一种用于微纳米加工领域的脱模装置及其脱模方法与流程

1.本发明属于微纳米加工技术领域，具体而言，本发明涉及一种用于在微纳米加工领域的脱模装置及其脱模方法。


背景技术：

2.在微纳加工领域采用柔性模具进行纳米压印与翻模是一种可以大批量制备微纳结构的方法，其工艺流程主要包括(1)模具制备，制备一种基于柔性基底材料的柔性模具，模具表面含微纳米结构作为复制的母体；(2)将模具和待复制微结构的光固化聚合物放入压印装备中，模具和聚合物紧密贴合，使得模具上的微纳结构复制到聚合物表面，待完全贴合后用相应的光源进行照射，将聚合物上的微结构固化成型；(3)分离聚合物和模具，即可在聚合物表面得到和模具凹凸互补的微结构。
3.在微纳产品加工中，模具和聚合物的分离(以下称为脱模)工序是压印过程中的最后一道工序也是最关键的一道工序。该工序是微结构复制过程中缺陷产生的主要阶段。由于聚合物和模具的接触面存在一定的分子间作用力(范德瓦尔斯力)，在其结合面会产生机械力，同时模具和聚合物接触面间由于接触比较紧密，聚合物冷却时对模具的收缩包紧力、粘附力等粘附效应，使得脱模更加困难。目前常用的脱模方式有手动脱模和自动脱模两种。手动脱模就是指将复制好的微结构及模具从压印装备中取下来，通过人力将其分离。而自动脱模是指采用一个设计好的装置实现聚合物及模具的分离。手动脱模由于容易引入脱模方向误差，导致微纳结构的损毁，故而只能在对质量要求不高并且是低深宽比的微结构脱模场景中使用。目前微纳加工领域中常用的自动脱模机构是参考宏观设备中的脱模机构制作而成。通过真空吸盘将聚合物的承载基底固定，然后通过机械装置拉动柔性模具，从而实现分离。目前该领域的现有自动脱模结构在实际使用中存在两个问题，其一是因为在起始位置脱模力较小，导致模具和聚合物无法分离，甚至有压印结构破损的风险，其二是即使成功分离，在分离时仍容易造成微结构发生很大的变形，从而对压印好的微结构造成破坏。


技术实现要素：

4.本发明的一个优势在于提供一种用于微纳米加工领域的脱模装置及其脱模方法，其中所述用于微纳米加工领域的脱模装置能够避免模具和聚合物在脱模过程中出现变形和破损等脱模缺陷，从而提升被脱模的聚合物的成品质量。
5.本发明的一个优势在于提供一种用于微纳米加工领域的脱模装置及其脱模方法，其中所述用于微纳米加工领域的脱模装置能够提升被脱模的聚合物的良率，一方面降低对聚合物的脱模成本，同时还能提升对聚合物的在单位时间内的脱模效率。
6.本发明的一个优势在于提供一种用于微纳米加工领域的脱模装置及其脱模方法，其中所述用于微纳米加工领域的脱模装置结构简单、操作方便，而且能够降低对聚合物的压印成本。
7.本发明的一个优势在于提供一种用于微纳米加工领域的脱模装置及其脱模方法，
其中所述用于微纳米加工领域的脱模装置通过控制脱模过程中模具和聚合物在脱模分界处的合力方向及大小保持恒定，从而保证柔性模具和聚合物平稳、均匀地分离。
8.本发明的一个优势在于提供一种用于微纳米加工领域的脱模装置及其脱模方法，其中所述用于微纳米加工领域的脱模装置通过调节柔性模具和聚合物之间的夹角，从而确保聚合物能够从柔性模具上均匀地被分离，以提高对聚合物的脱模质量管控。
9.本发明的一个优势在于提供一种用于微纳米加工领域的脱模装置及其脱模方法，其中所述用于微纳米加工领域的脱模装置设置有缓冲结构，因此能够对脱模过程中的聚合物提供缓冲保护作用，进一步保证柔性模具和聚合物之间进行平稳、匀速的分离。
10.为达上述至少一发明优势，本发明提供一种用于微纳米加工领域的脱模装置，用于为使一柔性模具脱离于一聚合物的表面，所述用于微纳米加工领域的脱模装置包括至少一驱动机构、一拉力机构、一牵引机构以及一膜框，其中所述拉力机构能够带动所述驱动机构和所述膜框相对于所述柔性模具向上运动，从而使所述驱动机构和所述膜框能够与所述聚合物之间形成一定的夹角，所述柔性模具的一端固定连接于所述牵引机构，所述牵引机构连接于所述驱动机构并能够在所述驱动机构的带动下在所述膜框上滑动，从而带动所述柔性模具脱离于所述聚合物的表面。
11.在其中一些实施例中，所述柔性模具具有一第一端和一第二端，其中所述柔性模具的所述第一端被固定连接于所述牵引机构，所述柔性模具的第二端被固定设置于所述膜框上远离所述拉力机构的一端。
12.在其中一些实施例中，所述拉力机构与所述驱动机构及所述膜框上靠近所述驱动机构的一端固定连接，从而使所述驱动机构和所述膜框在所述拉力机构的带动下相对于所述柔性模具向上运动。
13.在其中一些实施例中，所述膜框被实施为一长方形板状结构，所述膜框的另一端被固定于一铰链基座，从而使所述模块能够在所述拉力机构的带动下相对于所述铰链基座进行旋转运动，以实现所述膜框相对于所述聚合物向上运动。
14.在其中一些实施例中，所述牵引机构为一浮动板，所述浮动板被设置于所述膜框的表面，所述牵引机构进一步包括至少一组导轨，所述导轨通过螺丝被固定设置于所述膜框的两侧，所述浮动板分别连接所述模块两侧的所述导轨，从而使所述浮动板能够沿着所述导轨在所述膜框上滑动。
15.在其中一些实施例中，所述浮动板固定连接于所述驱动机构，以使所述驱动机构能够驱动所述浮动板沿着所述导轨在所述膜框上滑动。
16.在其中一些实施例中，所述驱动机构为一直线伺服电机。
17.在其中一些实施例中，所述直线伺服电机通过一金属连接板固定连接于所述膜框，从而与所述膜框固定连接且相对位置不变。
18.在其中一些实施例中，进一步包括至少一连接板，所述连接板柔性连接于所述浮动板，且所述连接板连接于所述直线伺服电机的执行末端从而在所述直线伺服电机的驱动下与所述浮动板一起沿着所述导轨在所述膜框上滑动。
19.在其中一些实施例中，所述连接板通过一弹簧柔性连接于所述浮动板。
20.在其中一些实施例中，所述柔性模具与所述聚合物的表面为粘性连接。
21.为达上述至少一发明优势，本发明进一步提供一种用于微纳米加工领域的脱模方
法，用于将一柔性模具脱离于一聚合物的表面，所述用于微纳米加工领域的脱模方法包括步骤：
22.a：连接所述柔性模具的第一端，并固定所述柔性模具的第二端；
23.b：向上拉动所述柔性模具的第一端，以使所述柔性模具与所述聚合物之间形成一夹角；以及
24.c：带动所述柔性模具的第一端朝向所述柔性模具的第二端方向移动，以使所述柔性模具脱离于所述聚合物的表面，其中所述柔性模具在脱离过程中与所述聚合物之间的夹角保持为60
°
。
25.在其中一些实施例中，所述用于微纳米加工领域的脱模方法是通过一用于微纳米加工领域的脱模装置实现，在所述步骤a中，通过所述用于微纳米加工领域的脱模装置中的一浮动板连接所述柔性模具的第一端，从而带动所述柔性模具的第一端运动。
26.在其中一些实施例中，在所述步骤b中，通过所述用于微纳米加工领域的脱模装置中的一拉力机构向上拉动所述浮动板带动所述柔性模具向上运动，从而在所述柔性模具与所述聚合物之间形成所述夹角。
27.在其中一些实施例中，在所述步骤c中，通过所述用于微纳米加工领域的脱模装置中的所述牵引机构带动所述柔性模具由所述柔性模具的第一端朝向所述柔性模具的第二端移动，从而使所述柔性模具被分离于所述聚合物的表面。
附图说明
28.图1为本发明所述的用于微纳米加工领域的脱模装置的第一实施例的立体结构示意图。
29.图2为本发明所述的用于微纳米加工领域的脱模装置的第一实施例的主视结构示意图。
30.图3a为现有技术中的用于微纳米加工领域的脱模装置在脱模开始时柔性模具和聚合物之间的受力角度的力学等效原理图。
31.图3b为现有技术中的用于微纳米加工领域的脱模装置在脱模后期柔性模具和聚合物之间的受力角度的力学等效原理图。
32.图4为本发明所述的用于微纳米加工领域的脱模装置的第一实施例在脱模过程中柔性模具和聚合物之间的受力角度的力学等效原理图。
33.图5为本发明所述的用于微纳米加工领域的脱模装置的第一实施例中的直线伺服电机的运动曲线示意图。
34.图6a为本发明所述的用于微纳米加工领域的脱模装置的第一实施例在脱模开始时的工作状态示意图。
35.图6b为本发明所述的用于微纳米加工领域的脱模装置的第一实施例在脱模过程中的工作状态示意图。
36.图6c为本发明所述的用于微纳米加工领域的脱模装置的第一实施例在脱模后期的工作状态示意图。
37.图7为本发明所述的用于微纳米加工领域的脱模方法的第一实施例的流程示意图。
具体实施方式
38.以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
39.本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
40.可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
41.本发明主要提供一种用于微纳米加工领域的脱模装置10及其脱模方法，如图1和图2所示，为本发明所述的用于微纳米加工领域的脱模装置10的第一实施例的结构示意图。所述用于微纳米加工领域的脱模装置10用于为一聚合物30进行脱模，所述聚合物30与一柔性模具20柔性连接，所述用于微纳米加工领域的脱模装置10包括至少一驱动机构12、一拉力机构11、一牵引机构13以及一膜框16，其中所述驱动机构12和所述膜框16固定连接并能够驱动所述牵引机构13在所述膜框16上运动，所述拉力机构11能够带动所述驱动机构12和所述膜框16向上运动，从而使所述驱动机构12和所述膜框16能够与所述聚合物30之间形成一定的夹角β，所述牵引机构13被设置为固定连接于所述柔性模具20的一端且所述牵引机构13能够带动所述柔性模具20沿着所述膜框16直线移动，从而使所述牵引机构13能够在所述驱动机构12的驱动下带动所述柔性模具20与所述聚合物30分的表面分离。
42.进一步地，在本发明所述的用于微纳米加工领域的脱模装置10的第一实施例中，所述柔性模具20被设置于所述聚合物30的表面并与所述聚合物30粘性连接。所述柔性模具20具有一第一端21和一第二端22，其中所述柔性模具20的所述第一端21与所述牵引机构13固定连接，所述柔性模具20的所述第二端22被固定连接于所述膜框16。所述拉力机构11与所述驱动机构12及所述膜框16固定连接，从而使所述驱动机构12和所述膜框16在所述拉力机构11的带动下相对于所述柔性模具20上下运动，进而拉动所述柔性模具20脱离于所述聚合物30的表面。
43.详细而言，在本发明所述的用于微纳米加工领域的脱模装置10的第一实施例中，所述膜框16被实施为一长方形板状结构，所述膜框16的一端被固定于一铰链基座14，从而使所述膜框16能够相对于所述铰链基座14进行旋转运动。
44.所述牵引机构13被实施为一浮动板131，所述浮动板131被设置于所述膜框16的表面。所述牵引机构13进一步包括一组导轨132，所述导轨132通过螺丝被固定设置于所述膜框16的两侧，所述浮动板131的两端分别连接所述膜框16的两侧的所述导轨132，从而使所述浮动板131能够沿着所述导轨132在所述膜框16上运动。
45.进一步地，所述浮动板131被设置为固定连接于所述驱动机构12的驱动轴，以使所述驱动机构12能够驱动所述浮动板131在所述膜框16上运动。优选地，在本发明的第一实施
例中，所述驱动机构12被实施为一直线伺服电机121，以实现对所述浮动板131的驱动。
46.除此以外，本领域技术人员也可以根据实际需求对所述膜框16的形状、固定方式和/或所述驱动结构的类型进行修改，只要在本发明上述揭露的基础上，采用了与本发明相同或近似的技术方案，都属于本发明的保护范围之内，本发明的具体实施方式并不以此为限。
47.如图5所示，为所述直线伺服电机121的运动曲线示意图，所述浮动板131在所述直线伺服电机121的带动下沿着所述滑轨在所述膜框16上运动，由于所述柔性模具20的一端被固定连接于所述浮动板131，因此所述柔性模具20能够随着所述浮动板131的运动相对于所述聚合物30进行运动。
48.进一步地，如图2所示，在本发明的第一实施例中，所述直线伺服电机121的本体通过一金属连接板15固定连接于所述膜框16，从而与所述膜框16固定连接且相对位置不变。
49.优选地，在本发明所述的用于微纳米加工领域的脱模装置10的第一实施例中，所述拉力机构11被实施为一拉杆111，通过所述拉杆111带动所述膜框16和所述驱动机构12相对于所述聚合物30上下运动，以使所述柔性模具20能够被脱离于所述聚合物30的表面。
50.本发明所述的用于微纳米加工领域的脱模装置10的第一实施例中，进一步包括至少一连接板133，所述连接板133通过一弹簧134柔性连接于所述浮动板131，且所述连接板133连接于所述直线伺服电机121的执行末端从而在所述直线伺服电机121的驱动下与所述浮动板131一起沿着所述导轨132在所述膜框16上滑动。
51.由此可知，在本发明所述的微纳米加工领域的脱模装置10的第一实施例中，由于所述柔性模具20的所述第一端21被固定连接于所述浮动板131，所述柔性模具20的所述第二端22被固定于所述膜框16，而所述浮动板131不仅能够沿着导轨132在所述膜框16上滑动，而且可以在所述拉力机构11的带动下随着所述膜框16实现上下位移，因此所述柔性模具20能够在所述拉力机构11和所述牵引机构13的双重带动下脱离于所述聚合物30的表面，并且能够控制所述柔性模具20与所述聚合物30之间的受力角度和脱模拉力。
52.接下来，根据图3a至图6c对本发明所述的微纳米加工领域的脱模装置10的工作原理进行进一步的简单说明。
53.首先，如图3a和图3b所示，为通过现有技术中的微纳米加工领域的脱模装置10的工作中柔性模具20和聚合物30之间的受力角度的力学等效原理图。
54.脱模开始时，如图3a所示，由于此时所述柔性模具20和所述聚合物30之间的受力角度较大，因此所述柔性模具20受到的线性拉力极大，与此同时，作用在所述柔性模具20和所述聚合物30分界处的脱模拉力却非常小。
55.而在脱模后期，如图3b所示，由于所述柔性模具20与所述聚合物30脱模角度过大，因此会导致整个脱模过程不平稳，进而会影响对所述聚合物30表面的微结构的脱模效果。
56.而在本发明中，如图4至图6c所示，通过所述拉力机构11将所述膜框166抬起一定的高度，所述膜框166沿着所述铰链基座14进行旋转运动并与水平面形成一定的倾角。此时，所述直线伺服电机121定位至指定坐标，并带动所述连接板133与所述浮动板131沿着所述导轨132在所述膜框16上向右运动，以增大所述柔性模具20与所述聚合物30之间的夹角β从而实现最佳脱模角度。
57.动态脱模开始后，所述膜框16在所述拉力机构11的带动下继续向上匀速平稳抬
起，同时对所述直线伺服电机121进行联动控制，从而使所述直线伺服电机121控制所述连接板133和所述浮动板131带动所述柔性模具20进行运动的速度和距离。其中，所述直线伺服电机121的运动位移变化如图5所示，在所述拉力机构11的带动下，通过联动控制所述直线伺服电机121带动所述连接板133与所述浮动板131沿着所述导轨132在所述膜框16上滑动，进而带动所述柔性模具20脱离于所述聚合物30的表面。
58.在动态脱模后期，所述柔性模具20被完全分离于所述聚合物30的表面，从而避免了所述聚合物30的表面微结构在与所述柔性模具20分离的过程中出现被扭曲变形甚至被破坏的问题。
59.如图6a至6c所示，在整个柔性模具20被带动脱离于所述聚合物30的表面的过程中，所述柔性模具20与所述聚合物30在脱模分界处的合力大小均匀，并且方向一致，同时，由于所述弹簧134能够起到辅助的缓冲与保护作用，因此能够保证所述柔性模具20和所述聚合物30实现平稳、匀速地分离，从而确保所述聚合物30的表面压印微结构不会被扭曲产生变形或被破坏。
60.因此，本发明所述的用于微纳米加工领域的脱模装置10能够使得在整个脱模过程中所述柔性模具20和所述聚合物30在脱模分界处的合力方向及大小保持恒定，从而保证所述柔性模具20和所述聚合物30能够平稳、均匀地被分离，因此能够有效避免所述聚合物30表面的微结构出现变形和损坏。
61.值得强调的是，在本发明所述的用于微纳米加工领域的脱模装置10的第一实施例中，所述柔性模具20和所述聚合物30之间的夹角β在整个脱模过程中被控制为固定的60
°
，从而确保所述柔性模具20和所述聚合物30实现平稳、匀速的分离。
62.作为本发明的第一实施例的一种变形，本领域技术人员也可以根据实际情况改变所述柔性模具20和所述聚合物30在脱模过程中的夹角β，比如根据所述聚合物30表面与所述柔性模具20之间的粘结程度将脱模过程中所述柔性模具20与所述聚合物30之间的夹角β控制为45
°
或其他固定角度，也属于本发明的保护范围之内。换句话说，只要在本发明上述揭露的基础上，采用了与本发明相同或近似的技术方案，解决了与本发明相同或近似的技术问题，并且达到了与本发明相同或近似的技术效果，也都属于本发明的保护范围之内，本发明的具体实施方式并不以此为限。
63.除此以外，本领域技术人员可以根据实际情况对所述拉力机构11的类型以及所述连接板133和所述浮动板131之间的连接方式进行选择或更换，只要在本发明上述揭露的基础上，采用了与本发明相同或近似的技术方案，解决了与本发明相同或近似的技术问题，并且达到了与本发明相同或近似的技术效果，都属于本发明的保护范围之内，本发明的具体实施方式并不以此为限。
64.如图7所示，本发明进一步提供一种用于微纳米加工领域的脱模装置10的脱模方法，通过所述用于微纳米加工领域的脱模装置10使一柔性模具20脱离于一聚合物30的表面，所述用于微纳米加工领域的脱模方法包括以下步骤：
65.a：连接所述柔性模具20的第一端21，并固定所述柔性模具20的第二端22；
66.b：向上拉动所述柔性模具20的第一端21以使所述柔性模具20与所述聚合物30之间形成一夹角β；以及
67.c：带动所述柔性模具20的第一端21朝向所述柔性模具20的第二端22方向移动，以
使所述柔性模具20脱离于所述聚合物30的表面，其中所述柔性模具20在脱离的过程中与所述聚合物30之间的所述夹角β保持为60
°
。
68.其中，在所述步骤a中，是通过所述用于微纳米加工领域的脱模装置10中的所述浮动板131连接所述柔性模具20的第一端21，从而带动所述柔性模具20的第一端21移动。
69.在所述步骤b中，是通过所述用于微纳米加工领域的脱模装置10中的所述拉力机构11向上拉动所述脱模装置10中的膜框16，从而在所述柔性模具20与所述聚合物30之间形成所述夹角β。
70.在所述步骤c中，是通过所述用于微纳米加工领域的脱模装置10中的所述牵引机构13带动所述柔性模具20由所述柔性模具20第一端21方向朝向所述柔性模具20的第二端22方向移动，从而使所述柔性模具20被分离于所述聚合物30的表面的。
71.需要强调的是，在本发明所述的用于微纳米加工领域的脱模装置10的脱模方法的第一实施例中，所述拉力机构11和所述牵引机构13被设置为联动模式，从而使所述拉力机构11在向上拉动所述柔性模具20的第一端21的同时能够通过所述牵引机构13驱动所述浮动板131带动所述柔性模具20的第一端21朝向所述柔性模具20的第二端22运动，并且使所述柔性模具20和所述聚合物30之间的夹角β保持在恒定的60度。
72.除此以外，本领域技术人员可以根据实际情况，通过改变所述拉力机构11和所述牵引机构13之间的联动模式，从而改变所述柔性模具20和所述聚合物30之间的夹角β，比如改成45度等。只要在本发明上述揭露的基础上，采用了与本发明相同或近似的技术方案，解决了与本发明相同或近似的技术问题，并且达到了与本发明相同或近似的技术效果，都属于本发明的保护范围之内，本发明的具体实施方式并不以此为限。
73.本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。