基于近场静电纺丝一步化工艺制备压电聚合物MEMS结构的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术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。通过本发明专利技术可实现聚合物MEMS结构与压电功能化的一步化快速高效制造。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
相较于传统的硅基微机电系统(MEMS,MicroElectroMechanicalSystem)，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。
技术实现思路
为解决以上传统聚合物MEMS加工技术的不足，本专利技术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，该专利技术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，本专利技术采用以下技术方案：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；控制可编程三轴移动平台的移动，使前驱液在静电力作用下喷射形成的纺丝纤维进行一致性重复堆叠，形成压电聚合物MEMS结构。调纺丝针头出口的流量为0.1～100mL/h。可编程三轴移动平台在x-y平面内移动速度为10～100mm/s，在z轴方向的移动速度为0.1～100μm/s。所述前驱液的制备过程如下：将压电聚合物材料溶解于溶剂中，形成所述前驱液；前驱液中压电聚合物材料的质量百分数为5％～30％。所述压电聚合物材料为聚偏氟乙烯、尼龙或偏氟乙烯—三氟乙烯共聚物；当为聚偏氟乙烯时，溶剂采用质量比为1:1的丙酮与二甲基亚砜混合液；当为尼龙时，溶剂采用质量比为3:1的甲酸与冰醋酸混合液；当为偏氟乙烯—三氟乙烯共聚物时，溶剂采用纯二甲基甲酰胺。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术的基于近场静电纺丝一步化工艺制备压电聚合物MEMS结构的装置将金属板固定于可编程三轴移动平台上，通过可编程三轴移动平台的移动能够带动金属板一起同步移动，纤维收集器设置于金属板表面，因此纤维收集器也能够随可编程三轴移动平台的移动而同步移动；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，将纺丝针头设置于纤维收集器的上方，电源的正极与纺丝针头连接，电源的负极与金属板连接，因此在纺丝针头与金属板之间能够形成静电场；逐步提高电源的电压，当静电场超过一定临界值时，纺丝针头内的前驱液体材料在静电力作用下喷射出纺丝纤维，基于以上强静电场与静电拉伸作用，实现对纺丝纤维的在线压电极化，喷射出的纺丝纤维沉积于纤维收集器表面；当近场静电纺丝纤维沉积在纤维收集器表面上后，纺丝纤维上的残余溶剂将浸润纤维收集器，使得已沉积的纺丝纤维之下的那部分纤维收集器电阻急剧下降，已沉积纺丝纤维上的残余电荷就能够通过该导电通道进行释放，因此已沉积纺丝纤维作为在线制造的新“接地单元”，吸引后续的纺丝纤维沉积在其之上，实现对纺丝纤维在空间第三维沉积位置的准确控制；通过控制可编程三轴移动平台的移动，喷射出的纺丝纤维在纤维收集器表面沉积形成压电聚合物MEMS结构，实现了MEMS结构的“增材”成形制造；综上，本专利技术的装置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纺丝纤维沉积位置的精确控制，同时完成纺丝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制造。由本专利技术基于近场静电纺丝一步化工艺制备压电聚合物MEMS结构的装置的上述有益效果可知，本专利技术基于近场静电纺丝一步化工艺制备压电聚合物MEMS结构的方法充分结合了近场静电纺丝过程的在线压电极化及其对纺丝纤维沉积位置的精确控制，制造技术简单、直接、快速，克服了传统制造工艺下聚合物MEMS结构制备与后续压电极化需要分离工艺的繁琐流程；本专利技术的方法能够方便地制造纳米尺度下的纤维结构，故而有望大幅提高所构造结构的成形精度。附图说明图1为本专利技术制备压电聚合物MEMS结构的装置的典型结构示意图；图2为本专利技术中近场静电纺丝过程对压电聚合物纤维的在线极化示意图，其中E为高压静电场强，F为静电拉伸力；图3为本专利技术中对纤维在三维空间下沉积位置精确控制的示意图；图4为本专利技术纤维沉积部位的局部放大示意图。其中，1-注射器，2-注射泵，3-纺丝针头，4-前驱液，5-电源，6-可编程三轴移动平台，7-金属板，8-纤维收集器，9-移动平台控制器，10-已沉积纺丝纤维。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细叙述：参照图1至图3，本专利技术的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，主要装置包含了注射器1、注射泵2、纺丝针头3、电源5、可编程三轴移动平台6、接金属板7、纤维收集器8和移动平台控制器9。其中金属板7固定于可编程三轴移动平台6上，纤维收集器8设置于金属板7表面；注射泵2与注射器1连接，纺丝针头3与注射器1连接，前驱液4装于注射泵2中；电源5的正极与纺丝针头3连接，电源5的负极与金属板7连接；纺丝针头3垂直设置于纤维收集器8的上方，纺丝针头3与金属板7之间形成静电场；通过调整注射泵2的流量，能够使前驱液体材料在静电力作用下从纺丝针头3喷射出并形成微纳纺丝纤维，基于以上纺丝针头3与金属板7之间形成的强静电场与静电拉伸作用，实现对纺丝纤维的在线压电极化。本专利技术的纺丝针头3能够在静电场的作用下向纤维收集器8表面喷射纺丝纤维，纺丝纤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.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，其特征在于，包括注射装置、电源(5)、可编程三轴移动平台(6)、金属板(7)和纤维收集器(8)；金属板(7)固定于可编程三轴移动平台(6)上，纤维收集器(8)设置于金属板(7)表面；注射装置中装有前驱液(4)，注射装置具有用于输出前驱液(4)的纺丝针头(3)；电源(5)的正极与纺丝针头(3)连接，电源(5)的负极与金属板(7)连接；纺丝针头(3)设置于纤维收集器(8)的上方，纺丝针头(3)与金属板(7)之间形成静电场；在静电力作用下，纺丝针头(3)能够向纤维收集器(8)表面喷射纺丝纤维，使纺丝纤维沉积在纤维收集器(8)表面，纤维收集器(8)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(10)之上。

【技术特征摘要】
1.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，其特征在于，包括注射装置、电源(5)、可编程三轴移动平台(6)、金属板(7)和纤维收集器(8)；金属板(7)固定于可编程三轴移动平台(6)上，纤维收集器(8)设置于金属板(7)表面；注射装置中装有前驱液(4)，注射装置具有用于输出前驱液(4)的纺丝针头(3)；电源(5)的正极与纺丝针头(3)连接，电源(5)的负极与金属板(7)连接；纺丝针头(3)设置于纤维收集器(8)的上方，纺丝针头(3)与金属板(7)之间形成静电场；在静电力作用下，纺丝针头(3)能够向纤维收集器(8)表面喷射纺丝纤维，使纺丝纤维沉积在纤维收集器(8)表面，纤维收集器(8)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(10)之上。2.根据权利要求1所述的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，其特征在于，纺丝针头(3)到纤维收集器(8)的表面的距离，或到已沉积纺丝纤维(10)的距离为0.5～3mm。3.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述电源(5)的工作电压为0.6～2kV，纺丝针头(3)与纤维收集器(8)之间形成的静电场能够使前驱液(4)从纺丝针头(3)喷射而出。4.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述注射装置包括注射器(1)和注射泵(2)，注射泵(2)与注射器(1)连接，纺丝针头(3)与注射器(1)连接，前驱液(4)装于注射泵(2)中。5.根据权利要求1所述的基于近场...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗国希，赵立波，王书蓓，李支康，夏勇，蒋庄德，
申请(专利权)人：西安交通大学，西安交通大学苏州研究院，
类型：发明
国别省市：陕西,61