当前位置: 首页 > 专利查询>浙江大学专利>正文

一种三维微结构制备成型系统技术方案

技术编号:1406054 阅读:128 留言:0更新日期:2012-04-11 18:40
本实用新型专利技术公开了一种三维微结构制备成型系统。三维微结构制备成型系统具有相连接的计算机、D/A接口、低压放大器、高压放大器、微结构加工核心单元,激光器、电源及控制电路。微结构加工核心单元,激光器具有透明有机玻璃平台,液体容器,热塑性材料,液体进口,液体出口,蒸馏水,XY移动平台。本实用新型专利技术可对各种热塑性材料制备微点阵、微柱阵、微线阵、微光学元件、微机械元件、微流体学元件等三维微结构,制备的结构线宽在1~100um量级内可调、纵横比可控(最大6∶1)。可望在微光学技术、微机械、微电子技术、MOEMS及微纳米技术等领域得到广泛应用。(*该技术在2016年保护过期,可自由使用*)

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种三维微结构制备成型系统,用于点、柱、线、面、体等微结构的快速制备。
技术介绍
近年来,科学技术的一个重要趋势是朝小尺寸、大容量、高速度和低能耗方向快速发展,人类对微观世界的探索已逐渐由微米技术向纳米技术延伸,由此推动了国民经济和人类社会的进步。微纳米技术是新世纪各主要国家优先规划发展的核心科技,随着微纳米技术的飞速发展,对微纳米加工制备技术也提出了更高要求。其中,三维微结构的加工制备是一个很重要方面,它在微电子学、微光学、微机械学、微流体力学等领域具有十分广泛的应用价值,如微光学元件、光栅器件、光子晶体元件、微电路、微光学电子机械系统、微流腔、微流泵、微马达、微驱动器、微传感器等。这些微结构器件的加工制备,主要依靠传统的紫外光刻、离子束刻蚀、电子束刻蚀、LIGA工艺等技术实现。虽然它们在许多方面具有优越性,特别是在微电子产业领域获得了巨大成功,但其设备昂贵、制作过程复杂、操作繁琐、大多数需要掩模等局限性也是显而易见的;对于三维微纳米结构制备而言,这些传统的工艺技术也并不都直接适用,有的即使适用也存在制备效率低、成本高、需模板等问题。此外,上述刻蚀技术需采用紫外、深紫外、X射线等光源,甚至需要昂贵的同步辐射源,这些也限制了它们的应用范畴。为此,我们研究发展了基于激光光致热塑效应的三维微结构制备成型技术及系统,以解决低成本、高效率、易操作、无需模板的三维微结构制备成型技术这一关键问题,并根据国情尽可能提高仪器的性能/价格比,为促进我国纳米技术的发展和普及作出了贡献。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种三维微结构制备成型系统。三维微结构制备成型系统具有相连接的计算机、D/A接口、低压放大器、高压放大器、微结构加工核心单元,激光器、电源及控制电路。微结构加工核心单元,激光器具有透明有机玻璃平台,液体容器,热塑性材料,液体进口,液体出口,蒸馏水,XY移动平台,在XY移动平台上设有液体容器,液体容器底部放置热塑性材料,热塑性材料上方依次设有透明有机玻璃平台、激光器,液体容器侧壁设有液体进口,液体出口,液体容器充满蒸馏水。本技术利用热塑性材料在激光照射下产生热塑膨胀的效应,快速制备出各种三维微结构。用NdYAG激光器作光源,波长1064nm,功率1~10W可调节,用透镜组将激光聚焦成约30μm的光斑。为消除扫描等引起的液面轻微晃动对光斑定位的影响,设置与激光光路连接的透明有机玻璃片,半浸没在水中,四周形成月牙形的表面张力界面。即使液面晃动,激光束的空气-玻璃-水-样品光路也不受任何影响。由于有机玻璃和水是透明的,且激光通过时尚未聚焦,因此对它们没有影响。如果必要,制备暂停时蒸馏水可通过进口和出口在线循环,以调节控制水温。材料样品固定在充满蒸馏水的小液体池底部,小液体池固定在XY扫描工作台上。扫描工作台包括上层的叠片式压电陶瓷扫描器和下层的步进电机扫描器两层,分别用于小范围和较大范围的扫描,制备不同尺寸和精度的微结构。通过计算机编程可任意控制扫描路径和扫描速度,加工制备出所需形状的三维微结构。附图说明图1(a)是激光束透过水体后聚焦到样品表面,产生一个微小的示意图;图1(b)是热融区材料将沿着光轴向自由空间(水体)快速膨胀生长,并受水体的冷却而成型示意图;图1(c)是在样品表面将制备出底部稍大的凸起微结构,同理进行后续的制备示意图;图2是三维微结构制备成型系统方框图;图3是本技术的微结构加工核心单元的结构示意图;图4是本技术的扫描软件程序流程图。具体实施方式三维微结构的加工制备技术直接影响微光学元件、光栅器件、光子晶体元件、微电路、MOEMS器件、微流槽、微流泵、微马达、微驱动器、微传感器等的质量。本技术的目的是研究发展新的基于热塑性材料的热塑膨胀效应的三维微结构制备成型技术及系统。图1所示是利用热塑膨胀效应的三维微结构制备成型方法原理示意图。在充满蒸馏水的容器中放置热塑性较好的材料样品,如石蜡、塑料、树脂等;激光束透过水体后聚焦到样品表面,产生一个微小的热融(而非烧蚀)区;由于热力学作用,热融区材料将沿着光轴向自由空间(水体)快速膨胀生长,并受水体的冷却而成型;在样品表面将制备出底部稍大的凸起微结构,同理进行后续的制备。膨胀效应仅限于光斑区,因此微结构的线宽与光斑直径大致处于同一量级,高度主要取决于照射时间。利用该方法制备的最基本的微结构单元是点或柱。只要控制样品相对于激光束作横向扫描,就能制备出不同的点、柱、线、壁、面和三维立体微结构,通过控制扫描路径可获得更复杂的三维微结构。如图2、3所示,三维微结构制备成型系统具有相连接的计算机、D/A接口、低压放大器、高压放大器、微结构加工核心单元,激光器、电源及控制电路。微结构加工核心单元,激光器具有透明有机玻璃平台1,液体容器4,热塑性材料5,液体进口3,液体出口7,蒸馏水2,XY移动平台6,在XY移动平台上设有液体容器,液体容器底部放置热塑性材料,热塑性材料上方依次设有透明有机玻璃平台、激光器8,液体容器侧壁设有液体进口,液体出口,液体容器充满蒸馏水。根据微结构加工核心单元的加工材料以及要加工的微结构大小来选择激光器的功率;扫描控制单元由高低压控制电路及D/A接口和计算机及控制软件组成,按照所要加工的微结构的形状及大小来控制微结构加工核心单元的移动速度和路经。用NdYAG激光器作光源,波长1064nm,功率1~10W可调节,用透镜组将激光聚焦成约30μm的光斑。为消除扫描等引起的液面轻微晃动对光斑定位的影响,设置与激光光路连接的透明有机玻璃片,半浸没在水中,四周形成月牙形的表面张力界面。即使液面晃动,激光束的空气-玻璃-水-样品光路也不受任何影响。由于有机玻璃和水是透明的,且激光通过时尚未聚焦,因此对它们没有影响。如果必要,制备暂停时蒸馏水可通过进口和出口在线循环,以调控水温。材料样品固定在充满蒸馏水的小液体池底部,小液体池固定在XY扫描工作台上。扫描工作台包括上层的叠片式压电陶瓷扫描器和下层的步进电机扫描器两层,分别用于小范围和较大范围的扫描,制备不同尺寸和精度的微结构。通过计算机编程可任意控制扫描路径和扫描速度,加工制备出所需形状的三维微结构。微结构的线宽和纵横比,主要由激光参数决定。激光功率给定时,线宽取决于光斑直径,纵横比取决于照射时间,在一定范围内,纵横比随照射时间增大而增大;而照射时间又实际取决于XY扫描速度。本技术的技术指标是线宽在1~100μm内可调,制备速度在10~100μm/s内可控,最大纵横比达到6∶1,达到了设备简洁、易操作、低成本、高效率、无需掩模的三维微结构制备成型的目标。图4是本技术的扫描软件程序流程图。软件初始化后,根据需要导入所需图形,并把象素坐标映射为XY电压幅值,作适当延时后输出XY驱动电压,然后再准备下一个象素的转换并输出相应的电压幅值,这样循环,最终输出所需的路径,控制扫瞄器工作。权利要求1.一种三维微结构制备成型系统,其特征在于它具有相连接的计算机、D/A接口、低压放大器、高压放大器、微结构加工核心单元,激光器、电源及控制电路。2.根据权利要求1所述的一种三维微结构制备成型系统,其特征在于所说的微结构加工核心单元,激光器具有透明有机玻璃平台(1),液体容器(4),热本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维微结构制备成型系统,其特征在于它具有相连接的计算机、D/A接口、低压放大器、高压放大器、微结构加工核心单元,激光器、电源及控制电路。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员:章海军何玉琳张冬仙
申请(专利权)人:浙江大学
类型:实用新型
国别省市:86[中国|杭州]

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1
相关领域技术
  • 暂无相关专利