專利名稱：一種在玻璃材料中制作微通道的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及納秒激光加工，特別是一種利用超聲波水輔助納秒激光在玻璃材 料中制備三維微通道的裝置，本實(shí)用新型適用于在各種玻璃材料內(nèi)部制備微納流體器件。
背景技術(shù)：
以微管道網(wǎng)絡(luò)為結(jié)構(gòu)特征的微流控芯片是當(dāng)前十分活躍的研究領(lǐng)域，在化學(xué)分 析、材料合成及細(xì)胞培養(yǎng)等領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。玻璃以其穩(wěn)定的上表面性質(zhì)、好的透光性及 弱的熒光背景成為普遍使用的微流控芯片材料。目前玻璃芯片的加工主要基于光刻和濕法 腐蝕，即利用光刻技術(shù)在犧牲層制作圖案窗口，繼而使用化學(xué)腐蝕溶液進(jìn)行腐蝕加工。對(duì) 于三維立體微通道的制備，還需要一系列諸如層疊和熔接等復(fù)雜的步驟。該方法所涉及的 光刻步驟需要昂貴的儀器和超凈室以及繁瑣的步驟，不利于在普通實(shí)驗(yàn)室中推廣；而且由 于玻璃屬于各向同性材料，通過(guò)該方法成型的微通道通常具有較小的深寬比(最大0. 5左 右)，這大大限制了玻璃的應(yīng)用范圍。飛秒激光是一種脈寬極窄(I(T15S)、峰值功率極高的超短脈沖激光。與長(zhǎng)脈沖激 光加工相比，飛秒激光加工精度高、熱影響區(qū)域小，而且還能加工透明材料。利用飛秒激光 微加工技術(shù)有望克服上述傳統(tǒng)加工技術(shù)所面臨的各種困難，直接在玻璃材料內(nèi)部加工出真 正的三維微通道。近年來(lái)，該技術(shù)引起了廣泛的重視，并得到飛速發(fā)展。采用飛秒激光輻照 輔以高溫?zé)崽幚砘蜻x擇性HF酸腐蝕的制備技術(shù)目前已在玻璃材料內(nèi)部加工出長(zhǎng)度為數(shù)厘 米、深寬比高達(dá)1000的三維微通道(參見(jiàn)文獻(xiàn):Y. Liao, Y. F. Ju, L. Zhang, et al.，Optics Letters, Vol. 35，No. 19，P3225, 2010 和 F. He, Y. Cheng, Ζ. Ζ. Xu, et al.，Optics Letters, Vol.35,No. 3,P282,2010)o但是該技術(shù)生產(chǎn)效率低，飛秒激光直寫加工速度只有數(shù)十μ m/ s，而且飛秒激光器價(jià)格昂貴，難以大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的問(wèn)題在于克服上述微通道制備技術(shù)所存在的生產(chǎn)效率低、成 本高和深寬比受限等缺點(diǎn)，提供一種在玻璃材料中制作微通道的裝置。本實(shí)用新型提供的一種在玻璃材料中制作微通道的裝置，其特征在于，該裝置包 括三維平臺(tái)、超聲波清洗機(jī)、支架和聚集鏡；超聲波清洗機(jī)在工作時(shí)固定在三維平臺(tái)的水平 工作臺(tái)上，用于安放待加工玻璃材料的支架放置于超聲波清洗機(jī)的腔體內(nèi)；聚集鏡固定在 三維平臺(tái)的垂直軸上，并位于支架的上方。與現(xiàn)有的技術(shù)相比較，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于1、與傳統(tǒng)的光刻、化學(xué)腐蝕等表面微加工技術(shù)相比，水輔助納秒激光制備微通道 的優(yōu)勢(shì)在于該技術(shù)不需要設(shè)計(jì)專門的光刻模板，不需要化學(xué)處理過(guò)程，后期不需要層疊和 熔接等工序，直接在玻璃內(nèi)部加工出三維微通道。2、與飛秒激光微加工技術(shù)相比，所采用的納秒激光器成本要低得多，而且加工速 度快，直寫速度可達(dá)到100mm/S，適合工業(yè)化應(yīng)用；[0009]3、通過(guò)控制激光光斑大小以及編程控制工作臺(tái)的直寫速度和距離，可以制備任意 深寬比的微通道，通道的直徑最小可達(dá)到4 μ m ；4、有水輔助，超聲波加強(qiáng)，通道的內(nèi)壁光潔度高；5、激光從玻璃樣品下表面開(kāi)始加工，飛濺物和等離子體不影響入射激光照射，可 以保證通道的縱向形貌均一(通道入口、內(nèi)部及出口尺寸高度一致)以及加工重復(fù)性。

圖1為本實(shí)用新型所使用的超聲波水輔助納秒激光刻寫裝置的示意圖；圖2為本實(shí)用新型利用超聲波水輔助納秒激光在玻璃中制備三維微通道的加工 示意圖。圖中，1為三維平臺(tái)，2為照明光源，3為超聲波清洗機(jī)，4為支架，5為納秒激光束， 6為聚集鏡，7為玻璃樣品，8為潔凈的水，9為鏡頭，10為CXD相機(jī)，11為超聲波發(fā)生器，12 為微通道，13為飛濺物。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案其實(shí)施步驟為①將待刻寫的玻璃樣品置于超聲波環(huán)境中，并使玻璃下表面浸沒(méi)在潔凈的水中， 玻璃上表面裸露在空氣中；將玻璃樣品下表面浸沒(méi)在潔凈的水(最好采用蒸餾水)中是因?yàn)楫?dāng)玻璃樣品與水 接觸，由于毛細(xì)管現(xiàn)象，水能流進(jìn)激光刻寫的微通道，帶走刻寫時(shí)產(chǎn)生的玻璃碎屑和等離子 體，從而避免材料的再沉積和阻塞，保證微通道管壁整潔通暢。利用超聲波清洗提高加工質(zhì)量，獲得高深寬比的微通道。激光刻蝕玻璃時(shí)與水接 觸會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的等離子體擴(kuò)張，從而產(chǎn)生很多水泡粘附在通道管壁上，如果不及時(shí)消除會(huì) 阻礙甚至終止激光刻蝕玻璃。玻璃是超聲波很好的導(dǎo)體，在水容器中很容易與超聲波耦合， 從而可借助超聲波來(lái)消除管壁上的水泡。具體原理是超聲波使水分子振動(dòng)產(chǎn)生無(wú)數(shù)微小氣 泡，這些微小氣泡在正壓區(qū)迅速閉合而瞬間高壓爆破，形成無(wú)數(shù)微觀高壓沖擊波作用于通 道管壁上，從而推動(dòng)管壁上的水泡向管口移動(dòng)，直至消失。②將由納秒激光器發(fā)出的激光通過(guò)數(shù)值孔徑NA為0. 25 0. 7的聚焦鏡聚焦，聚 焦的納秒激光脈沖垂直待刻寫的玻璃樣品的上表面入射，納秒激光脈沖的焦點(diǎn)位于玻璃樣 品下表面；選用高脈沖能量的納秒激光直寫，并用高數(shù)值孔徑的聚焦鏡，目的是在微小區(qū)域 獲得高的能量密度。聚焦后納秒激光的焦點(diǎn)附近具有超高電場(chǎng)強(qiáng)度，只要該值超過(guò)玻璃材 料的破壞閾值，即使玻璃材料本身在激光波長(zhǎng)處不存在本征吸收，也會(huì)因激光誘導(dǎo)的多光 子吸收、多光子離子化等非線性反應(yīng)，而導(dǎo)致玻璃材料的燒蝕。聚焦鏡的數(shù)值孔徑選擇根據(jù) 所要制備的三維微通道結(jié)構(gòu)以及尺寸要求而定。③按設(shè)定的掃描路徑從底往上移動(dòng)由納秒激光器發(fā)出的激光束，直至在玻璃內(nèi)部 直寫出三維微通道。所述的納秒激光的參數(shù)為脈寬5 30ns，波長(zhǎng)355 1064nm，脈沖頻 率1 IOOKHz，脈沖能量1 IOmJ0將納秒激光聚焦到玻璃樣品的下表面從底往上掃描，這樣做的目的是避免了激光與材料作用產(chǎn)生的等離子體對(duì)加工過(guò)程的影響以及裂紋的產(chǎn)生，保證了重復(fù)加工的一致 性。為了定位，在納秒激光入射到玻璃樣品下表面時(shí)，可以采用CCD相機(jī)監(jiān)測(cè)納秒激 光焦點(diǎn)在待刻寫玻璃材料下表面的位置。所述的玻璃樣品材料包括石英玻璃、硅酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃和氟化 物玻璃。如圖1所示，本實(shí)用新型提供的裝置包括三維平臺(tái)1、超聲波清洗機(jī)3、支架4和聚 集鏡6 ；工作時(shí)，超聲波清洗機(jī)3固定在三維平臺(tái)1的水平工作臺(tái)上。超聲波清洗機(jī)3的 腔體內(nèi)裝有潔凈的水8，超聲波發(fā)生器11安置在超聲波清洗機(jī)3底部，玻璃樣品7通過(guò)支 架4放置于腔體內(nèi)，并使玻璃樣品7的下表面浸沒(méi)在潔凈的水8中，上表面裸露在空氣中， 納秒激光束5通過(guò)聚集鏡6聚集于玻璃樣品7的下表面。聚集鏡6固定在三維平臺(tái)1的垂 直軸上。聚集鏡6通常采用數(shù)值孔徑NA為0. 25 0. 7的顯微鏡物鏡。超聲波清洗機(jī)的功 率范圍為5 50W，超聲頻率為20 60KHz。本實(shí)用新型裝置還可以增設(shè)用于定位的CXD 相機(jī)10和照明光源2，兩者分別位于玻璃樣品7的兩側(cè)。下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明，以便于對(duì)本實(shí)用新型及其要點(diǎn)的理 解，但不應(yīng)以此限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。實(shí)例1 現(xiàn)已硅酸鹽玻璃為例來(lái)說(shuō)明本實(shí)用新型方法，由圖1、2可見(jiàn)，本實(shí)用新型利用超 聲波水輔助納秒激光制備三維微通道的方法如下(1)將盛有蒸餾水的超聲波清洗機(jī)固定在三維平臺(tái)1的水平工作臺(tái)上，超聲波清 洗機(jī)3機(jī)身為透明材質(zhì)，功率為50W，頻率20KHz。(2)將硅酸鹽玻璃樣品(尺寸為13mmX5mmX2mm)固定在超聲波清洗機(jī)中的支架 4上，玻璃樣品7下表面浸沒(méi)在蒸餾水中，上表面裸露在空氣中，同時(shí)將CCD相機(jī)10連接到 計(jì)算機(jī)上以便定位和實(shí)時(shí)觀察加工過(guò)程；(3)采用中心波長(zhǎng)為1064nm、脈沖寬度為6ns、重復(fù)頻率為40kHz、脈沖能量可達(dá) 4mJ的納秒激光作為刻寫激光束，調(diào)整好能量的納秒激光束5由顯微鏡物鏡(NA = 0. 45，工 作距離為19. 5mm)聚焦，聚焦的納秒激光束垂直入射到玻璃7的上表面，由CXD相機(jī)10監(jiān)測(cè) 光斑在玻璃內(nèi)的定位，通過(guò)調(diào)節(jié)移動(dòng)平臺(tái)使納秒激光束的焦點(diǎn)達(dá)到石英玻璃下表面上。聚 焦后的光斑直徑為8 μ m ；CXD相機(jī)10為高速相機(jī)，幀速率為1000幀/秒，配5 X鏡頭9。(4)開(kāi)啟超聲波清洗機(jī)電源，打開(kāi)激光光閘，通過(guò)控制移動(dòng)平臺(tái)按預(yù)設(shè)三維移動(dòng)路 徑從底往上移動(dòng)從而帶動(dòng)樣品相對(duì)于激光焦點(diǎn)移動(dòng)(如圖2所示)，直至三維微通道結(jié)構(gòu)形 成。樣品中被激光聚焦照射的地方會(huì)被燒蝕，形成通道12，飛濺物13從底部飛出并融入水 中。三維平臺(tái)的移動(dòng)速度為200 μ m/s，加工后的微通道直徑約為10 μ m,深度為2000 μ m,深 寬比為200。實(shí)例2-4 實(shí)例2-4采用表一中的器件和工藝參數(shù)，按照實(shí)例1相同的工作過(guò)程進(jìn)行，加工后 的微通道參數(shù)如表二所示。[0037]表一實(shí)例2-4所采用的工藝參數(shù)
實(shí)例23權(quán)利要求1.一種在玻璃材料中制作微通道的裝置，其特征在于，該裝置包括三維平臺(tái)、超聲波 清洗機(jī)、支架和聚集鏡；超聲波清洗機(jī)在工作時(shí)固定在三維平臺(tái)的水平工作臺(tái)上，用于安 放待加工玻璃材料的支架放置于超聲波清洗機(jī)的腔體內(nèi)；聚集鏡固定在三維平臺(tái)的垂直軸 上，并位于支架的上方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1述的裝置，其特征在于，該裝置還包括分別位于支架兩側(cè)的CCD相機(jī) 和照明光源。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種在玻璃材料中制作微通道的裝置，該裝置包括三維平臺(tái)、超聲波清洗機(jī)、支架和聚集鏡。工作時(shí)，超聲波清洗機(jī)固定在三維平臺(tái)上；玻璃樣品通過(guò)支架放置于超聲波清洗機(jī)腔體內(nèi)，聚集鏡固定在三維平臺(tái)的垂直軸上。首先將待刻寫的玻璃樣品置于超聲波環(huán)境中，并使玻璃下表面浸沒(méi)在潔凈的水中，玻璃上表面裸露在空氣中；然后將由納秒激光器發(fā)出的激光通過(guò)聚焦鏡聚焦，聚焦的納秒激光脈沖垂直待刻寫的玻璃樣品的上表面入射，納秒激光脈沖的焦點(diǎn)位于玻璃樣品下表面；最后按預(yù)先設(shè)定的掃描路徑從底往上移動(dòng)由納秒激光器發(fā)出的激光束，直至在玻璃內(nèi)部直寫出三維微通道。本實(shí)用新型克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的生產(chǎn)效率低、成本高和深寬比受限等缺點(diǎn)。
文檔編號(hào)C03B33/08GK201901642SQ201020628660
公開(kāi)日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2010年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月26日
發(fā)明者曾曉雁, 段軍, 胡乾午, 蔡志祥 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)