本發(fā)明涉及微納結(jié)構(gòu)制造，尤其涉及一種微納空腔結(jié)構(gòu)的成型方法。

背景技術(shù)：

1、空腔是一種廣泛應(yīng)用于傳感領(lǐng)域的微納結(jié)構(gòu)，利用空氣層形成的密閉環(huán)境可以顯著提高傳感器的探測(cè)靈敏度和工作穩(wěn)定性。例如，在光纖傳感領(lǐng)域，在光纖端部設(shè)空腔可以形成光學(xué)干涉；當(dāng)光波進(jìn)入空腔并在其兩端反射時(shí)，反射光波之間的相位差會(huì)隨空腔長(zhǎng)度的變化而變化，從而形成可用于信號(hào)探測(cè)的干涉條紋。在超聲探測(cè)領(lǐng)域，空腔對(duì)聲波具有反射和諧振作用；超聲波進(jìn)入空腔后在其內(nèi)部反射，反射波的相位和幅度變化可用于測(cè)量聲波特性。而通過縮小空腔結(jié)構(gòu)的體積可以實(shí)現(xiàn)更高的集成度，使傳感器設(shè)備更小型化，便于集成到復(fù)雜系統(tǒng)中。因此，提高空腔結(jié)構(gòu)的加工精度和成型自由度，開發(fā)新型微納空腔封裝工藝，對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的研究具有重要意義。

2、目前，空腔結(jié)構(gòu)的加工主要通過犧牲層實(shí)現(xiàn)，利用光刻和選擇性刻蝕去除犧牲材料，從而在封閉的結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成空腔。這種方法廣泛應(yīng)用于微電子機(jī)械系統(tǒng)中，但該方法主要基于二維平面工藝，如光刻和各向異性刻蝕，難以直接實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。雖然可以通過多層沉積和刻蝕步驟實(shí)現(xiàn)一定的三維結(jié)構(gòu)，但這些步驟增加了工藝的復(fù)雜性和難度。除此以外，也有通過吹泡法、熔接法、拉伸放電法等方法在光纖上制備微納空腔的方法。這些加工方法僅能實(shí)現(xiàn)單一結(jié)構(gòu)的加工，不具備對(duì)空腔結(jié)構(gòu)形狀的三維控制能力。

3、可見，目前實(shí)現(xiàn)微納空腔結(jié)構(gòu)三維成型和制備的限制主要包括以下幾個(gè)問題：

4、(1)成型方法限制。微納空腔結(jié)構(gòu)的尺寸通常在微米甚至納米級(jí)別，對(duì)加工精度的要求極高，通過機(jī)械對(duì)準(zhǔn)或吹泡等方式難以制備高精度的空前高結(jié)構(gòu)。

5、(2)加工自由度限制?；诎雽?dǎo)體的微納加工技術(shù)，如電子束光刻、聚焦離子束和深反應(yīng)離子刻蝕等，通常是基于平面的加工方法，難以在三維空間內(nèi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)加工，限制了結(jié)構(gòu)的成型自由度。

6、綜上所述，目前尚無能夠?qū)崿F(xiàn)三維微納空腔結(jié)構(gòu)制備和封裝的有效方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提出了一種微納空腔結(jié)構(gòu)的成型方法，解決目前實(shí)現(xiàn)微納空腔結(jié)構(gòu)三維成型和制備技術(shù)存在成型方法限制及加工自由度限制的問題。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：本發(fā)明提供了一種微納空腔結(jié)構(gòu)的成型方法，包括以下步驟，步驟一，在一待成型表面上通過激光直寫技術(shù)成型出空腔結(jié)構(gòu)，空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)部開設(shè)有腔體，空腔結(jié)構(gòu)表面上開設(shè)有若干通孔，通孔連通在腔體與外界環(huán)境之間；步驟二，在空腔結(jié)構(gòu)外表面上通過激光直寫技術(shù)成型出封閉結(jié)構(gòu)，封閉結(jié)構(gòu)貼覆在空腔結(jié)構(gòu)外表面上，封閉結(jié)構(gòu)同時(shí)封閉若干通孔。

3、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，在步驟一中，在成型出空腔結(jié)構(gòu)后，在空腔結(jié)構(gòu)開設(shè)通孔的表面上進(jìn)行表面處理并形成有改性層，改性層提升空腔結(jié)構(gòu)外表面的粘附性。

4、更進(jìn)一步優(yōu)選的，改性層的厚度為5～50nm。

5、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，在步驟二中，在成型出封閉結(jié)構(gòu)后，在空腔結(jié)構(gòu)及封閉結(jié)構(gòu)的外表面上進(jìn)行表面處理并形成有增強(qiáng)層，增強(qiáng)層提升空腔結(jié)構(gòu)的密封性。

6、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，若干通孔的形狀及內(nèi)徑各不相同。

7、更進(jìn)一步優(yōu)選的，通孔為多邊形或者橢圓形。

8、更進(jìn)一步優(yōu)選的，通孔的內(nèi)徑不大于10μm。

9、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，空腔結(jié)構(gòu)的外輪廓為立柱形或者球形。

10、更進(jìn)一步優(yōu)選的，空腔結(jié)構(gòu)為立柱形時(shí)，空腔結(jié)構(gòu)沿待成型表面的垂直方向的其中一端為端面，空腔結(jié)構(gòu)環(huán)繞待成型表面的垂直方向的壁面為外周壁，若干通孔布設(shè)在端面上或者外周壁上。

11、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，待成型面為光纖傳感器的光纖端面。

12、本發(fā)明的一種微納空腔結(jié)構(gòu)的成型方法相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有以下有益效果：

13、(1)本發(fā)明先成型出帶孔的空腔結(jié)構(gòu)，再在空腔結(jié)構(gòu)表面成型出封閉結(jié)構(gòu)來蓋住通孔，能夠?qū)崿F(xiàn)微納空腔的高精度三維結(jié)構(gòu)成型，這種成型方法使空腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠具有極高自由度，并大幅降低了空腔成型難度。

14、(2)本發(fā)明空腔結(jié)構(gòu)表面設(shè)置改性層，能夠大幅提升空腔結(jié)構(gòu)表面與封閉結(jié)構(gòu)的粘結(jié)強(qiáng)度，再通過在空腔機(jī)構(gòu)外表面設(shè)置增強(qiáng)層，使增強(qiáng)層填滿封閉結(jié)構(gòu)與空腔結(jié)構(gòu)外表面接觸的縫隙，大幅提升了空腔結(jié)構(gòu)成型后的密封性，實(shí)現(xiàn)了空腔結(jié)構(gòu)的抗液體侵入設(shè)計(jì)和封裝方法，并通過不同通孔內(nèi)徑及形狀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和表面張力控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣層的有效密封，降低了微納空腔結(jié)構(gòu)的封裝難度。

15、(3)本發(fā)明提出的微納空腔結(jié)構(gòu)成型方法，可以與光纖等器件靈活適配，從而降低傳感器件的集成難度，并提高傳感器功能設(shè)計(jì)的自由度。

技術(shù)特征：

1.一種微納空腔結(jié)構(gòu)的成型方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微納空腔結(jié)構(gòu)的成型方法，其特征在于：在所述步驟一中，在成型出所述空腔結(jié)構(gòu)(1)后，在所述空腔結(jié)構(gòu)(1)開設(shè)通孔(102)的表面上進(jìn)行表面處理并形成有改性層(3)，所述改性層(3)提升空腔結(jié)構(gòu)(1)外表面的粘附性。

3.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種微納空腔結(jié)構(gòu)的成型方法，其特征在于：所述改性層(3)的厚度為5～50nm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微納空腔結(jié)構(gòu)的成型方法，其特征在于：在所述步驟二中，在成型出所述封閉結(jié)構(gòu)(2)后，在所述空腔結(jié)構(gòu)(1)及封閉結(jié)構(gòu)(2)的外表面上進(jìn)行表面處理并形成有增強(qiáng)層(4)，所述增強(qiáng)層(4)提升空腔結(jié)構(gòu)(1)的密封性。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微納空腔結(jié)構(gòu)的成型方法，其特征在于：若干所述通孔(102)的形狀及內(nèi)徑各不相同。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種微納空腔結(jié)構(gòu)的成型方法，其特征在于：所述通孔(102)為多邊形或者橢圓形。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種微納空腔結(jié)構(gòu)的成型方法，其特征在于：所述通孔(102)的內(nèi)徑不大于10μm。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微納空腔結(jié)構(gòu)的成型方法，其特征在于：所述空腔結(jié)構(gòu)(1)的外輪廓為立柱形或者球形。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種微納空腔結(jié)構(gòu)的成型方法，其特征在于：所述空腔結(jié)構(gòu)(1)為立柱形時(shí)，所述空腔結(jié)構(gòu)(1)沿待成型表面的垂直方向的其中一端為端面，所述空腔結(jié)構(gòu)(1)環(huán)繞待成型表面的垂直方向的壁面為外周壁，若干所述通孔(102)布設(shè)在端面上或者外周壁上。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微納空腔結(jié)構(gòu)的成型方法，其特征在于：所述待成型面為光纖傳感器的光纖端面。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出了一種微納空腔結(jié)構(gòu)的成型方法，屬于微納結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域，在一待成型表面上通過激光直寫技術(shù)成型出空腔結(jié)構(gòu)，空腔結(jié)構(gòu)表面上開設(shè)有若干通孔，通孔連通在腔體與外界環(huán)境之間；在空腔結(jié)構(gòu)外表面上通過激光直寫技術(shù)成型出封閉結(jié)構(gòu)，封閉結(jié)構(gòu)貼覆在空腔結(jié)構(gòu)外表面上，封閉結(jié)構(gòu)同時(shí)封閉若干通孔；通過先成型出帶孔的空腔結(jié)構(gòu)，再在空腔結(jié)構(gòu)表面成型出封閉結(jié)構(gòu)來蓋住通孔，能夠?qū)崿F(xiàn)微納空腔的高精度三維結(jié)構(gòu)成型，這種成型方法使空腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠具有極高自由度，并大幅降低了空腔成型難度。

技術(shù)研發(fā)人員：熊偉,范旭浩,孫琪真,高輝,李良曄,李宗璟,王安琪
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華中科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17