用于跨尺度双光子聚合加工的样品精密夹具及调平方法技术

本发明专利技术属于微纳加工领域，具体涉及一种用于跨尺度双光子聚合加工的样品精密夹具及调平方法，夹具包括：固定连接的XY轴移动平台、Z轴位移台和基板，设置于基板上的微调组件，过渡组件，以及载物台；过渡组件一端固定于微调组件上、另一端固定载物台；XY轴移动平台用于驱动Z轴位移台和基板沿X轴和Y轴方向移动；Z轴位移台用于驱动基板以带动微调组件、过渡组件和载物台沿Z轴方向移动；微调组件用于通过驱动过渡组件带动载物台实现水平度和平面度调整。本发明专利技术使得双光子聚合加工系统实时三维调平精度控制在100纳米以内，有效保证双光子聚合加工系统在进行加工时准确聚焦和加工产物成型精度，将加工尺度从微纳尺度拓宽至毫米和厘米尺度。

【技术实现步骤摘要】
用于跨尺度双光子聚合加工的样品精密夹具及调平方法
本专利技术属于微纳加工领域，更具体地，涉及一种用于跨尺度双光子聚合加工的样品精密夹具及调平方法。
技术介绍
近年来，随着物理、化学等基础学科和半导体微电子技术的发展，人类对于微纳米尺度世界的探索取得了前所未有的突破，各种微纳加工技术成为了现代科学技术的重要研究内容。其中，精细复杂三维结构需要依赖先进的加工制造技术来实现，光刻等微纳制造技术虽然有很高的加工精度，但主要局限在加工二维结构，缺乏在微纳尺度制造复杂三维结构的能力。双光子聚合加工技术(三维激光直写技术)是一种加工精度能够达到纳米水平的三维打印技术，在微机电系统、微光子学器件、信息技术、生物医学等领域的微器件加工方面极具潜力。在早期研究过程中，美国专利US8986563B2和德国专利DE102015216583A1中公开了一种基于双光子聚合技术制备制造三维微结构的方法，利用空间曝光的方式在材料内部写入三维微纳结构，通过CCD监控系统调节合适的打印起始位置，将要打印的模型切片生成控制代码，控制电脑控制运动平台和光路开关实现双光子聚合打印，为双光子聚合加工设备的搭建提供了基础方案。但在实际应用中，满足使用需求的结构往往跨越多种尺度，以人造组织为例，其微观尺度需要在微米甚至纳米量级(细胞到亚细胞尺度)，其宏观尺度需要到毫米甚至厘米量级以上，这对双光子聚合加工设备的工作尺度提出了新的需求，同时这也是双光子聚合设备从小批量微纳加工走向大批量、大规模应用的重大挑战。为解决双光子聚合加工设备的加工尺度难题，国内外开展了广泛的研究，目前主要通过提高硬件长工作距运行能力和牺牲部分加工精度增加工作距的方式实现跨尺度的双光子聚合加工。例如，在中国专利技术专利CN104028890B和技术专利CN203900734U中公开了一种大行程柱坐标双光子聚合加工装置，通过将试件以共轴或离轴方式安装在一个高精密转台上，避免了运动轴回退、可快速精密跟踪有扰动的路径，提高加工系统在长工作距下的高精度稳定运行能力，从而实现大面积三维微纳结构的快速加工；在中国专利技术专利CN110653488A公开了一种跨尺度三维激光直写加工装置，采用多个数值孔径的聚焦物镜，为不同加工精度的区域选择对应的聚焦物镜和位移台，通过牺牲部分加工精度的方式增加工作距离，减少加工时间，兼顾亚微米尺度的加工精度和厘米级别的整体结构。然而，双光子聚合加工作为一种三维微纳加工技术，除尺度指标外，精度指标是其实现加工结构功能性的关键，上述两种实现双光子聚合跨尺度加工的方法中，设备方案都是基于实现跨尺度加工进行设计，通过对现有双光子加工设备的设计方案进行拓展以扩大其加工范围，装置结构复杂、缺乏扩展性。同时，由于加工范围的扩大，样品的装夹、加工平面的水平度和大行程下焦平面的调平成为跨尺度加工的重大挑战。
技术实现思路
本专利技术提供一种用于跨尺度双光子聚合加工的样品调平方法及调平方法，用以解决现有双光子聚合跨尺度加工装置结构复杂且精度低进而难以有效实现高精度双光子聚合跨尺度加工的技术问题。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于跨尺度双光子聚合加工的样品精密夹具，包括：固定连接的XY轴移动平台、Z轴位移台和基板，设置于所述基板上的微调组件，过渡组件延长筒，以及载物台；其中，所述延长筒过渡组件的一端固定于所述微调组件上、另一端固定所述载物台；所述XY轴移动平台用于驱动所述Z轴位移台和所述基板沿X轴和Y轴方向移动；所述Z轴位移台用于驱动所述基板以带动所述微调组件、所述延长筒过渡组件和所述载物台沿Z轴方向移动；所述微调组件用于通过驱动所述延长筒过渡组件以带动所述载物台实现水平度和平面度的调整。本专利技术的有益效果是：提出了一种用于跨尺度双光子聚合加工的精密夹具，XY轴移动平台可使得载物台在X、Y轴方向上大尺度运动，Z轴位移台可使得载物台在Z轴方向上大尺度运动，微调组件可实现载物台的水平度调整，XY轴移动平台、Z轴位移台和微调组件的结合实现跨尺度、高精度的双光子聚合加工，其中，过渡组件保证了载物台可以在Z轴方向上的位置的灵活设置。因此，本专利技术设计的用于跨尺度双光子聚合加工的精密夹具，可使得双光子聚合加工系统的实时三维调平精度控制在100纳米以内，有效保证了双光子聚合加工系统在进行加工时地准确聚焦和加工产物的成型精度，将加工尺度从微纳尺度拓宽至毫米和厘米尺度。上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。进一步，所述微调组件包括电动微调器、固定板、平衡板和弹簧固定器；其中，所述固定板和所述平衡板之间通过相对所述固定板中心轴对称分布的两个所述弹簧固定器连接；相对所述中心轴对称分布的三个所述电动微调器穿过所述固定板并与所述平衡板球接触连接，同时每个所述电动微调器与所述固定板刚性连接，所述固定板和所述平衡板之间的每个所述电动微调器所在位置处的板间距可通过外接驱动器控制所述电动微调器进行调节；所述平衡板与所述过渡组件的所述一端固定连接。进一步，所述基板呈中部镂空状，所述微调组件悬空在所述基板的中部镂空的上部并与所述基板通过L型板固定连接；所述微调组件中的所述平衡板呈中部镂空状、所述固定板呈L型，所述固定板与所述平衡板的边缘连接；所述过渡组件包括延长筒，所述延长筒穿过所述平衡板的中部镂空且所述延长筒的所述一端固定于所述平衡板上、另一端固定所述载物台。本专利技术的进一步有益效果是：基板呈中部镂空，以便安装具有一定体积的微调组件、延长筒和载物台，且位置灵活可调。相同地，微调组件的平衡板呈中部镂空，以便安装具有一定体积的延长筒和载物台，使得延长筒和载物台位置灵活可调，满足实际高度需要。进一步，所述延长筒的两端不封闭。本专利技术的进一步有益效果是：延长筒的两端开口，保证激光光线既可从上部向下入射至载物台也可从下部向上入射至载物台。进一步，所述过渡组件还包括相互叠放固定的第一连接板和第二连接板；其中，根据实际所需的载物台水平度和平面度调节精度，确定所述第一连接板和所述第二连接板的相互接触的一面的光滑度以及所述叠放的紧密度；所述第一连接板与所述平衡板固定连接，所述第二连接板与所述延长筒的所述一端固定连接。本专利技术的进一步有益效果是：采用两个表面光滑度满足一定精度要求的连接板，在分别连接微调组件和延长筒后两者紧密贴合固定，以保证微调组件即便是微小的移动也能够带动延长筒的移动，灵敏度高，进而保证对载物台的调平精确度高。进一步，所述精密夹具还包括提杆，所述提杆固定于所述第二连接板上部，用于取放所述延长筒。进一步，所述载物台通过多个第一强磁铁与所述过渡组件的所述另一端固定连接。本专利技术的进一步有益效果是：通过强磁铁将载物台和延长筒固定在一起，在保证延长筒即便微小移动也能带动载物台做相应移动的同时，方便更换载物台。进一步，所述载物台通过多个第二强磁铁与样品固定连接。本专利技术的进一步有益效果是：通过强磁铁将载物台与样品固定在一起，在保证载物台即便微小移动也能带动样品做相应移动的同时，方便更换样品。本专利技术还提供一种本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于跨尺度双光子聚合加工的样品精密夹具，其特征在于，包括：固定连接的XY轴移动平台(1)、Z轴位移台(2)和基板(3)，设置于所述基板(3)上的微调组件(4)，过渡组件(5)，以及载物台(6)；其中，所述过渡组件(5)的一端固定于所述微调组件(4)上、另一端固定所述载物台(6)；/n所述XY轴移动平台(1)用于驱动所述Z轴位移台(2)和所述基板(3)沿X轴和Y轴方向移动；所述Z轴位移台(2)用于驱动所述基板(3)以带动所述微调组件(4)、所述过渡组件(5)和所述载物台(6)沿Z轴方向移动；所述微调组件(4)用于通过驱动所述过渡组件(5)以带动所述载物台(6)实现水平度和平面度的调整。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于跨尺度双光子聚合加工的样品精密夹具，其特征在于，包括：固定连接的XY轴移动平台(1)、Z轴位移台(2)和基板(3)，设置于所述基板(3)上的微调组件(4)，过渡组件(5)，以及载物台(6)；其中，所述过渡组件(5)的一端固定于所述微调组件(4)上、另一端固定所述载物台(6)；
所述XY轴移动平台(1)用于驱动所述Z轴位移台(2)和所述基板(3)沿X轴和Y轴方向移动；所述Z轴位移台(2)用于驱动所述基板(3)以带动所述微调组件(4)、所述过渡组件(5)和所述载物台(6)沿Z轴方向移动；所述微调组件(4)用于通过驱动所述过渡组件(5)以带动所述载物台(6)实现水平度和平面度的调整。


2.根据权利要求1所述的一种用于跨尺度双光子聚合加工的样品精密工具，其特征在于，所述微调组件(4)包括电动微调器(41)、固定板(42)、平衡板(43)和弹簧固定器(44)；
其中，所述固定板(42)和所述平衡板(43)之间通过相对所述固定板(42)中心轴对称分布的两个所述弹簧固定器(44)连接；相对所述中心轴对称分布的三个所述电动微调器(41)穿过所述固定板(42)并与所述平衡板(43)球接触连接，同时每个所述电动微调器(41)与所述固定板(42)刚性连接，所述固定板(42)和所述平衡板(43)之间的每个所述电动微调器(41)所在位置处的板间距可通过外接驱动器控制所述电动微调器(41)进行调节；所述平衡板(43)与所述过渡组件(5)的所述一端固定连接。


3.根据权利要求2所述的一种用于跨尺度双光子聚合加工的样品精密夹具，其特征在于，所述基板(3)呈中部镂空状，所述微调组件(4)悬空在所述基板(3)的中部镂空的上部并与所述基板(3)通过L型板固定连接；
所述微调组件(4)中的所述平衡板(43)呈中部镂空状、所述固定板(42)呈L型，所述固定板(42)与所述平衡板(43)的边缘连接；所述过渡组件(5)包括延长筒(51)，所述延长筒(51)穿过所述平衡板(43)的中部镂空且所述延长筒(51)的一端固定于所述平衡板(43)上、另一端固定所述载物台(6)。


4.根据权利要求3所述的一种用于跨尺度双光子聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊伟，范旭浩，焦玢璋，刘耘呈，高辉，邓磊敏，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42