專(zhuān)利名稱(chēng)：一種三維微結(jié)構(gòu)制備成型方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三維微結(jié)構(gòu)制備成型方法及系統(tǒng)，用于點(diǎn)、柱、線(xiàn)、面、體等微結(jié)構(gòu)的快速制備。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，科學(xué)技術(shù)的一個(gè)重要趨勢(shì)是朝小尺寸、大容量、高速度和低能耗方向快速發(fā)展，人類(lèi)對(duì)微觀世界的探索已逐漸由微米技術(shù)向納米技術(shù)延伸，由此推動(dòng)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步。微納米技術(shù)是新世紀(jì)各主要國(guó)家優(yōu)先規(guī)劃發(fā)展的核心科技，隨著微納米技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)微納米加工制備技術(shù)也提出了更高要求。其中，三維微結(jié)構(gòu)的加工制備是一個(gè)很重要方面，它在微電子學(xué)、微光學(xué)、微機(jī)械學(xué)、微流體力學(xué)等領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用價(jià)值，如微光學(xué)元件、光柵器件、光子晶體元件、微電路、微光學(xué)電子機(jī)械系統(tǒng)、微流腔、微流泵、微馬達(dá)、微驅(qū)動(dòng)器、微傳感器等。這些微結(jié)構(gòu)器件的加工制備，主要依靠傳統(tǒng)的紫外光刻、離子束刻蝕、電子束刻蝕、LIGA工藝等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。雖然它們?cè)谠S多方面具有優(yōu)越性，特別是在微電子產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域獲得了巨大成功，但其設(shè)備昂貴、制作過(guò)程復(fù)雜、操作繁瑣、大多數(shù)需要掩模等局限性也是顯而易見(jiàn)的；對(duì)于三維微納米結(jié)構(gòu)制備而言，這些傳統(tǒng)的工藝技術(shù)也并不都直接適用，有的即使適用也存在制備效率低、成本高、需模板等問(wèn)題。此外，上述刻蝕技術(shù)需采用紫外、深紫外、X射線(xiàn)等光源，甚至需要昂貴的同步輻射源，這些也限制了它們的應(yīng)用范疇。為此，我們研究發(fā)展了基于激光光致熱塑效應(yīng)的三維微結(jié)構(gòu)制備成型技術(shù)及系統(tǒng)，以解決低成本、高效率、易操作、無(wú)需模板的三維微結(jié)構(gòu)制備成型技術(shù)這一關(guān)鍵問(wèn)題，并根據(jù)國(guó)情盡可能提高儀器的性能/價(jià)格比，為促進(jìn)我國(guó)納米技術(shù)的發(fā)展和普及作出了貢獻(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種三維微結(jié)構(gòu)制備成型方法及系統(tǒng)。
三維微結(jié)構(gòu)制備成型方法在充滿(mǎn)蒸餾水的容器中放置熱塑性材料，激光束透過(guò)蒸餾水水體后聚焦到熱塑性材料表面，產(chǎn)生一個(gè)微小的熱融區(qū)，熱融區(qū)的熱塑性材料將沿著光軸向蒸餾水水體四周膨脹生長(zhǎng)，并受蒸餾水水體的冷卻而成型；在熱塑性材料表面制備出底部稍大的凸起微結(jié)構(gòu)，移動(dòng)激光束，制備三維微結(jié)構(gòu)。
所述的熱塑性材料為石蠟、塑料或樹(shù)脂。
三維微結(jié)構(gòu)制備成型系統(tǒng)具有相連接的計(jì)算機(jī)、D/A接口、低壓放大器、高壓放大器、微結(jié)構(gòu)加工核心單元，激光器、電源及控制電路。微結(jié)構(gòu)加工核心單元，激光器具有透明有機(jī)玻璃平臺(tái)，液體容器，熱塑性材料，液體進(jìn)口，液體出口，蒸餾水，XY移動(dòng)平臺(tái)，在XY移動(dòng)平臺(tái)上設(shè)有液體容器，液體容器底部放置熱塑性材料，熱塑性材料上方依次設(shè)有透明有機(jī)玻璃平臺(tái)、激光器，液體容器側(cè)壁設(shè)有液體進(jìn)口，液體出口，液體容器充滿(mǎn)蒸餾水。
本發(fā)明利用熱塑性材料在激光照射下產(chǎn)生熱塑膨脹的效應(yīng)，快速制備出各種三維微結(jié)構(gòu)。用Nd:YAG激光器作光源，波長(zhǎng)1064nm，功率1～10W可調(diào)節(jié)，用透鏡組將激光聚焦成約30μm的光斑。為消除掃描等引起的液面輕微晃動(dòng)對(duì)光斑定位的影響，設(shè)置與激光光路連接的透明有機(jī)玻璃片，半浸沒(méi)在水中，四周形成月牙形的表面張力界面。即使液面晃動(dòng)，激光束的空氣-玻璃-水-樣品光路也不受任何影響。由于有機(jī)玻璃和水是透明的，且激光通過(guò)時(shí)尚未聚焦，因此對(duì)它們沒(méi)有影響。如果必要，制備暫停時(shí)蒸餾水可通過(guò)進(jìn)口和出口在線(xiàn)循環(huán)，以調(diào)節(jié)控制水溫。
材料樣品固定在充滿(mǎn)蒸餾水的小液體池底部，小液體池固定在XY掃描工作臺(tái)上。掃描工作臺(tái)包括上層的疊片式壓電陶瓷掃描器和下層的步進(jìn)電機(jī)掃描器兩層，分別用于小范圍和較大范圍的掃描，制備不同尺寸和精度的微結(jié)構(gòu)。通過(guò)計(jì)算機(jī)編程可任意控制掃描路徑和掃描速度，加工制備出所需形狀的三維微結(jié)構(gòu)。


圖1是三維微結(jié)構(gòu)制備成型方法原理示意圖；圖2是三維微結(jié)構(gòu)制備成型系統(tǒng)方框圖；圖3是本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)加工核心單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的掃描軟件程序流程圖。
具體實(shí)施例方式
三維微結(jié)構(gòu)的加工制備技術(shù)直接影響微光學(xué)元件、光柵器件、光子晶體元件、微電路、MOEMS器件、微流槽、微流泵、微馬達(dá)、微驅(qū)動(dòng)器、微傳感器等的質(zhì)量。本發(fā)明的目的是研究發(fā)展新的基于熱塑性材料的熱塑膨脹效應(yīng)的三維微結(jié)構(gòu)制備成型技術(shù)及系統(tǒng)。
圖1所示是利用熱塑膨脹效應(yīng)的三維微結(jié)構(gòu)制備成型方法原理示意圖。在充滿(mǎn)蒸餾水的容器中放置熱塑性較好的材料樣品，如石蠟、塑料、樹(shù)脂等；激光束透過(guò)水體后聚焦到樣品表面，產(chǎn)生一個(gè)微小的熱融(而非燒蝕)區(qū)[圖1(a)]；由于熱力學(xué)作用，熱融區(qū)材料將沿著光軸向自由空間(水體)快速膨脹生長(zhǎng)，并受水體的冷卻而成型[圖1(b)]；在樣品表面將制備出底部稍大的凸起微結(jié)構(gòu)，同理進(jìn)行后續(xù)的制備[圖1(c)]。膨脹效應(yīng)僅限于光斑區(qū)，因此微結(jié)構(gòu)的線(xiàn)寬與光斑直徑大致處于同一量級(jí)，高度主要取決于照射時(shí)間。利用該方法制備的最基本的微結(jié)構(gòu)單元是點(diǎn)或柱。只要控制樣品相對(duì)于激光束作橫向掃描，就能制備出不同的點(diǎn)、柱、線(xiàn)、壁、面和三維立體微結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制掃描路徑可獲得更復(fù)雜的三維微結(jié)構(gòu)。
如圖2、3所示，三維微結(jié)構(gòu)制備成型系統(tǒng)具有相連接的計(jì)算機(jī)、D/A接口、低壓放大器、高壓放大器、微結(jié)構(gòu)加工核心單元，激光器、電源及控制電路。微結(jié)構(gòu)加工核心單元，激光器具有透明有機(jī)玻璃平臺(tái)1，液體容器4，熱塑性材料5，液體進(jìn)口3，液體出口7，蒸餾水2，XY移動(dòng)平臺(tái)6，在XY移動(dòng)平臺(tái)上設(shè)有液體容器，液體容器底部放置熱塑性材料，熱塑性材料上方依次設(shè)有透明有機(jī)玻璃平臺(tái)、激光器8，液體容器側(cè)壁設(shè)有液體進(jìn)口，液體出口，液體容器充滿(mǎn)蒸餾水。
根據(jù)微結(jié)構(gòu)加工核心單元的加工材料以及要加工的微結(jié)構(gòu)大小來(lái)選擇激光器的功率；掃描控制單元由高低壓控制電路及D/A接口和計(jì)算機(jī)及控制軟件組成，按照所要加工的微結(jié)構(gòu)的形狀及大小來(lái)控制微結(jié)構(gòu)加工核心單元的移動(dòng)速度和路經(jīng)。
用Nd:YAG激光器作光源，波長(zhǎng)1064nm，功率1～10W可調(diào)節(jié)，用透鏡組將激光聚焦成約30μm的光斑。為消除掃描等引起的液面輕微晃動(dòng)對(duì)光斑定位的影響，設(shè)置與激光光路連接的透明有機(jī)玻璃片，半浸沒(méi)在水中，四周形成月牙形的表面張力界面。即使液面晃動(dòng)，激光束的空氣-玻璃-水-樣品光路也不受任何影響。由于有機(jī)玻璃和水是透明的，且激光通過(guò)時(shí)尚未聚焦，因此對(duì)它們沒(méi)有影響。如果必要，制備暫停時(shí)蒸餾水可通過(guò)進(jìn)口和出口在線(xiàn)循環(huán)，以調(diào)控水溫。
材料樣品固定在充滿(mǎn)蒸餾水的小液體池底部，小液體池固定在XY掃描工作臺(tái)上。掃描工作臺(tái)包括上層的疊片式壓電陶瓷掃描器和下層的步進(jìn)電機(jī)掃描器兩層，分別用于小范圍和較大范圍的掃描，制備不同尺寸和精度的微結(jié)構(gòu)。通過(guò)計(jì)算機(jī)編程可任意控制掃描路徑和掃描速度，加工制備出所需形狀的三維微結(jié)構(gòu)。
微結(jié)構(gòu)的線(xiàn)寬和縱橫比，主要由激光參數(shù)決定。激光功率給定時(shí)，線(xiàn)寬取決于光斑直徑，縱橫比取決于照射時(shí)間，在一定范圍內(nèi)，縱橫比隨照射時(shí)間增大而增大；而照射時(shí)間又實(shí)際取決于XY掃描速度。本發(fā)明的技術(shù)指標(biāo)是線(xiàn)寬在1～100μm內(nèi)可調(diào)，制備速度在10～100μm/s內(nèi)可控，最大縱橫比達(dá)到6∶1，達(dá)到了設(shè)備簡(jiǎn)潔、易操作、低成本、高效率、無(wú)需掩模的三維微結(jié)構(gòu)制備成型的目標(biāo)。
圖4是本發(fā)明的掃描軟件程序流程圖。軟件初始化后，根據(jù)需要導(dǎo)入所需圖形，并把象素坐標(biāo)映射為XY電壓幅值，作適當(dāng)延時(shí)后輸出XY驅(qū)動(dòng)電壓，然后再準(zhǔn)備下一個(gè)象素的轉(zhuǎn)換并輸出相應(yīng)的電壓幅值，這樣循環(huán)，最終輸出所需的路徑，控制掃瞄器工作。
權(quán)利要求
1.一種三維微結(jié)構(gòu)制備成型方法，其特征在于在充滿(mǎn)蒸餾水的容器中放置熱塑性材料，激光束透過(guò)蒸餾水水體后聚焦到熱塑性材料表面，產(chǎn)生一個(gè)微小的熱融區(qū)，熱融區(qū)的熱塑性材料將沿著光軸向蒸餾水水體四周膨脹生長(zhǎng)，并受蒸餾水水體的冷卻而成型；在熱塑性材料表面制備出底部稍大的凸起微結(jié)構(gòu)，移動(dòng)激光束，制備三維微結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維微結(jié)構(gòu)制備成型方法，其特征在于所述的熱塑性材料為石蠟、塑料或樹(shù)脂。
3.一種三維微結(jié)構(gòu)制備成型系統(tǒng)，其特征在于它具有相連接的計(jì)算機(jī)、D/A接口、低壓放大器、高壓放大器、微結(jié)構(gòu)加工核心單元，激光器、電源及控制電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種三維微結(jié)構(gòu)制備成型系統(tǒng)，其特征在于所說(shuō)的微結(jié)構(gòu)加工核心單元，激光器具有透明有機(jī)玻璃平臺(tái)(1)，液體容器(4)，熱塑性材料(5)，液體進(jìn)口(3)，液體出口(7)，蒸餾水(2)，XY移動(dòng)平臺(tái)(6)，在XY移動(dòng)平臺(tái)上設(shè)有液體容器，液體容器底部放置熱塑性材料，熱塑性材料上方依次設(shè)有透明有機(jī)玻璃平臺(tái)、激光器(8)，液體容器側(cè)壁設(shè)有液體進(jìn)口，液體出口，液體容器充滿(mǎn)蒸餾水。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種三維微結(jié)構(gòu)制備成型方法及系統(tǒng)。三維微結(jié)構(gòu)制備成型系統(tǒng)具有相連接的計(jì)算機(jī)、D/A接口、低壓放大器、高壓放大器、微結(jié)構(gòu)加工核心單元，激光器、電源及控制電路。微結(jié)構(gòu)加工核心單元，激光器具有透明有機(jī)玻璃平臺(tái)，液體容器，熱塑性材料，液體進(jìn)口，液體出口，蒸餾水，XY移動(dòng)平臺(tái)。本發(fā)明可對(duì)各種熱塑性材料制備微點(diǎn)陣、微柱陣、微線(xiàn)陣、微光學(xué)元件、微機(jī)械元件、微流體學(xué)元件等三維微結(jié)構(gòu)，制備的結(jié)構(gòu)線(xiàn)寬在1～100um量級(jí)內(nèi)可調(diào)、縱橫比可控(最大6∶1)。可望在微光學(xué)技術(shù)、微機(jī)械、微電子技術(shù)、MOEMS及微納米技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
文檔編號(hào)B82B3/00GK1850581SQ20061005067
公開(kāi)日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2006年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月11日
發(fā)明者章海軍, 何玉琳, 張冬仙 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)