一种振动辅助的纳米辊压装置

技术领域

本发明涉及热压印领域，尤指一种振动辅助的纳米辊压装置。

背景技术

纳米压印技术有着成本低，分辨率高，可大批量生产等优点而被广泛应用于光学镜头、自清洁、微电子制程，引来了业内研究人员们的普遍重视与研究热情，MITTechnology Review将其列为将会改变世界的十大新兴技术之一。但是，现压印出的成品都存在填充率低，图案破损并且精度差等缺陷，为解决这些缺陷，研究人员将研究领域转移到超声波振动辅助压印上来。

在公开号为CN 102336016 A的专利与日本学者H.Mekaru、韩国学者Hyun Woo Yu都提出了超声波辅助压印的方法，超声波振动产生的热量集中在模具与压印胶的接触界面，导致大部分的压印胶没有被加热，而只有极小的部分被融化，从而改善了压印胶成形之后的热收缩，并且超声振动辅助压印过程中，超声波振动在压印胶和模具凸起部分由于摩擦而迅速转化成热量，使压印胶融化，填充模具空隙，提高了压印胶的填充度，得到了精度高的微纳图案，但是在施加超声振动辅助后，压印过程中会产生残余气泡，并且超声波振动在低压力下有更好的压印效果，因为高压力会阻碍超声波的产生，从而影响其压印效果。基于以上问题，我们设计了一款装置，采用热压印并结合压电辅助振动。超声波振动辅助压印采用的是高副高频，图案的填充率较低，而我们的装置是采用低副低频的方式，能够提高填充率，保证压印图案的精度，并且能够消除气泡，在高压力下也不会影响到我们压印速度与效果，保证了压印的保真度。

发明内容

本发明提供一种振动辅助的纳米辊压装置，采用Z向振动装置来减少粘附力，降低脱模时图案的损伤度，并能有效的消除气泡，使压印不受高低压的影响，压印前通过微调装置调节压印辊水平，脱模时冷却装置进行降温，进一步提高微纳结构的精度与保真度。

根据本发明的目的提出一种振动辅助的纳米辊压装置，其特征在于：一种振动辅助的纳米辊压装置包括机架、四柱连接架、Z向振动装置、压印装置、微调装置、加热装置、衬底卡盘、冷却装置、X-Y轴位移平台、Z轴位移台。其中，机架水平放置在水平面上，四柱连接架通过螺钉固定在Z轴位移台上，微调装置通过螺钉固定在四柱连接架上，压印装置一端通过螺钉固定在四柱连接架的承重板上，另一端通过轴承配合固定在微调装置上，Z向振动装置通过螺钉固定在X-Y轴位移平台上，加热装置通过螺钉固定在Z向振动装置上，衬底卡盘装卡在加热装置上，冷却装置装卡在衬底卡盘的外表面，Z轴位移台和X-Y轴位移平台通过螺钉固定在机架上。

根据本发明的目的提出一种振动辅助的纳米辊压装置，其特征在于：所述的机架，包括肋板一、肋板二、肋板三、肋板四、底板一、支撑板一。其中，肋板一的一侧与支撑板一固连，另一侧与底板一固连，肋板二的一侧与支撑板一固连，另一侧与底板一固连，肋板三的一侧与支撑板一固连，另一侧与底板一固连，肋板四的一侧与支撑板一固连，另一侧与底板一固连，支撑板一与底板一固连，机架的用于固定X-Y轴位移平台与Z轴位移台。

根据本发明的目的提出一种振动辅助的纳米辊压装置，其特征在于：所述的四柱连接架，包括四柱连接架一、四柱连接架二。其中，四柱连接架一包括底板二、支撑柱一、支撑柱二、支撑柱三、支撑柱四、肋板五、肋板六、肋板七、肋板八、顶板，其中，支撑柱一的一端固连在底板二上，另一端固连在顶板上，支撑柱二的一端固连在底板二上，另一端固连在顶板上，支撑柱三的一端固连在底板二上，另一端固连在顶板上，支撑柱四的一端固连在底板二上，另一端固连在顶板上，肋板五固连于支撑柱一与底板二上，肋板六固连于支撑柱二与底板二上，肋板七固连于支撑柱三与底板二上，肋板八固连于支撑柱四与底板二上，顶板中间钻有圆形孔洞。四柱连接架二的结构与四柱连接架一完全相同。四柱连接架的一侧与Z轴位移台相连接，一侧与微调装置相连接。

根据本发明的目的提出一种振动辅助的纳米辊压装置，其特征在于：所述的Z向振动装置，包括直圆型柔性铰链一、直圆型柔性铰链二、直圆型柔性铰链三、直圆型柔性铰链四、压电陶瓷一、压电陶瓷二、预紧螺钉一、预紧螺钉二、工作台机架、工作台。其中，直圆型柔性铰链一固连于工作台机架顶部，直圆型柔性铰链二固连于工作台机架顶部，直圆型柔性铰链三固连于直圆型柔性铰链一的中间部位，直圆型柔性铰链四固连于直圆型柔性铰链二的中间部位，工作台一侧固连于直圆型柔性铰链三，一侧固连于直圆型柔性铰链四，压电陶瓷一一端与直圆型柔性铰链一接触，另一端由预紧螺钉一预紧，压电陶瓷二一端与直圆型柔性铰链二接触，另一端由预紧螺钉二预紧，Z向振动装置为压印平台提供一个Z向振动。

根据本发明的目的提出一种振动辅助的纳米辊压装置，其特征在于：所述的压印装置，包括压印辊、联轴器、伺服电机。其中，压印辊的两端通过轴承配合固定在微调装置的固定块五上，联轴器的一侧与伺服电机相连接，联轴器的另一侧与压印辊相连接，伺服电机通过螺钉固定在四柱连接架的承重板上。压印装置对压印胶进行压印。

根据本发明的目的提出一种振动辅助的纳米辊压装置，其特征在于：所述的微调装置，包括微调装置一、微调装置二。其中，微调装置一包括直梁型柔性铰链一、直梁型柔性铰链二、直梁型柔性铰链三、直梁型柔性铰链四、直梁型柔性铰链五、直梁型柔性铰链六、直梁型柔性铰链七、直梁型柔性铰链八、固定块一、固定块二、固定块三、固定块四、固定块五、铰链结构固定框一、微分头一、微分头二。其中，固定块一两侧通过直梁型柔性铰链一与铰链结构固定框一连接，固定块二两侧通过直梁型柔性铰链二与铰链结构固定框一连接，固定块三两侧通过直梁型柔性铰链三与铰链结构固定框一连接，固定块四两侧通过直梁型柔性铰链四与铰链结构固定框一连接，固定块五一侧通过直梁型柔性铰链五与固定块一连接，一侧通过直梁型柔性铰链六与固定块二连接，一侧通过直梁型柔性铰链七与固定块三连接，一侧通过直梁型柔性铰链八与固定块四连接，固定块五中间有圆形空洞，微分头一与固定块五连接，微分头二与固定块五连接。 微调装置二的结构与微调装置一的结构完全相同。微调装置调节压印辊水平，保证压印时压印辊受力均匀。

根据本发明的目的提出一种振动辅助的纳米辊压装置，其特征在于：所述的冷却装置，包括进液管、出液管、阀门一、阀门二、空心“回”字管道，其中，进液管位于空心“回”字管道的左侧，阀门一位于进液管上，出液管位于空心“回”字管道的右侧，阀门二位于出液管上，冷却装置对压印胶进行冷却固化。

本发明具有以下优点：

1. Z向振动装置利用Z向振动来辅助压印，使模板与压印胶之间产生间隙接触，减少了模板与压印胶之间的粘附力，并且通过多次的间隙接触增大模板与压印胶之间的摩擦力，通过摩擦使压印胶局部温度升高后融化流动，提高压印胶的填充度，热压印结合Z向振动能够消除气泡，并且不受高低压力的影响；

2. 通过压印装置中的微调装置使压印辊与衬底平行，从而保证压印时受力均匀；

3.冷却装置消除压印胶内的残余热量，减少残余热量对压印图案的损伤。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是本发明机架正视的结构示意图；

图3是本发明机架后视的结构示意图；

图4是本发明四柱连接架的结构示意图；

图5是本发明Z轴位移平台的结构示意图；

图6是本发明Z向振动装置的结构示意图；

图7是本发明压印装置的结构示意图；

图8是本发明微调装置的结构示意图；

图9是本发明加热装置、冷却装置、衬底卡盘的结构示意图。

附图标记说明

机架-1、四柱连接架-2、Z向振动装置-3、压印装置-4、微调装置-5、加热装置-6、衬底卡盘-7、冷却装置-8、X-Y轴工作台-9、Z轴位移台-10、肋板一-101、肋板二-102、肋板三-103、肋板四-104、底板一-105、支撑板一-106、四柱连接架一-201、四柱连接架二-202、直圆型柔性铰链三-301、直圆型柔性铰链一-302、压电陶瓷一-303、预紧螺钉一-304、直圆型柔性铰链四-305、直圆型柔性铰链二-306、压电陶瓷二-307、工作台机架-308、预紧螺钉二-309、工作台-310、压印辊-401、联轴器-402、伺服电机-403、进液管-801、阀门一-802、出液管-803、阀门二-804、空心“回”字管道-805、顶板-20101、承重板-20102、支撑柱一-20103、支撑柱二-20104、肋板五-20105、肋板六-20106、支撑柱三-20107、支撑柱四-20108、肋板七-20109、肋板八-20110、底板二-20111、直梁型柔性铰链一-50101、直梁型柔性铰链五-50102、固定块二-50103、直梁型柔性铰链六-50104、微分头一-50105、直梁型柔性铰链二-50106、铰链结构固定框-50107、固定块五-50108、微分头二-50109、固定块一-50110、直梁型柔性铰链四-50111、固定块四-50112、直梁型柔性铰链八-50113、直梁型柔性铰链七-50114、直梁型柔性铰链三-50115、固定块三-50116。

具体实施方式

如图1所示，所述的一种振动辅助的纳米辊压装置，包括机架1、四柱连接架2、Z向振动装置3、压印装置4、微调装置5、加热装置6、衬底卡盘7、冷却装置8、X-Y轴位移平台9 、Z轴位移台10，其中机架1水平放置在水平面上，Z轴位移台10和X-Y轴位移平台9通过螺钉固定在机架1上，四柱连接架2通过螺钉固定在Z轴位移台10上，压印装置4通过螺钉固定在四柱连接架2上，Z向振动装置3通过螺钉固定在X-Y轴位移平台9上，加热装置6通过螺钉固定在Z向振动装置3上，衬底卡盘7通过螺钉固定在加热装置6上，所放衬底的高度要高于衬底卡盘7中凹槽的深度，冷却装置8环绕于衬底卡盘7的四周，通过螺钉固定在加热装置6上。

如图2,3所示，所述的机架1，包括肋板一101、肋板二102、肋板三103、肋板四104、底板一105、支撑板一106。其中，肋板一101的一侧与支撑板一106固连，另一侧与底板一105固连，肋板二102的一侧与支撑板一106固连，另一侧与底板一105固连，肋板三103的一侧与支撑板一106固连，另一侧与底板一105固连，肋板四的一侧104与支撑板一106固连，另一侧与底板一105固连，支撑板一106与底板一105固连。机架1的底板一105用于固定X-Y轴位移平台9，支撑板一106用于固定Z轴位移台10。

如图4，5所示，所述的四柱连接架2，包括四柱连接架一201、四柱连接架二202。其中，四柱连接架一201包括顶板20101、承重板20102、支撑柱一20103、支撑柱二20104、肋板五20105、肋板六20106、支撑柱三20107、支撑柱四20108、肋板七20109、肋板八20110、底板二20111，其中，支撑柱一20103的一端固连在底板二20111上，另一端固连在顶板20101上，支撑柱二20104的一端固连在底板二20111上，另一端固连在顶板20101上，支撑柱三20107的一端固连在底板二20111上，另一端固连在顶板20101上，支撑柱四20108的一端固连在底板二20111上，另一端固连在顶板20101上，肋板五20105固连于支撑柱一20103与底板二20111上，肋板六20106固连于支撑柱二20104与底板二20111上，肋板七20109固连于支撑柱三20107与底板二20111上，肋板八20110固连于支撑柱四20108与底板二20111上，顶板20101中间钻有圆形孔洞。四柱连接架二202的结构与四柱连接架一201完全相同。四柱连接架2的一侧与Z轴位移台相10连接，一侧与微调装置5相连接。

如图6所示，所述的Z向振动装置3，包括直圆型柔性铰链三301、直圆型柔性铰链一302、压电陶瓷一303、预紧螺钉一304、直圆型柔性铰链四305、直圆型柔性铰链二306、压电陶瓷二307、工作台机架308、预紧螺钉二309、工作台310。其中，直圆型柔性铰链一302固连于工作台机架308顶部，直圆型柔性铰链二306固连于工作台机架308顶部，直圆型柔性铰链三301固连于直圆型柔性铰链一302的中间部位，直圆型柔性铰链四305固连于直圆型柔性铰链二306的中间部位，工作台310一侧固连于直圆型柔性铰链三301，一侧固连于直圆型柔性铰链四305，压电陶瓷一303一端与直圆型柔性铰链一302接触，另一端由预紧螺钉一304预紧，压电陶瓷二307一端与直圆型柔性铰链二306接触，另一端由预紧螺钉二309预紧,利用Z向振动装置3对压印平台提供一个Z向振动。

如图7所示，所述的压印装置4，包括压印辊401、联轴器402、伺服电机403。其中，压印辊401的表面具有微结构，两端通过轴承配合固定在微调装置的固定块五50108上，联轴器402的一侧与伺服电机403相连接，联轴器402的另一侧与压印辊401相连接，伺服电机403通过螺钉固定在四柱连接架2的承重板20102上。压印装置4对压印胶进行压印。

如图7，8所示， 所述的微调装置5，包括微调装置一501、微调装置二502。其中，微调装置一501包括直梁型柔性铰链一50101、直梁型柔性铰链五50102、固定块二50103、直梁型柔性铰链六50104、微分头一50105、直梁型柔性铰链二50106、铰链结构固定框50107、固定块五50108、微分头二50109、固定块一50110、直梁型柔性铰链四50111、固定块四50112、直梁型柔性铰链八50113、直梁型柔性铰链七50114、直梁型柔性铰链三50115、固定块三50116，其中，固定块一50110两侧通过直梁型柔性铰链一50101与铰链结构固定框50107连接，固定块二50103两侧通过直梁型柔性铰链二50106与铰链结构固定框50107连接，固定块三50116两侧通过直梁型柔性铰链三50115与铰链结构固定框50107连接，固定块四50112两侧通过直梁型柔性铰链四50111与铰链结构固定框50107连接，固定块五50108一侧通过直梁型柔性铰链五50102与固定块一50110连接，一侧通过直梁型柔性铰链六50104与固定块二50103连接，一侧通过直梁型柔性铰链七50114与固定块三50116连接，一侧通过直梁型柔性铰链八50113与固定块四50112连接，固定块五50108中间有圆形空洞，微分头一50105与固定块五50108连接，微分头二50109与固定块五50108连接。 微调装置二502的结构与微调装置一501的结构完全相同。微调装置5调节压印辊401水平，保证压印时压印辊401受力均匀。

如图9所示，所述的冷却装置8，包括进液管801、阀门一802、出液管803、阀门二804、空心“回”字管道805，其中，进液管801位于空心“回”字管道805的左侧，阀门一802位于进液管801上，出液管803位于空心“回”字管道805的右侧，阀门二804位于出液管803上。冷却装置8对压印胶进行冷却固化。

结合附图对本发明作进一步描述。

整个装置水平放置于水平面上，将在外部涂胶处理好的衬底放置于衬底卡盘7中，通过调控X-Y轴位移平台9使Z向振动装置3在X轴与Y轴方向进行移动，当衬底中心移动到压印辊401正下方时停止移动。调节微分头一50105来调节固定块一50110，直梁型柔性铰链一50101起自适应调节作用，通过直梁型柔性铰链五50102将微位移传递给固定块五50108，固定块五50108可以通过直梁型柔性铰链七50114将微位移传递给固定块三50116，直梁型柔性铰链三50115起自适应调节作用，通过调节微分头二50109来调节固定块二50103，直梁型柔性铰链二50106起自适应调节作用，通过直梁型柔性铰链六50104将微位移传递给固定块五50108，固定块五50108可以通过直梁型柔性铰链八50113将微位移传递给固定块四50112，直梁型柔性铰链四50111起自适应调节作用，最终调节压印辊401与衬底平行，保证压印时受力均匀，控制Z轴位移台10向下移动，当压印辊401与压印胶接触后停止移动，加热装置7开始加热，使压印胶达到玻璃化温度，然后控制压印辊401开始转动，控制X-Y轴位移平台9使Z向振动装置3向靠近压印辊401方向移动，开始压印，同时，压电陶瓷一303与压电陶瓷二307开始工作，使Z向振动装置3进行Z向振动来辅助压印，待压印完全时，开冷却装置8对压印胶进行冷却固化，然后进行脱模，完毕后，压印辊401停止转动，控制Z轴位移台10向上移动，然后控制X-Y轴位移平台9使Z向振动装置3向远离压印辊401方向移动，最后将衬底卡盘7中的衬底取出，压印完成。