使用乙烯基刀具的切割机的微型结构的快速成型机自1131谢宇

1、淮 阴 工 学 院毕业设计(论文)外文资料翻译学 院：机械与材料工程学院专 业：机自姓 名：谢宇学 号：外文出处：微机电系统杂志(用外文写)JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS附 件：使用乙烯基刀具的切割机的微型结构的快速成型 介绍：这篇介绍了“剃须刀写作”,创造一种新颖的可以在不同的薄层中的快速成型微观结构的技术。这种技术使用的在标牌行业传统上用于切割图形在胶乙烯基图片的刻字机。带有可寻址的使用10微米的刻字机被用来在从25到1000微米的不同的厚度微观结构薄膜。下至35微米的正特征和下至18微米的负特征运用于25微米厚的材料。高纵横比为5.2的

2、正特征和8的负特征是可以在360微米厚的材料实现的。这里将介绍一个简单的模型关联材料属性最小特征尺寸。多层微观结构从压敏和热激活胶粘剂膜层压在不到30分钟没有照相平版印刷的流程或化学物质。潜在的应用研究这些微观结构包括:阴影屏蔽,电镀,微型模具工厂三维布置设计管理系统和多层三维通道。这个便宜的方法可以微流控设备或第三流体连接高分辨率的设备快速成型。制造业指数加工对象是分层式微通道,微机电设备,微流体结构,微加工,模具。关键字：快速成型技术 微观结构薄膜 应用研究 加工对象1.简介 当前在微流体和微机电系统的科学,工业和生物医学应用的前景致使二维和三维微制造的数目方法的发展。初始制造方法使用集成

3、半导体材料中的电路制造技术。然而，复杂的制造工艺，粘接困难，半导体材料的脆性促进其替代了微结构制造技术与快速成型工艺。 微结构商用快速成型方法包括：在聚二甲基硅氧烷微成型，激光烧蚀，立体光刻，微粉爆破，热压花，和微细。由于其简单的制造和粘接技术、微成型在工厂三维布置设计管理系统已成为一个普遍的实验室环境下的微流体成型方法。其他优点包括材料成本低，高分辨率能力，透气性，光学透明性。微成形的工厂三维布置设计管理系统结构通常由浇铸工厂三维布置设计管理系统在光刻图案化光致抗蚀剂。光刻胶一般因为它是能够制造微型模具厚作为1毫微米的纵横比高达20 。然而，即使使用SU-8模式，工厂三维布置设计管理系统微模

4、只能有纵横比范围从0.05到2 ，除非工厂三维布置设计管理系统支持。图案的SU-8胶的要求标准光刻掩模，化学品，和程序包括长前和后烘发展步骤。然而，一旦一个磨具制造完，工厂三维布置设计管理系统结构可以反复成型。不幸的是，任何设计更改需要重复漫长的光刻工艺。另类的功能下降到15微米的光掩模已被用来缩短原型时间少于24小时，但速率限制步骤仍然是光刻工艺。 其他成型方法如微粉爆破和激光烧蚀直接建立组织，不需要光刻。微粉体爆破具有在大于100微米的硬材料的特征，如玻璃，与纵横比上升1.5。激光烧蚀产生的特征关于亚微微米（N微米）的顺序，有一个方面比率高达10 。这些方法制成的渠道是密封的用胶膜，工厂三

5、维布置设计管理系统层，或阳极结合。该公司（华盛顿州瓦城）甚至开发了对准激光切割三维通道的专有方法多层粘合的聚合物膜。立体光刻技术也直接建立微观结构特征尺寸微米和纵横比高达22 。这些技术需要昂贵的制造设备使得内部原型设计变得困难。 微流体应用的许多功能并不一定需要集成电路制造的高分辨率能力技术。微型泵的特性尺寸，阀门，传感器范围从100微米- 50毫微米。微过滤器和反应器的范围从10微米- 10毫微米和微观分析系统范围从1毫微米100毫微米。微针与微流体频道范围从1 - 100微米宽，但可以高达1000微米，仍然保持子微升卷根据信道深度。 我们称这种方法为xurography，希腊词根Xuro

6、n和图¯E意思是分别剃刀和书写的意思。正面和负面的结构，主要的渠道，是xurographically在聚合物薄膜制造范围从25 - 1000微米厚的。可以制造的微结构，以创建单个微流体器件的层或三维分层通道、微模具，荫罩，传感器，和电镀结构。测试切削条件的方法报告是基于材料的最小特征尺寸预测模型性能。用刻字机快速成型的微观结构图1。模式转换方法。切割后，多余的部分剥离的剥离衬里，或“淘汰”。应用胶带把结构的地方而转移。对于更精细的负结构（100微米），在步骤1中的整个模式被转移到应用程序磁带之前除草。该模式然后淘汰而从背面释放班轮前转移。这最大限度地减少负通道中的粘合剂。另一种方法为

7、小结构（100微米）的正面和负面的功能（如蛇形通道图2）是轻轻转移到基板的切割模式，然后杂草的去除不必要的部分。在步骤6中，将应用胶带以锐角而压在剥离界面刮板防止娇嫩的基板，如玻璃盖片，防止打破。2 设备和材料图形艺术行业经常使用一种叫做切割的工具.在胶的字母和图案的轮廓仪支持薄片制作大型零售标志。这些粘合剂背面的薄膜，通常是乙烯基，在辊层压释放衬垫。切割图案轮廓后，不希望的部分这薄片是“除草”用手释放班轮，离开放在班轮上的字母和图案。剩下的图形转移到基板（墙壁，广告牌，用一个应用胶带，通常是一个轻纸类似胶带的胶带。中的应用磁带然后剥离，留下的图形连接到基底.图1显示了这个传递过程。此前，切割

8、机已用于大尺度原型应用。然而，由于绘图仪技术大大提高了分辨率，对齐，和用户控制，微型切割原型绘图仪是可能的。制造商指定的分辨率该切割机在机械和可寻址分辨率。机械分辨率指定的分辨率电机，可寻址的分辨率是可编程的步长。大多数切割机具有可寻址分辨率下降到25微米，这是休利特的分辨率极限帕卡德®（HPGL绘图语言）驱动打印绘图仪文件夹来提高绘图仪分辨率，不同的驱动程序是必需的。刀具的重复性是定量测量机器返回精确点的能力开始时，如发生切割圆。切割机通过摩擦辊或链轮进给控制物料进给线轴。切割机使用不同的叶片的各种材料。常见的叶片角度为30，45，和60。叶片角度从表面叶片刃口部分来测量的。叶片角

9、度和深度确定领先的叶片之间的余料量边缘。刀片深度控制的深度或力设置，取决于在绘图机。图图2。切割模式和测试模式。在TM0刀片（拖刀模式）在角落支点。TM1（切向模式1）削减每个线段和升降机。这个刀片旋转到位置，因为它开始削减下一个线段。TM2只适用于开始和结束的乱砍滥伐在对象的开始和结束。通道宽度测量开始时的通道测试图案附近的标签和锥度在中间拉平。力测试模式是用来确定适当的力量完全切断材料。蛇形测试模式包括通道宽度和间距相等。最小的蛇形测试模式，成功被确定的最小特征间距。有三种切割方法切割机使用，即：拖动刀，真切向和模拟切向。拖刀切割使用旋转刀片如下切割路径的功能，因为它相对于材料移动。这介绍

10、了从锋利的功能叶片的侧向力角，它可以打破尖端切割较硬或较厚的基板。真切向控制刀片位置有一个可寻址的电机。当切削角，刀片电梯完全脱离材料，并旋转到新的方向。线段可以过切，以确保材料完全在特征角上下切。这切割厚料时有用。切向切削仿真使用旋转刀片，但升降机叶片只是表面在旋转的尖角的材料特征。这减少叶片上的侧向力。模拟切向切绘图仪把叶片的位置才开始启动削减和确保特征角完全切断从其余材料。为了在多个测试xurography灵活性材料，具有切割材料的摩擦进给刀具高达1毫微米厚的是必要的。圆形，矩形的测试模式，和角功能范围从10微米至2毫微米宽被送到几个刻字机厂家。每个制造商切割测试模式的样品材料范围从50

11、到1000微微米厚的。用切刀切割绘图仪能够更好地切割矩形和方形图案旋转叶片。然而，那些旋转刀片能够切割圆形功能下降到50微米直径优于切向刀片机由于连续切割的性质旋转刀片。我们购买的fc5100a-75,因为它有一个可寻址10微米分辨率（大多数策划者只去25微米）它切割通道小于100微米宽的制服超过其他制造商的信道宽度。它也有在两个模拟切向模式的能力，以及为拖刀模式（）无需更换刀片（图2）第一个切模式（）升降机和曲折的刀片，只是表面，在每个线段。第二切线模式（）将叶片只在开始和结束每一个系列的连续线段。机器超过削减可编程的距离（0毫微米和1毫微米）时间的刀片升降机在使用，。这种切割绘图机能够减少

12、尖角特征使用和切弯曲的特性使用，无需更换刀片或切割的起源。的fc5100a-75还可以切割材料多达1.1毫微米厚的一种力量高达300克。各种薄膜进行了测试，包括厚和薄的聚合物薄膜，硬和软薄膜，薄膜和粘合剂，热粘合膜和压敏粘合剂涂层薄膜。我们还测试了薄金属膜和滤膜。表I是测试材料及其性能的清单。没有释放衬垫的材料，如滤膜热层压材料，暂时应用后切割到一层应用磁带。在这些情况下的应用程序带功能作为一个释放循环。三 理论图片中可以切割的最小特征取决于某些力学性能。限制特征的主要因素大小是在材料紧张，刀片锋利，切割速度，和材料特性，如杨氏模量和泊松比率。其他研究分切机械聚合物薄膜和表明应力正常薄片的横截

13、面是最大的靠近刀刃的边缘。被膜的界面处的剪切应力所抵抗粘合剂和释放衬垫（图3）。当总力在方向大于屈服应力薄片，乘以底部表面积的功能，功能将滑动相对于释放班轮。这将发生在给定一个常数的临界特征宽度切割速度，材料，刀片形状和刀片锋利。 图3所示是图片的截面图。正常压力是抵制的剪切应力位移的函数y棕褐色。总法向力Fzz抵制了胶粘剂的剪切力Fyz接口四 方法A.绘图仪设置为了达到最高分辨率，可能日图fc5100a-75以最慢的速度和加速度设定为10 微米的可寻址分辨率。测试模式和设计绘制10微米分辨率的CAD程序导入到矢量绘图工具。fc5100a-75由Illustrator绘图插件应用程序控制，称为

14、“切割大师”的用来确定材料的独立的最佳的机器设置（见图2）材料的独立。设置优化是基于视觉用100立体声检查通道端和圆显微镜。手提袋是用来确定哪些设置实现了一致的通道宽度，矩形的90个角功能，并完全切割500微米直径圆。这个最好的材料独立的机器设置如下：斜偏角=0,斜偏力=4，模式在切割前进行排序，通过选择切割掌握，限制媒体移动逐层，以尽量减少材料转移。接下来，最佳的材料依赖的设置进行了测定（见表一）。首先，正方形和三角形的测试模式（见图2）用45刀切割。力设置逐渐增加，直到有可能消除正方形没有拉动三角形，从而表明一个完整的切割。如果拐角处由于不完全的角度切割而造成撕裂，则切向模式（TM1TM2

15、）在启动和/或测试结束切割100微米（最小的过切设置）。乱砍滥伐对厚度大于200微米的材料有用测试模式（见图2）进行TM1和TM2对材料所需的乱砍滥伐。最佳模式为确定的最小通道，是可移动的打破除草标签。模式选择后，相同的刀片用60度刀切割图案，相对于每种材料确定最佳刀片。这个有个小的瑕疵，它难以切割硬材料等由于聚酯薄膜，因为刀片提示趋于打破在锋利的角落。在这种情况下，锋利的角度被切断在削减使用TM1。另外，该模式可以重画圆角，或鱼片。避免的另一种方法打破尖端时，切割硬厚的材料是削减多次与较低的力设置，而无需重置切割原点，每次传球后增加力。B.除草切膜除草用细镊子50立体显微镜。即使这是一个只需

16、15分钟有点繁琐，高达100厘微米的密集模式的杂草。分离像圆小于250微米或通道小于100的功能微米是特别难以除草。为了避免这种困难，标签大于250微米的除草被连接到一个或多个小通道的两端。较小的通道容易被拉当标签用镊子取出。留下的空间通过标签可以用于流体端口或电子引线。C.热分层高温机控制的热分成，用于层压热膜玻璃，塑料和其他层的热层压板。层压温度设置在95度熔化热胶足够密封但没有那么高，粘合剂融化成微。D.表征确定每种材料的最佳切削方法，在开始和中间测量长通道确定精度和锥度的通道（缩小）由于叶片和/或材料运动的通道阳性和阴性特征。接下来，蛇纹石通道（见图2）被切割以确定最小特征间距.测量大

17、于300微米进行了一个100显微镜5 微米线标记。SE微米图像分析采用一个免费的美国国立卫生研究院的图像分析程序，膜厚度是用卡尺测量或者制造标注中获得E.材料性质的测量杨氏模量和屈服强度每种材料由英斯特朗®4443通用测量材料试验机。应力与应变测量膜片，而拉伸他们在10毫微米/分钟没有他们释放衬垫。通过测量发现的屈服强度从剥离衬垫中分离出薄膜所需的峰值力由两层重叠区划分。薄片释放衬垫在平行于平面的方向上被拉开.这部薄膜的。膜是一层压延筋乙烯基，以尽量减少屈服前的拉伸强度达到.在虎克区域测定泊松比32。五 结果与讨论表二显示每个材料的最小特征尺寸为各种模式.一般来说，通道的开始偏离较少

18、超过10微米，从绘制的尺寸，这是在可寻址绘图仪的分辨率。也有一些例外对这条规则。例如，在谭大错误喷砂和两个厚的热膜，可能是因为这些是唯一的材料60刀片上使用。相比于45刀片，60刀片是较短的前缘，可能降低叶片控制它旋转到位置。开始在铝和纸膜的正通道外，超过10微米。这些膜往往赶上刀片和撕裂前切割，这可能会影响旋转刀片，因为它开始削减到渠道。这个最小特征的压延乙烯和白色聚酯膜是不准确性超过30微米，原因随后解释。表二图4比较的实际启动的渠道预测（7）。无胶料厚度被用来计算。铝和纸薄膜不包括在趋势线，因为他们往往赶上切割前的刀片和撕裂。预测值不与测量结果完全一致，并进行了缩放0.04。此比例因子占

19、常量不在模型，如切削速度和应力的前缘叶片。模型的差异（减少）可能是由于其他因素不占，如刀片磨损，材料硬度和摩擦。该模型还假定，应力和应变留在虎克区域；然而在叶片下永久压缩的一些材料。破碎材料的顶部更广泛的渠道比在底部看到的单层通道尺寸。尽管从模型中缺少的因素，有相关性最小特征宽度与材料比之间属性（7）中所描述的属性（和）。的相关性图4的系数表明测量的方差最小宽度至少部分归因于方差.在估计的Wc。因此，在一般情况下，稀释剂，柔软的材料，低泊松比，和高会产生较小的功能正面和负面通道的最小特征从初始尺寸变小到最后尺寸在渠道的中间。一旦锥形，通道宽度变化小于2微米（侧壁表面粗糙度未测量）。这个例外是热

20、转印膜，因为授权许可的粘合剂融化成通道。从开始的距离最终锥形尺寸的通道变化为每个材料和通道宽度。它是观察到相同的材料，60刀片造成的渠道锥度比45刃。压延乙烯和白色聚酯薄膜有相对较短的锥度长度，这使得它难以测量每个通道的起始宽度。这也许可以解释信道尺寸的偏差与其绘制的尺寸这些图锥度可以解释从上述推导。对于尺寸小于，剪切力较少比横向力导致叶片走向第一次切割。锥度是不太突出的单通道至少2以上的最小正通道表II中列出的尺寸。在这种情况下，既不锥度也不绘制尺寸偏差超过10微米红宝石的唯一的材料是一个正锥度。本你因为什么进入圆角小于最小的通道这机器的最小曲率半径（最小50微米。曲率半径可以在湖泊（图5（

21、a）在一个刀片旋转90转向没有圆角。最小的酒店因此，一个通道上的乙烯基calendered鱼片小于50这可能有一个微米 inaccuracy ITS领域。表二只显示最小特征尺寸的通道垂直切割的材料进给方向的剪辑绘图仪。最小特征尺寸的通道平行的切割材料进给方向是大约1020小时微米。这是什么差异可能是由于之间的刀片和定位材料进给电机上的切割绘图仪。高变异发生在蛇纹石通道主要是在转弯和tapers在通道。位置的变化减少到约10微米的蛇纹石通道这是在最小2大于那些记录在表II。图5。图案切割红宝石®。（a）21微米通道（画宽10微米）没有圆角。（b）同一通道用50微米角切割。（c）32 微

22、米阳性结构（绘制40微米）。（d）在没有圆角的50和一个60微米通道上变细。（E）一个单一的6微米片。（f）实验室标志显示正面潜力模式.蛇形通道绘制在（G）80微米，（h）100微米，和（i）140微米的宽度和间距。变异降低到10微米蛇形通道至少比表2中记录的要大2。图6。各种膜的正通道、负通道和蛇形通道。（一）10080微米特点360微米厚的绿色喷砂。（b）150，180微米190微米厚的静态乙烯基的功能。（c）250微米通道在75微米厚透明乙烯。（d）120 - 100微米通道在190微米厚的静态乙烯基。（E）40微米单在1000微米厚的黄褐色片（橡胶）喷砂罩。（f）在100微米厚的压延乙

23、烯基片。五 示例应用程序正面和负面通道的最小特征从初始尺寸变小到最后尺寸在渠道的中间。一旦锥形，通道宽度变化小于2微米（侧壁表面粗糙度未测量）。例外的是热转印膜，因为粘合剂熔化到通道中.。从开始的距离最终锥形尺寸的通道变化为每个材料和通道宽度。它是观察到相同的材料，60刀片造成的渠道锥度比45刃。压延乙烯和白色聚酯薄膜有相对较短的锥度长度，这使得它难以测量每个通道的起始宽度。这也许可以解释信道尺寸的偏差与其绘制的尺寸这些薄片。随着荫罩结构异常和电镀，以下微结构建成无需使用一个干净的房间。图5示出的切削特性红宝石®材料。图显示其他材料的例子测试。图图案切割红宝石®。（a）21

24、微米通道（画宽10微米）没有圆角。（b）同一通道用50微米角切割。（c）32 微米阳性结构（绘制40微米）。（d）在没有圆角的50和一个60微米通道上变细。（E）一个单一的6微米片。（f）实验室标志显示正面潜力模式.蛇形通道绘制在（G）80微米，（h）100微米，和（i）140微米的宽度和间距。图。各种膜的正通道、负通道和蛇形通道。（一）10080微米特点360微米厚的绿色喷砂。（b）150，180微米，190微米厚的静态乙烯基的功能。（c）250微米通道在75微米厚透明乙烯。（d）120 - 100微米通道在190微米厚的静态乙烯基。（E）40微米单在1000微米厚的黄褐色片（橡胶）喷砂罩。

25、（f）在100微米厚的压延乙烯基片A.荫罩红宝石®通常用作版丝网印刷，虽然它也被用来作为光掩模在集成电路中的应用（www.ulano。co微米）。它一个紫外线透明聚酯无粘合剂的不透明乳液。为了使用红宝石®作为掩模，切割模式使用应用胶带剥离剥离衬垫,然后转移到玻璃幻灯片（见图1）。应用胶带用少量的水润湿，以减少它的对红宝石®粘连然后剥离使用在图1中描述的技术。的红宝石®粘在玻璃通过静电相互作用。图案玻璃切割红宝石®放在丹顿发现18溅射系统（100 W射频功率），在4.8毫50 SCC微米 Ar流量）30分钟，存375纳微米硅层。的红宝石®

26、;然后剥离，离开狭窄通道的痕迹，开始在55微米和锥形下降到28微米B.电镀电镀用红宝石®创造微牺牲层。切割通道转移到一个干净的玻璃使用与阴影掩蔽描述相同的方法的幻灯片。通道开口被KAPTON胶带然后幻灯片被放置在溅射系统（相同的系统和设置如上所述）。一个20纳微米厚的钛籽晶层（1溅射时间）溅射到幻灯片后跟一个200纳微米金层（溅射时间7分钟）。聚酰亚胺胶带然后取出并将玻片放入硫酸铜中.溶液（100克硫酸铜：25毫升，450毫升DI H H 0）。20微米A /厘微米电流密度为50分钟，形成一个18微米铜沉积。牺牲的红宝石®溶解在丙酮、甲醇和去离子水冲洗，离开空心电镀渠道。独

27、立结构进行电镀使用负红宝石®模式。图案被转移到一个黄金涂层玻璃幻灯片和幻灯片，然后放在同一铜溶液作为上述通道。如图所示。电镀的通道和电镀装置。C.工厂三维布置设计管理系统的微型磨具工厂三维布置设计管理系统成型积极组织切红宝石®和热层压薄膜（见图）。Rubylith®模式上的聚酯释放衬垫和热薄膜层压到玻璃盖幻灯片。工厂三维布置设计管理系统预聚物混合固化剂（Sylgard 184，道康宁，微米idland，微米I）以10:1的比例，然后倒在红宝石®和层压结构 2 。硅橡胶混合物除在10 微米in去除气泡毫。这个样品在80 C固化为40分钟。较高的温度使层压膜

28、上的热胶熔化。固化工厂三维布置设计管理系统进行剥离的离模。热层压微型模具成功使用重铸工厂三维布置设计管理系统；然而重复使用后的模具完整性没有调查。这个红宝石®微型模具可重复使用，但仅为特征大于微米.较小的功能倾向于剥离与工厂三维布置设计管理系统释放班轮。坚持的功能工厂三维布置设计管理系统被冲洗掉的丙酮。图工厂三维布置设计管理系统模式成型xurographically切（a）和（b）®红宝石127 微米厚的热板。（c）一个积极的250微米蛇形通道在127微米厚的层压板用于成型工厂三维布置设计管理系统功能类似（B）。层压微流体结构和端口图10显示在二维通道切割在127微米厚的流

29、体流动热层压膜并用相同材料密封玻璃片。渠道从单一片250 微米wide。顶层密封通道有孔的端口访问。这些孔上覆盖着一块小1微米微米thick喷砂有针孔的掩模材料（微米微米直径）挤过中心见图（a）。平端25计注射器插入针孔，喷砂密封在注射器周围的材料。蓝色染料，然后注入进入渠道。橡胶通路的最大压力端口是有限的但可以改善与更好的粘合剂支持。类似的渠道制作透明乙烯基胶粘剂静态乙烯基。静态乙烯必须被夹紧防止泄漏。一个3-D的微流体结构被切割在127微米厚的热层压薄膜，以下由乔林在工厂三维布置设计管理系统制作实例等人。 8 由环绕一条直线的螺旋通道组成通道。耦合孔，接入端口，对齐孔也削减模式。因为没有任

30、何自由站立特点、渠道和孔被吹与空气喷嘴后剥离切割模式释放班轮（应用磁带）。连接的耦合孔渠道跨层，相对较大（微米），因为切割和除草小洞的难度图10，显示如何通过使用每个层对齐到底层对准中的两个玻璃毛细管作为对准销洞.对齐后，每个层被记录到以前层，玻璃管被删除，然后录音层通过热压机送，顶面向下防止热熔胶重新流入通道。对齐在60微米内实现了使用这种方法。渠道被设计为100微米和200微米厚。100微米直通道变窄，约50微米，因为逐渐变细。这个整个七层结构耗时不到30分钟。图（一）橡胶接入端口由1毫微米厚的喷砂遮蔽材料。（b）在127微米范围内，从单通道到250微米的通道内的流动厚层热层合板。类似的渠道制作透明乙烯基