專利名稱：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、柱、線、面、體等微結(jié)構(gòu)的快速制備。
背景技術(shù)：
近年來，科學技術(shù)的一個重要趨勢是朝小尺寸、大容量、高速度和低能耗方向快速發(fā)展，人類對微觀世界的探索已逐漸由微米技術(shù)向納米技術(shù)延伸，由此推動了國民經(jīng)濟和人類社會的進步。微納米技術(shù)是新世紀各主要國家優(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)的加工制備是一個很重要方面，它在微電子學、微光學、微機械學、微流體力學等領域具有十分廣泛的應用價值，如微光學元件、光柵器件、光子晶體元件、微電路、微光學電子機械系統(tǒng)、微流腔、微流泵、微馬達、微驅(qū)動器、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)實現(xiàn)。雖然它們在許多方面具有優(yōu)越性，特別是在微電子產(chǎn)業(yè)領域獲得了巨大成功，但其設備昂貴、制作過程復雜、操作繁瑣、大多數(shù)需要掩模等局限性也是顯而易見的；對于三維微納米結(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、需模板等問題。此外，上述刻蝕技術(shù)需采用紫外、深紫外、X射線等光源，甚至需要昂貴的同步輻射源，這些也限制了它們的應用范疇。為此，我們研究發(fā)展了基于激光光致熱塑效應的三維微結(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、無需模板的三維微結(jié)構(gòu)制備成型技術(shù)這一關(guān)鍵問題，并根據(jù)國情盡可能提高儀器的性能/價格比，為促進我國納米技術(shù)的發(fā)展和普及作出了貢獻。

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蒸餾水的容器中放置熱塑性材料，激光束透過蒸餾水水體后聚焦到熱塑性材料表面，產(chǎn)生一個微小的熱融區(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，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、塑料或樹脂。
三維微結(jié)構(gòu)制備成型系統(tǒng)具有相連接的計算機、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玻璃平臺，液體容器，熱塑性材料，液體進口，液體出口，蒸餾水，XY移動平臺，在XY移動平臺上設有液體容器，液體容器底部放置熱塑性材料，熱塑性材料上方依次設有透明有機玻璃平臺、激光器，液體容器側(cè)壁設有液體進口，液體出口，液體容器充滿蒸餾水。
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，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對光斑定位的影響，設置與激光光路連接的透明有機玻璃片，半浸沒在水中，四周形成月牙形的表面張力界面。即使液面晃動，激光束的空氣-玻璃-水-樣品光路也不受任何影響。由于有機玻璃和水是透明的，且激光通過時尚未聚焦，因此對它們沒有影響。如果必要，制備暫停時蒸餾水可通過進口和出口在線循環(huán)，以調(diào)節(jié)控制水溫。
材料樣品固定在充滿蒸餾水的小液體池底部，小液體池固定在XY掃描工作臺上。掃描工作臺包括上層的疊片式壓電陶瓷掃描器和下層的步進電機掃描器兩層，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)。通過計算機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、微驅(qū)動器、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的三維微結(jié)構(gòu)制備成型方法原理示意圖。在充滿蒸餾水的容器中放置熱塑性較好的材料樣品，如石蠟、塑料、樹脂等；激光束透過水體后聚焦到樣品表面，產(chǎn)生一個微小的熱融(而非燒蝕)區(qū)[圖1(a)]；由于熱力學作用，熱融區(qū)材料將沿著光軸向自由空間(水體)快速膨脹生長，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)，同理進行后續(xù)的制備[圖1(c)]。膨脹效應僅限于光斑區(qū)，因此微結(jié)構(gòu)的線寬與光斑直徑大致處于同一量級，高度主要取決于照射時間。利用該方法制備的最基本的微結(jié)構(gòu)單元是點或柱。只要控制樣品相對于激光束作橫向掃描，就能制備出不同的點、柱、線、壁、面和三維立體微結(jié)構(gòu)，通過控制掃描路徑可獲得更復雜的三維微結(jié)構(gòu)。
如圖2、3所示，三維微結(jié)構(gòu)制備成型系統(tǒng)具有相連接的計算機、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玻璃平臺1，液體容器4，熱塑性材料5，液體進口3，液體出口7，蒸餾水2，XY移動平臺6，在XY移動平臺上設有液體容器，液體容器底部放置熱塑性材料，熱塑性材料上方依次設有透明有機玻璃平臺、激光器8，液體容器側(cè)壁設有液體進口，液體出口，液體容器充滿蒸餾水。
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接口和計算機及控制軟件組成，按照所要加工的微結(jié)構(gòu)的形狀及大小來控制微結(jié)構(gòu)加工核心單元的移動速度和路經(jīng)。
用Nd:YAG激光器作光源，波長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對光斑定位的影響，設置與激光光路連接的透明有機玻璃片，半浸沒在水中，四周形成月牙形的表面張力界面。即使液面晃動，激光束的空氣-玻璃-水-樣品光路也不受任何影響。由于有機玻璃和水是透明的，且激光通過時尚未聚焦，因此對它們沒有影響。如果必要，制備暫停時蒸餾水可通過進口和出口在線循環(huán)，以調(diào)控水溫。
材料樣品固定在充滿蒸餾水的小液體池底部，小液體池固定在XY掃描工作臺上。掃描工作臺包括上層的疊片式壓電陶瓷掃描器和下層的步進電機掃描器兩層，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)。通過計算機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)的線寬和縱橫比，主要由激光參數(shù)決定。激光功率給定時，線寬取決于光斑直徑，縱橫比取決于照射時間，在一定范圍內(nèi)，縱橫比隨照射時間增大而增大；而照射時間又實際取決于XY掃描速度。本發(fā)明的技術(shù)指標是線寬在1～100μm內(nèi)可調(diào)，制備速度在10～100μm/s內(nèi)可控，最大縱橫比達到6∶1，達到了設備簡潔、易操作、低成本、高效率、無需掩模的三維微結(jié)構(gòu)制備成型的目標。
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)需要導入所需圖形，并把象素坐標映射為XY電壓幅值，作適當延時后輸出XY驅(qū)動電壓，然后再準備下一個象素的轉(zhuǎn)換并輸出相應的電壓幅值，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，其特征在于在充滿蒸餾水的容器中放置熱塑性材料，激光束透過蒸餾水水體后聚焦到熱塑性材料表面，產(chǎn)生一個微小的熱融區(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，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算機、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)，其特征在于所說的微結(jié)構(gòu)加工核心單元，激光器具有透明有機玻璃平臺(1)，液體容器(4)，熱塑性材料(5)，液體進口(3)，液體出口(7)，蒸餾水(2)，XY移動平臺(6)，在XY移動平臺上設有液體容器，液體容器底部放置熱塑性材料，熱塑性材料上方依次設有透明有機玻璃平臺、激光器(8)，液體容器側(cè)壁設有液體進口，液體出口，液體容器充滿蒸餾水。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三維微結(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)具有相連接的計算機、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玻璃平臺，液體容器，熱塑性材料，液體進口，液體出口，蒸餾水，XY移動平臺。本發(fā)明可對各種熱塑性材料制備微點陣、微柱陣、微線陣、微光學元件、微機械元件、微流體學元件等三維微結(jié)構(gòu)，制備的結(jié)構(gòu)線寬在1～100um量級內(nèi)可調(diào)、縱橫比可控(最大6∶1)。可望在微光學技術(shù)、微機械、微電子技術(shù)、MOEMS及微納米技術(shù)等領域得到廣泛應用。
文檔編號B82B3/00GK1850581SQ20061005067
公開日2006年10月25日 申請日期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 申請人:浙江大學