專利名稱：一種粘彈熱觸發(fā)熱塑性聚合物超聲波壓印方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于MEMS聚合物制作領(lǐng)域，涉及一種熱塑性聚合物微結(jié)構(gòu)的制作技術(shù)，用于實(shí)現(xiàn)聚合物基片上微結(jié)構(gòu)的成形。
背景技術(shù)：
隨著聚合物材料在MEMS領(lǐng)域的應(yīng)用，聚合物微結(jié)構(gòu)的成形工藝成為推進(jìn)聚合物微器件產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的使能技術(shù)之一。在基于超聲波的聚合物成形技術(shù)中，主要分為超聲產(chǎn)熱壓印(Hyim Woo Yu, et al, Mi cro/Nano lith. MEMS Μ0ΕΜ, 2009,8 (2) :021113)和超聲輔助熱壓印(Harutaka Mekaru, et al, Microsyst Technol，2008，14 :1325-1333)兩種。其中，超聲產(chǎn)熱壓印工藝過程中，聚合物溫升所需要的熱量來源于超聲振動(dòng)對聚合物的作用；而超聲輔助熱壓印引入了外部熱源，聚合物基片首先被加熱到其玻璃點(diǎn)轉(zhuǎn)化溫度以上，在施加壓力的同時(shí)施加超聲波，利用超聲波振動(dòng)起到排氣和均勻熔融聚合物流體片內(nèi)分布的效果(Harutaka Mekaru, et al, Microelectronic Engineering，2007，84 1282-1287)。超聲輔助熱壓印可以提高熱壓成形中微結(jié)構(gòu)的成形精度，但是其前期的加熱過程長達(dá)數(shù)分鐘，工藝效率低，且聚合物整體處于其玻璃點(diǎn)轉(zhuǎn)化溫度以上，在壓力作用下的成形過程中，聚合物基片整體變形大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種應(yīng)用于熱塑性聚合物微結(jié)構(gòu)成形的粘彈熱觸發(fā)熱塑性聚合物超聲波壓印方法。通過將模具加熱到聚合物的玻璃點(diǎn)轉(zhuǎn)化溫度以上，之后與室溫下的聚合物接觸并施加超聲波，由于與模具接觸的聚合物界面達(dá)到其玻璃點(diǎn)轉(zhuǎn)化溫度，熱塑性聚合物在超聲波作用下的產(chǎn)熱機(jī)理為粘彈性產(chǎn)熱，產(chǎn)熱效率高，模具上的微圖形快速復(fù)制到聚合物基片上。本發(fā)明的技術(shù)方案如下第一步，將壓印模具加熱到熱塑性聚合物的玻璃點(diǎn)轉(zhuǎn)化溫度之上1-60°C ；第二步，模具溫度恒定后，在模具上放置熱塑性聚合物基片；立即將超聲波焊機(jī)的焊頭與聚合物基片接觸，同時(shí)關(guān)閉熱源并加載超聲振動(dòng)和壓力。當(dāng)接觸壓力達(dá)到超聲波焊接中設(shè)定的觸發(fā)壓力，開始施加超聲波載荷，此時(shí)觸發(fā)壓力轉(zhuǎn)變?yōu)樵诤笝C(jī)中預(yù)先設(shè)置好的焊接壓力，保持一段時(shí)間，聚合物在超聲振動(dòng)和焊接壓力作用下溫升，成形區(qū)域的聚合物軟化，并在超聲波焊機(jī)焊頭提供的焊接壓力作用下發(fā)生流動(dòng)，填充模具圖形。第三步，停止超聲，超聲波焊機(jī)的壓力自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)先設(shè)置好的保壓壓力，使仍處于軟化狀態(tài)的聚合物進(jìn)一步成形，且防止其發(fā)生彈性回復(fù)影響微結(jié)構(gòu)成形精度。最后抬起超聲波焊頭，完成粘彈熱觸發(fā)熱塑性聚合物超聲波壓印過程。本發(fā)明的效果和益處是聚合物與模具的接觸界面處由于熱傳導(dǎo)達(dá)到了玻璃點(diǎn)轉(zhuǎn)化溫度，超聲波施加后的產(chǎn)熱規(guī)律為粘彈性產(chǎn)熱，產(chǎn)熱效率高，成形效率高；由于聚合物是熱的不良導(dǎo)體，熱塑性聚合物基片的基體仍低于其玻璃點(diǎn)溫度，壓印成形過程中聚合物基片的整體變形?。挥捎诔曊駝?dòng)發(fā)生時(shí)，聚合物處于高彈態(tài)或粘彈態(tài)，對模具的振動(dòng)損傷小，可采用玻璃和硅材料制作壓印模具，降低了模具制造成本。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1超聲波焊頭；2聚合物基片；3模具；4熱板；5焊機(jī)底座。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合技術(shù)方案和附圖，以熱塑性聚合物PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)的粘彈熱觸發(fā)熱塑性超聲壓印為例詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施。DPMMA的玻璃點(diǎn)轉(zhuǎn)化溫度為105°C，因此本實(shí)施例通過將熱板4加熱至120°C，在熱傳導(dǎo)的作用下使得模具上表面的溫度恒定，此時(shí)其溫度約為110°C。2)放置PMMA聚合物基片2于硅模具3之上。超聲波焊頭1下降直至與聚合物基片2接觸并加載壓力，關(guān)閉熱板電源，停止熱板加熱；當(dāng)壓力達(dá)到預(yù)先設(shè)定觸發(fā)壓力44N，開始施加超聲載荷，頻率為35kHz，焊接壓力450N，超聲波加載時(shí)間25s，振幅為15 μ m。3)超聲加載時(shí)間2 達(dá)到后，壓力自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楸簤毫?00N，保壓時(shí)間為15s，以防止仍處于軟化狀態(tài)的聚合物在冷卻過程中回彈，提高微結(jié)構(gòu)成形的精度，保壓時(shí)間達(dá)到后，焊頭抬起，粘彈熱觸發(fā)熱塑性聚合物超聲波壓印工藝完成。
權(quán)利要求
1. 一種粘彈熱觸發(fā)超聲波微結(jié)構(gòu)壓印方法，應(yīng)用于熱塑性聚合物微結(jié)構(gòu)成形，其特征在于第一步，將壓印模具加熱到熱塑性聚合物的玻璃點(diǎn)轉(zhuǎn)化溫度之上1-60°C ； 第二步，在模具上放置熱塑性聚合物基片；將超聲波焊機(jī)的工具頭與熱塑性聚合物基片接觸，同時(shí)關(guān)閉熱源并加載超聲振動(dòng)和壓力進(jìn)行聚合物基片上微結(jié)構(gòu)的壓印成形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于熱塑性聚合物微結(jié)構(gòu)成形的粘彈熱觸發(fā)熱塑性聚合物超聲波壓印方法。其特征是模具被加熱到熱塑性聚合物的玻璃點(diǎn)轉(zhuǎn)化溫度以上1-60℃，聚合物基片放置在模具上并加載超聲振動(dòng)，在超聲振動(dòng)作用下聚合物粘彈性產(chǎn)熱，成形區(qū)域的聚合物軟化，在壓力的作用下流動(dòng)并填充模具的微結(jié)構(gòu)。在加載超聲振動(dòng)前，通過加熱模具使成形區(qū)域的聚合物直接進(jìn)入粘彈產(chǎn)熱階段，避免了聚合物-模具界面高硬度狀態(tài)的固體-固體接觸，對模具的振動(dòng)損傷小，可以有效的提高模具壽命并提高了成形效率。
文檔編號B29C59/02GK102336016SQ20111017174
公開日2012年2月1日 申請日期2011年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月23日
發(fā)明者王曉東, 王良江, 祁娜, 羅怡, 趙倩雯 申請人:大連理工大學(xué)