本发明专利技术属于等离子体加工领域，并具体公开了一种等离子体束径可控的静电聚焦喷头装置及喷射方法，其包括喷头组件、聚焦组件和变焦组件，喷头组件包括从上至下依次同轴设置的衔接头、辅助接头和输出接头，衔接头内开设有用于放置高压电极的通孔及进气通道，辅助接头内开设有电离腔，输出接头内开设有电极环腔，底部设有等离子束输出口；聚焦组件包括间隔设置的三个电极环，三个电极环连接不同电位且电压可调，电极环中部开设有通气孔，等离子体射流经通气孔从等离子束输出口送出；变焦组件用于调节电极环的间距，实现等离子体射流聚焦焦点的调节。本发明专利技术可实现等离子体射流焦距的调节，可用于不同高度材料的加工，并可实现曲面上的自由加工。
【技术实现步骤摘要】
一种等离子体束径可控的静电聚焦喷头装置及喷射方法
本专利技术属于等离子体加工领域，更具体地，涉及一种等离子体束径可控的静电聚焦喷头装置及喷射方法。
技术介绍
不同于传统浸没式等离子体处理，等离子体直写是利用高压电场激发气体放电产生等离子体，在气流和电场等多因素驱动下使其从放电腔体内喷出并做定向运动，将活性物质和带电粒子直接运输到被处理物体的表面，完成材料处理。该工艺保留了传统低气压等离子体处理的低温、非接触式、改性氛围丰富等特点，还具有大气压工况、可直写操作、处理对象不受限、与橡胶基材和卷到卷制造良好兼容等独特优势。目前，最常用的控制等离子体束径的方法是限制喷嘴(通常是毛细管，内径可达亚微米级)的内径，利用该技术已经实现了单个细胞的定位处理、石墨烯的选区氮掺杂(线宽10μm)和光刻胶薄膜的点刻蚀直径(0.5μm)等。虽然喷嘴内径的减小确实可以提高分辨率，但等离子体射流喷出后因存在对流扩散，实际线宽较喷嘴尺寸大十倍以上。同时，小喷嘴制造时尺寸和形貌较难保证，且射流短、工作距离近，仅改变喷嘴内径难以满足高分辨率图案改性制造需求。因此，通过聚焦来调控等离子体射流的内径，既克服了等离子体扩散的缺陷，使得等离子体射流的束径不受限于喷嘴的制造与形貌，同时也不受限于工作电压随着喷嘴内径减小而显著增大的特点(1μm内径需要电压超过60kV)。通过电磁场的约束来进一步提高直写分辨率，借助计算机数据这一虚拟掩膜方便实现图案化，等离子体直写在可穿戴通信设备、薄膜晶体管和纳米材料的高分辨率、高可靠性制备领域具有明显优势与巨大潜力。鉴于等离子体直写技术具有低温非接触式处理、兼容性好等优势，并且通过设计使等离子体射流聚焦的电极环可以极大的提高分辨率，实现精细结构的无掩膜刻蚀制造以及局部表面改性，本领域亟需设计一种等离子体束径可控的喷头装置及方法。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种等离子体束径可控的静电聚焦喷头装置及喷射方法，其通过对关键组件如喷头组件、聚焦组件和变焦组件的结构及其具体布置方式进行研究和设计，可实现等离子体射流焦距的调节，可用于不同高度材料的加工，并可实现曲面上的自由加工。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提出了一种等离子体束径可控的静电聚焦喷头装置，其特征在于，包括喷头组件、聚焦组件和变焦组件，其中：所述喷头组件包括从上至下依次同轴设置的衔接头、辅助接头和输出接头，所述衔接头内开设有用于放置高压电极的通孔以及与通孔导通的用于通入稀有气体的进气通道，所述辅助接头内开设有与所述通孔导通的电离腔，所述高压电极由所述通孔插入并延伸至电离腔中，所述输出接头内开设有电极环腔，底部设有等离子束输出口；所述聚焦组件包括间隔设置在电极环腔中的三个电极环，三个电极环连接不同的电位且电压可调，每个所述电极环的中部开设有通气孔，三个通气孔导通以形成等离子体射流通道，该等离子体射流通道与所述电离腔以及等离子束输出口同轴设置且导通，以将在电离腔中产生的等离子体射流从等离子束输出口送出；所述变焦组件安装在所述输出接头上，用于调节三个电极环的间距，进而实现等离子体射流聚焦焦点的调节。作为进一步优选的，所述变焦组件包括竖直布置的导向杆、竖直布置的丝杆、安装在丝杆上的第一齿轮、与第一齿轮啮合的第二齿轮以及与第二齿轮相连且安装在输出接头上的旋钮，所述三个电极环套装在导向杆和丝杆上，其中位于上方和下方的电极环与丝杆螺纹连接，位于中间的电极环与输出接头的内壁固定连接，通过旋转旋钮使得上方和下方的电极环做相向或反向运动，以改变电极环间的距离。作为进一步优选的，所述高压电极为钢制金属针，其一端接高压电源，由进气通道通入的稀有气体在高压电极的尖端被电离产生等离子体射流；该高压电极通过阴极固定套安装在衔接头的通孔中，所述阴极固定套的外径与所述衔接头的通孔内径相等，所述阴极固定套的内径与所述高压电极的外径相等。作为进一步优选的，作为进一步优选的，所述丝杆为钢制圆柱形杆，共分为三段，包括位于上部的刻有左旋螺纹的左旋部分、位于中部的光滑部分以及位于下部的刻有右旋螺纹的右旋部分。作为进一步优选的，三个电极环为直径且厚度相同的金属片，其通气孔周围设有三个等间距圆孔，其中中间电极环的三个圆孔均作为导向孔，而上方和下方电极环的其中两个圆孔作为与导向杆配合的导向孔，剩下的第三个孔作为变焦孔，上方和下方电极环的变焦孔的侧壁分别设有螺纹参数相同的左旋螺纹和右旋螺纹，以分别与丝杆的左旋部分和右旋部分形成配合，用于实现电极环间距的调节。作为进一步优选的，当中间电极环为正电位时，上方和下方的电极环为负电位，等离子体射流处于聚焦状态，以用于高分辨率的加工；当中间电极环为负电位时，上方和下方的电极环为正电位，等离子体射流处于发散状态，以用于材料表面改性。按照本专利技术的另一方面，提供了一种等离子体束径可控的静电聚焦喷射方法，其包括如下步骤：1)由衔接头的进气通道通入稀有气体，该稀有气体流向高压电极的下端，并在高压电极连接的高压电源的作用下电离产生等离子体；2)三个电极环通电以产生电场，使得等离子体聚焦并做定向运动以形成等离子体射流，并经电极环上的通气孔从等离子束输出口射出，通过调节三个电极环的间距及电位比，实现等离子体射流聚焦焦点的调节。作为进一步优选的，当中间电极环为正电位，上方和下方的电极环为负电位时，等离子体射流呈聚焦状态，进行高分辨率加工；当中间电极环为负电位，上方和下方的电极环为正电位时，等离子体射流呈发散状态，进行材料表面改性。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1.本专利技术利用高压电源作为激励，通过向高压电极周围通入稀有气体，从而在高压电极尖端产生等离子体射流，借助聚焦组件和变焦组件，不仅可以在同一装置上改变等离子体射流的束径，用于对材料进行刻蚀、改性等，还可以控制聚焦后等离子体射流的焦距，用于对不同高度的材料进行加工，从而实现曲面上的自由加工。2.本专利技术克服了传统等离子体加工能力单一的不足，集多种加工手段于一体，加工方式灵活多变，集成度高，适用于平面、曲面，并且可以以阵列组合的方式应用，可用于大面积的材料加工。3.本专利技术提出的等离子体束径大小可控的静电聚焦喷头装置，利用高压电场激发气体放电产生等离子体，在多个电极环产生的电场驱动下使其从放电腔体内聚焦并做定向运动，将活性物质和带电粒子直接运输到被处理物体的表面，完成材料处理，加工效率高，适用性强。4.本专利技术利用丝杆和导向杆实现多个电极环的安装，并且多个电极环间距可调，通过转动丝杆来改变上方电极环和下方电极环的位置，从而实现不同距离、不同尺度的加工，可实现曲面基地上的材料处理，大大提高了装置的适应能力和加工效率。5.本专利技术的喷头装置针对不同的需求具有多种不同的加工模式，其效率高、成本低、可灵活跨尺度加工，数字集成度高、可大面积生产，在微纳制造、材料及MEMS加工制造等领域有巨大的应用前景。附图说明图1是本专利技术实施例提供的等离子体束径可控的静电聚焦喷头装置整体剖视图；图2是本专利技术实施例提供的等离子体束径可控的静电聚焦喷头装置的外观示意图；图3是变焦组件三维结构图；图4是丝杆三维结构图；图5是电极环三维结构图；图6(a)-(b)是输出接头三维结构图；图7本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种等离子体束径可控的静电聚焦喷头装置，其特征在于，包括喷头组件、聚焦组件和变焦组件，其中：所述喷头组件包括从上至下依次同轴设置的衔接头(3)、辅助接头(16)和输出接头(15)，所述衔接头(3)内开设有用于放置高压电极(1)的通孔以及与通孔导通的用于通入稀有气体的进气通道(4)，所述辅助接头(16)内开设有与所述通孔导通的电离腔(6)，所述高压电极(1)由所述通孔插入并延伸至电离腔(6)中，所述输出接头(15)内开设有电极环腔，底部设有等离子束输出口(10)；所述聚焦组件包括间隔设置在电极环腔中的三个电极环，三个电极环连接不同的电位且电压可调，每个所述电极环的中部开设有通气孔(17)，三个通气孔(17)导通以形成等离子体射流通道，该等离子体射流通道与所述电离腔(6)以及等离子束输出口(10)同轴设置且导通，以将在电离腔(6)中产生的等离子体射流从等离子束输出口(10)送出；所述变焦组件安装在所述输出接头(15)上，用于调节三个电极环的间距，进而实现等离子体射流聚焦焦点的调节。
【技术特征摘要】
1.一种等离子体束径可控的静电聚焦喷头装置，其特征在于，包括喷头组件、聚焦组件和变焦组件，其中：所述喷头组件包括从上至下依次同轴设置的衔接头(3)、辅助接头(16)和输出接头(15)，所述衔接头(3)内开设有用于放置高压电极(1)的通孔以及与通孔导通的用于通入稀有气体的进气通道(4)，所述辅助接头(16)内开设有与所述通孔导通的电离腔(6)，所述高压电极(1)由所述通孔插入并延伸至电离腔(6)中，所述输出接头(15)内开设有电极环腔，底部设有等离子束输出口(10)；所述聚焦组件包括间隔设置在电极环腔中的三个电极环，三个电极环连接不同的电位且电压可调，每个所述电极环的中部开设有通气孔(17)，三个通气孔(17)导通以形成等离子体射流通道，该等离子体射流通道与所述电离腔(6)以及等离子束输出口(10)同轴设置且导通，以将在电离腔(6)中产生的等离子体射流从等离子束输出口(10)送出；所述变焦组件安装在所述输出接头(15)上，用于调节三个电极环的间距，进而实现等离子体射流聚焦焦点的调节。2.如权利要求1所述的等离子体束径可控的静电聚焦喷头装置，其特征在于，所述变焦组件包括竖直布置的导向杆(8)、竖直布置的丝杆(11)、安装在丝杆(11)上的第一齿轮(12)、与第一齿轮(12)啮合的第二齿轮(13)以及与第二齿轮(13)相连且安装在输出接头(15)上的旋钮(14)，所述三个电极环套装在导向杆(8)和丝杆(11)上，其中位于上方和下方的电极环与丝杆(11)螺纹连接，位于中间的电极环与输出接头(15)的内壁固定连接，通过旋转旋钮(14)使得上方和下方的电极环做相向或反向运动，以改变电极环间的距离。3.如权利要求1或2所述的等离子体束径可控的静电聚焦喷头装置，其特征在于，所述高压电极(1)为钢制金属针，其一端接高压电源，由进气通道(4)通入的稀有气体在高压电极的尖端被电离产生等离子体射流；该高压电极(1)通过阴极固定套(2)安装在衔接头的通孔中，所述阴极固定套(2)的外径...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄永安，苏江涛，叶冬，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42
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