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)腐蝕溶液進行腐蝕加工。對 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，不利于在普通實驗室中推廣；而且由 于玻璃屬于各向同性材料，通過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，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)部加工出長度為數(shù)厘 米、深寬比高達1000的三維微通道(參見文獻: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，而且飛秒激光器價格昂貴，難以大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型要解決的問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，提供一種在玻璃材料中制作微通道的裝置。本實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、超聲波清洗機、支架和聚集鏡；超聲波清洗機在工作時固定在三維平臺的水平 工作臺上，用于安放待加工玻璃材料的支架放置于超聲波清洗機的腔體內(nèi)；聚集鏡固定在 三維平臺的垂直軸上，并位于支架的上方。與現(xiàn)有的技術(shù)相比較，本實用新型的優(yōu)點在于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)勢在于該技術(shù)不需要設(shè)計專門的光刻模板，不需要化學(xué)處理過程，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，直寫速度可達到100mm/S，適合工業(yè)化應(yīng)用；[0009]3、通過控制激光光斑大小以及編程控制工作臺的直寫速度和距離，可以制備任意 深寬比的微通道，通道的直徑最小可達到4 μ m ；4、有水輔助，超聲波加強，通道的內(nèi)壁光潔度高；5、激光從玻璃樣品下表面開始加工，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，2為照明光源，3為超聲波清洗機，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，11為超聲波發(fā)生器，12 為微通道，13為飛濺物。
具體實施方式
本實用新型采用的技術(shù)方案其實施步驟為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在潔凈的水(最好采用蒸餾水)中是因為當(dāng)玻璃樣品與水 接觸，由于毛細管現(xiàn)象，水能流進激光刻寫的微通道，帶走刻寫時產(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。激光刻蝕玻璃時與水接 觸會產(chǎn)生很強的等離子體擴張，從而產(chǎn)生很多水泡粘附在通道管壁上，如果不及時消除會 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消除管壁上的水泡。具體原理是超聲波使水分子振動產(chǎn)生無數(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，形成無數(shù)微觀高壓沖擊波作用于通 道管壁上，從而推動管壁上的水泡向管口移動，直至消失。②將由納秒激光器發(fā)出的激光通過數(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附近具有超高電場強度，只要該值超過玻璃材 料的破壞閾值，即使玻璃材料本身在激光波長處不存在本征吸收，也會因激光誘導(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)生的等離子體對加工過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，可以采用CCD相機監(jiān)測納秒激 光焦點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，本實用新型提供的裝置包括三維平臺1、超聲波清洗機3、支架4和聚 集鏡6 ；工作時，超聲波清洗機3固定在三維平臺1的水平工作臺上。超聲波清洗機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3底部，玻璃樣品7通過支 架4放置于腔體內(nèi)，并使玻璃樣品7的下表面浸沒在潔凈的水8中，上表面裸露在空氣中， 納秒激光束5通過聚集鏡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。超聲波清洗機的功 率范圍為5 50W，超聲頻率為20 60KHz。本實用新型裝置還可以增設(shè)用于定位的CXD 相機10和照明光源2，兩者分別位于玻璃樣品7的兩側(cè)。下面通過實施例對本實用新型作進一步說明，以便于對本實用新型及其要點的理 解，但不應(yīng)以此限制本實用新型的保護范圍。實例1 現(xiàn)已硅酸鹽玻璃為例來說明本實用新型方法，由圖1、2可見，本實用新型利用超 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固定在三維平臺1的水平工作臺上，超聲波清 洗機3機身為透明材質(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中的支架 4上，玻璃樣品7下表面浸沒在蒸餾水中，上表面裸露在空氣中，同時將CCD相機10連接到 計算機上以便定位和實時觀察加工過程；(3)采用中心波長為1064nm、脈沖寬度為6ns、重復(fù)頻率為40kHz、脈沖能量可達 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10監(jiān)測 光斑在玻璃內(nèi)的定位，通過調(diào)節(jié)移動平臺使納秒激光束的焦點達到石英玻璃下表面上。聚 焦后的光斑直徑為8 μ m ；CXD相機10為高速相機，幀速率為1000幀/秒，配5 X鏡頭9。(4)開啟超聲波清洗機電源，打開激光光閘，通過控制移動平臺按預(yù)設(shè)三維移動路 徑從底往上移動從而帶動樣品相對于激光焦點移動(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。三維平臺的移動速度為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。實例2-4 實例2-4采用表一中的器件和工藝參數(shù)，按照實例1相同的工作過程進行，加工后 的微通道參數(shù)如表二所示。[0037]表一實例2-4所采用的工藝參數(shù)
實例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、超聲波 清洗機、支架和聚集鏡；超聲波清洗機在工作時固定在三維平臺的水平工作臺上，用于安 放待加工玻璃材料的支架放置于超聲波清洗機的腔體內(nèi)；聚集鏡固定在三維平臺的垂直軸 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 和照明光源。
專利摘要本實用新型公開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、超聲波清洗機、支架和聚集鏡。工作時，超聲波清洗機固定在三維平臺上；玻璃樣品通過支架放置于超聲波清洗機腔體內(nèi)，聚集鏡固定在三維平臺的垂直軸上。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。
文檔編號C03B33/08GK201901642SQ201020628660
公開日2011年7月20日 申請日期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 申請人:華中科技大學(xué)