調節旋鈕18、加工平臺反應環境控制器(加工平臺溫度控制元件即半導體制冷元件14和電、磁、光場控制器19、基底卡具15、控制電路7、氣路12、；用于在其內產生電場的由金屬板組成的電極、用于在其間產生磁場的永磁體或電磁體、由可移動的半導體激光器構成的光源(可選19)、溫度傳感器、數據采集儀11、計算機13、電源等。其中電場和磁場大小可通過裝置上設置的滑道改變電極或磁極的相對位置來調節，溫度控制可由半導體制冷器及微/納米級換熱槽道實現。容器的幾何尺寸為150mm×150mm×100mm，微加工控制臺的幾何尺寸為100mm×100mm，據此可保證在加工過程中，能夠精確控制箱內環境，以減少外界的干擾和污染。在箱體2的內底面鋪設有加工平臺導軌3，并通過水平運動調節旋鈕和垂直運動調節旋鈕控制整個加工操作平臺作小范圍的三維運動。
多個氣泡發生器9通過萬向支架3和移動支架6固定并在箱體2內自由布置，并通過控制電路7、氣源17和氣路12提供其所必需的氣體和電路控制；氣泡發生器9在使用過程中可以靈活的更換不同口徑和表面親疏水處理的噴頭22，通過液膜注入口23注入成膜溶液，可以控制產生的氣泡微結構；通過經過密封處理的液膜注入口23可以將成膜液體直接注入活塞腔，控制試劑的計量利可能的污染，也可通過直接利用噴頭蘸取溶液的方法得到液膜；氣體通過氣源17和氣路12進入氣泡發生器9的進氣口27；通過活塞推進器28利用微電機自動或手動推動推桿26推進活塞24將氣缸內已經注入的某種氣源注入氣泡21中，從而定量的控制氣泡薄液膜的產生，同時可以控制液膜的厚度。兩個或多個分別由兩種或多種不同溶液形成的薄液膜混合后在微米、納米級的空間中發生反應，其反應物直接或間接作用于基底，最終形成微米或納米結構。所有的器件通過電流導線連接電源，并通過傳感器、控制器、計算機集中控制整個加工過程，并利用顯微儀器進行實時觀測。
另外，需要說明的是本實用新型使用的成膜液體可以為水、HCl、NaOH、銀氨溶液、乙醛溶液等可參與反應的中性、酸性或堿性溶液。氣缸(25)內充入的氣體可以為氮氣、CO2、氦氣等惰性氣體。
權利要求1.一種加工微/納米級結構的裝置，其特征在于，包括一帶有透明頂蓋(8)的由透明耐化學腐蝕材料制做的箱體(2)，放置在所述箱體(2)內底面上的帶有三維移動導軌(16)的加工操作平臺(20)；所述加工操作平臺(20)上表面上放置有溫度控制元件(14)；放置在箱體(2)之內的由電、磁和光場控制器(19)控制的可產生電場的金屬板式電極、可產生磁場的永磁體/電磁體陣列和由可移動的半導體激光器構成的激光光源；放置在箱體(2)之內的氣泡發生器(9)；一自帶電源的控制電路(7)；所述控制電路(7)分別與溫度控制元件(14)，電、磁和光場控制器(19)和氣泡發生器(9)電相連；所述氣泡發生器(9)與外置氣源(17)相連通；移動導軌(16)為通過平面運動調節旋鈕(5)和垂向運動調節旋鈕(18)進行三維調節的三維移動導軌。
2.按權利要求1所述的加工微/納米級結構的裝置，其特征在于，還包括安裝箱體(2)下表面，且通過調節使所述箱體(2)的內底表面處于水平的可調穩定底座(1)。
3.按權利要求1所述的加工微/納米級結構的裝置，其特征在于，所述氣泡發生器(9)為1-6個，分別由萬向支架(3)固定支撐在所述箱體(2)的內底表面上；所述氣泡發生器(9)固定于移動支架(6)上端，移動支架(6)下端裝于萬向支架(3)。
4.按權利要求1所述的加工微/納米級結構的裝置，其特征在于，所述箱體(2)的幾何尺寸為50mm×50mm×20mm到1000mm×1000mm×500mm。
5.按權利要求1所述的微/納米結構的加工方法及裝置，其特征在于，所述的加工控制平臺(20)的平面幾何尺寸為50mm×50mm到500mm×500mm。
6.按權利要求1所述的微/納米結構的加工方法及裝置，其特征在于，所述氣泡發生器(9)的結構，包括一氣缸(25)；其氣缸壁上設有與氣源相連通的進氣口(27)；一裝于氣缸(25)之內的其前端帶活塞(24)的活動推桿(26)；一位于氣缸(25)的前端并與氣缸(25)相通的成膜液體腔室(233)，所述成膜液體腔室的室壁上設有成膜液體注入口(23)；一安裝在成膜液體腔室(233)前端安裝有可更換噴頭(22)。
7.按權利要求6所述的加工微/納米級結構的裝置，其特征在于，所述活塞(28)同氣缸(25)之間密配合。
8.按權利要求1所述的加工微/納米級結構的裝置，其特征在于，所述加工操作平臺(20)及其上的部件倒置。
專利摘要一種加工微/納米級結構的裝置，包括由透明耐化學腐蝕材料制做的箱體，其內底面上放有帶三維移動導軌的加工操作平臺；平臺上放置溫度控制元件；箱體內放置由電、磁和光場控制器控制的可產生電場的金屬板式電極、可產生磁場的永磁體/電磁體陣列和由可移動的半導體激光器構成的激光光源和與外置氣源相通的氣泡發生器；自帶電源的控制電路分別與溫度控制元件，電、磁和光場控制器和氣泡發生器電相連。本裝置借助表面活性劑生成或直接產生的氣泡，利用其薄液膜的微/納米級厚度，運用具有二元或多元成分的薄液膜融合過程中發生在微尺度下的化學反應，單獨或同時利用反應過程及其生成物，在各種基底表面進行加工，以制造出特定的微/納米級結構。
文檔編號B22F9/00GK2818016SQ20042012191
公開日2006年9月20日 申請日期2004年12月29日 優先權日2004年12月29日
發明者白曉丹, 劉靜 申請人:中國科學院理化技術研究所