聚合物涂层在露天环境中的激光碳化制造技术

本发明专利技术涉及聚合物涂层在露天环境中的激光碳化。用于使基底上的聚合物涂层选择性碳化的系统包括激光器、存储器和控制器。该存储器存储与具有包含聚合物材料的涂层的基底的至少一个特征相关的数据。该控制器可操作地连接到激光器，并被配置为基于所述数据控制激光器，以使得在露天环境中，激光和聚合物材料之间的相互作用使该涂层的一部分碳化，但是不维持该聚合物材料的燃烧。通过选择性碳化的涂层而产生制品的方法包括控制激光系统以使得激光和在基底上形成涂层的聚合物材料之间的相互作用使该涂层的一部分碳化，但是不维持该聚合物材料在露天环境中的燃烧。

Laser Carbonization of Polymer Coatings in Open Air

The present invention relates to laser carbonization of polymer coatings in open air environment. Systems for selective carbonization of polymer coatings on substrates include lasers, memory and controllers. The memory stores data related to at least one feature of a substrate having a coating containing a polymer material. The controller is operatively connected to the laser and is configured to control the laser based on the data so that in an open environment, the interaction between the laser and the polymer material causes a portion of the coating to carbonize, but does not maintain the combustion of the polymer material. Methods of producing products by selective carbonization of coatings include controlling the laser system so that the interaction between the laser and the polymer material forming the coating on the substrate causes partial carbonization of the coating, but does not maintain the combustion of the polymer material in the open air environment.

【技术实现步骤摘要】
聚合物涂层在露天环境中的激光碳化
本申请要求2017年9月8日提交的名称为“聚合物涂层在露天环境中的激光碳化”的美国临时申请62,556,139的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
本公开内容涉及碳化，特别是聚合物材料涂层的激光碳化。
技术介绍
基于碳化聚合物的电子器件对于包括用作电极、电化学传感器和导电触点的多种多样的用途而言已经越来越普及。这可能部分地归因于这样的器件表现出有利的性能，如生物相容性、高电化学性能、化学惰性、机械鲁棒性和大的有效接触表面积。碳化是通过热解将至少一部分材料转化为碳或含碳残余物的过程。典型的热解过程涉及在惰性环境中使用高温炉。所涉及的高温限制了可用于制造的材料和工艺。由于整个制品放置在炉内，因此该制品的任何特定部分的选择性碳化是极其困难或不可能的。然而，许多器件受益于选择性碳化，如在未碳化和相对惰性的材料层内选择性地形成细丝、导电迹线或感测区域。选择性碳化的一种方法利用光刻技术。虽然能够通过掩模或图案化而实现选择性碳化，但是这样的光刻技术通常需要洁净室环境，这可能显著增加这类工艺的成本和复杂性。激光热解作为不需要洁净室环境的选择性碳化技术已经出现。通常，将要选择性碳化的制品放入具有激光系统的密封容器中。激光系统选择性地操作激光，以沿着制品的表面形成碳化路径。在现有系统中，容器的内部保持为惰性环境，以降低燃烧制品材料的风险。在碳化工艺完成后，来自碳化工艺的有害副产物从容器中排出，并取回物品。对于密封容器和惰性环境的需要以及在取回碳化制品之前将容器通风的需要显著增加了通过这类工艺制造制品的时间、费用和复杂性。基于前述内容，降低燃烧风险的选择性激光碳化方法将是有益的。减少制造时间、费用或复杂性的方法也将是有益的。
技术实现思路
用于使基底上的聚合物涂层选择性碳化的系统包括激光器、存储器和控制器。存储器存储与具有包含聚合物材料的涂层的基底的至少一个特征相关的数据。控制器可操作地连接到激光器，并被配置为基于所述数据控制激光器，以使得在露天环境中，激光和聚合物材料之间的相互作用使该涂层的一部分碳化，但是不维持聚合物材料的燃烧。在一些实施方案中，数据包括基底的热特征。控制器被配置为通过基于基底的热特征调谐激光器的至少一个参数而控制激光器。在一些实施方案中，激光器的至少一个参数包括功率级、移动速度、脉冲宽度和波长中的至少一个。在一些实施方案中，基底的热特征包括由基底提供的热绝缘。在一些实施方案中，数据包括涂层的厚度。在一些实施方案中，控制器被配置为控制激光器，以使得涂层的一部分的厚度整体被碳化。在一些实施方案中，激光器是光纤激光器。在一些实施方案中，数据包括聚合物材料的材料组成。在一些实施方案中，控制器被配置为控制激光器，以使涂层的一部分碳化以具有约97重量％或更高的碳含量。在一些实施方案中，控制器被配置为在涂层的一部分的碳化过程中调谐激光器的至少一个参数，以使得该部分的电子电阻（electronicresistance）在该部分内变化。在一些实施方案中，激光器被配置为在三维表面和形状上运行。在一些实施方案中，系统包括传感器，该传感器被配置为在应用激光器的过程中感测激光和聚合物材料之间的相互作用的至少一个特征。数据包括用于该相互作用的至少一个特征的预定阈值。控制器被配置为将该相互作用的至少一个被感测的特征与预定阈值进行比较，并基于该比较而调谐激光器的至少一个参数，以使得该相互作用不维持聚合物材料在露天环境中的燃烧。在一些实施方案中，相互作用的至少一个特征包括聚合物材料的温度，且预定阈值基于该聚合物材料的燃烧温度。在一些实施方案中，相互作用的至少一个特征包括通过该相互作用产生的光量，且预定阈值基于通过聚合物材料的燃烧产生的光量。在一些实施方案中，相互作用的至少一个特征包括存在至少一种通过聚合物材料的燃烧而化学产生的物质，且预定阈值基于所述至少一种物质由于聚合物材料燃烧的产生。使基底上的聚合物涂层选择性碳化的方法包括控制激光系统，以使得激光和在基底上形成涂层的聚合物材料之间的相互作用使涂层的一部分碳化，但是不维持聚合物材料在露天环境中的燃烧。在一些实施方案中，控制激光系统包括基于如下中的至少一个而调谐激光器的至少一个参数：基底的热特征，以及激光和聚合物材料之间的相互作用的至少一个特征与用于该相互作用的至少一个特征的预定阈值之间的比较。在一些实施方案中，所述涂层具有等于或小于15微米的厚度。在一些实施方案中，所述涂层包含聚对二甲苯（Parylene）或聚对二甲苯衍生物。在一些实施方案中，基底包括至少一层玻璃、硅、二氧化硅、金、光致抗蚀剂（Photoresist）或聚合物。在一些实施方案中，涂层的碳化部分在涂层中形成导电迹线。在一些实施方案中，该方法包括在所述部分的碳化过程中调谐激光器的至少一个参数，以使得导电迹线的电阻在涂层内变化。在一些实施方案中，该方法包括形成基底以及通过化学气相沉积将涂层施加到基底上。制造具有选择性碳化涂层的制品的方法包括形成基底、将聚合物涂层施加到基底上以及操作激光系统以在露天环境中使聚合物涂层选择性碳化。通过化学气相沉积将聚合物涂层施加至小于15微米的厚度。操作激光系统以使基底上的聚合物层选择性碳化包括调谐激光器以使得激光与聚合物涂层之间的相互作用在露天环境中基本上是热方式的，并且在露天环境中将激光施加到涂层的一部分上直到该部分碳化。在一些实施方案中，激光器是光纤激光器，并且聚合物涂层包含聚对二甲苯或聚对二甲苯衍生物。在一些实施方案中，在碳化之前，聚合物涂层具有约94％碳、约6％氯和约0.6％氧的组成。在碳化之后，涂层的碳化部分具有约97％碳、约2.7％氧且不含氯的组成。在一些实施方案中，基底和涂层是非平面的。在一些实施方案中，基底是三维结构。在一些实施方案中，至少部分地通过操作三维物体打印机而形成基底。附图说明图1描绘了根据本公开内容的用于使聚合物涂层选择性碳化的激光系统的示例性实施方案的侧视平面图。图2描绘了在基底上的一部分涂层已经碳化之后的图1的激光系统。图3描绘了使用根据本公开内容的图1的激光系统产生具有选择性碳化涂层的制品的方法的示例性实施方案的流程图。图4-6描绘了根据本公开内容的形成具有要至少部分碳化的聚合物涂层的基底的示例性实施方案的不同阶段的侧视平面图。图7描绘了操作图1的激光系统的方法的示例性实施方案的流程图。图8-14描绘了根据本公开内容选择性碳化的不同样品的顶表面的顶视图。具体实施方式专利技术详述为了促进对本文所述实施方案的原理的理解，现在参考附图和下面书写的说明书中的描述。参考文献不旨在限制本主题的范围。本公开内容还包括对所示实施方案的任何改变和修改，并包括如本文献所属领域的普通技术人员之一通常会想到的所述实施方案的原理的进一步应用。图1描绘了根据本公开内容的用于使具有聚合物涂层的基底200选择性碳化的激光系统100的示例性实施方案的侧视平面图。系统100包括控制器102、激光器104、存储器106、接口108和传感器110。如下面进一步详细讨论那样，基底200包括直接设置在基部204的顶部上的绝缘层202。在该实施方案中，绝缘层202图案化成图案化层206。包含聚合物材料的涂层208涂覆在绝缘层202的顶部。基底200位于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于使基底上的聚合物涂层选择性碳化的系统，其包括：激光器；存储器，其存储与具有包含聚合物材料的涂层的基底的至少一个特征相关的数据；和控制器，其可操作地连接到激光器，并被配置为基于所述数据而控制激光器以使得在露天环境中，所述激光和聚合物材料之间的相互作用使涂层的一部分碳化，但是不维持所述聚合物材料的燃烧。

【技术特征摘要】
2017.09.08 US 62/556139;2017.09.13 US 15/7035431.用于使基底上的聚合物涂层选择性碳化的系统，其包括：激光器；存储器，其存储与具有包含聚合物材料的涂层的基底的至少一个特征相关的数据；和控制器，其可操作地连接到激光器，并被配置为基于所述数据而控制激光器以使得在露天环境中，所述激光和聚合物材料之间的相互作用使涂层的一部分碳化，但是不维持所述聚合物材料的燃烧。2.根据权利要求1所述的系统，其中：所述数据包括该基底的热特征；和所述控制器被配置为通过基于该基底的热特征调谐所述激光器的至少一个参数而控制激光器。3.根据权利要求2所述的系统，其中所述激光器的至少一个参数包括功率级、移动速度、脉冲宽度和波长中的至少一个。4.根据权利要求2所述的系统，其中所述基底的热特征包括由该基底提供的热绝缘。5.根据权利要求1所述的系统，其中所述数据包括涂层的厚度。6.根据权利要求5所述的系统，其中所述控制器被配置为控制激光器，以使得所述涂层的一部分的厚度整体被碳化。7.根据权利要求1所述的基底，其中所述激光器是光纤激光器。8.根据权利要求1所述的系统，其中所述数据包括聚合物材料的材料组成。9.根据权利要求8所述的系统，其中所述控制器被配置为控制激光器，以使得所述涂层的一部分碳化以具有约97重量％或更高的碳含量。10.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器进一步被配置为在所述部分的碳化过程中调谐激光器的至少一个参数，以使得该部分的电子电阻在该部分内变化。11.根据权利要求1所述的系统，其中所述激光器被配置为在三维表面和形状上运行。12.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括：传感器，其被配置为在应用所述激光器的过程中感测激光和聚合物材料之间的相互作用的...

【专利技术属性】
技术研发人员：P斯塔利，N王，SY余，H艾哈迈德，G亚马，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE