一种基于飞秒激光加工掩膜制备声波器件叉指换能器的系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于飞秒激光加工掩膜制备声波器件叉指换能器的系统及方法，该方法利用聚焦飞秒激光在金属薄膜上直写出叉指换能器掩膜，然后将掩膜置于压电衬底上蒸镀金属，最后移除掩膜获得叉指换能器结构。本发明专利技术相比于传统微电子光刻工艺，省去了匀胶、烘干、光刻、显影、剥离等过程，大大简化了叉指换能器的制备工艺，具有低成本、工艺简便、绿色环保、可重复使用、易于大规模生产等优点，在大波长、低频声波微流体器件制备方面具有广阔的应用前景。前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于飞秒激光加工掩膜制备声波器件叉指换能器的系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种基于飞秒激光加工掩膜制备声波器件叉指换能器的系统及方法，属于声波器件制备


技术介绍

[0002]声表面波是一种沿着固体表面传播的弹性波，最早由英国科学家瑞利在研究地震波过程中发现，所以这种波又被称为瑞利波。但由于受到当时科学水平的限制，最初的声表面波研究主要集中在地震波领域，并未得到实际应用。直到1965年美国科学家怀特和沃特尔默利用叉指换能器在压电衬底上通过施加射频信号直接激励出了声表面波，叉指换能器的专利技术奠定了声表面波应用的基础。随着技术的进步，更多的声表面波相继被发现，包括：水平剪切波、乐甫波、西沙瓦波等，这些波一般都需要叉指换能器激励产生。目前，声表面波技术已广泛应用在通信、电子、量子声学、传感和微流体等领域。
[0003]在声表面波技术的诸多应用中，近年来声表面波在传感和微流体方面的应用尤为瞩目，且一般基于声波模态中的瑞利模态，即瑞利波，而瑞利波的激励一般只需在压电衬底上做上一层金属化的叉指换能器(叉指电极对)即可。一般来说，对于声波传感，往往需要声波器件工作在高频状态，而高频往往对应更小的波长，即更小的叉指电极宽度，所以在器件制备上常采用高精度、高分辨率的微电子光刻工艺。而对于声波器件用作微流体用途，如实现微流体驱动、微粒/细胞分离、富集等功能，往往需要声波器件工作在低频状态，所以叉指电极尺寸较大(百微米级)，无需高精度的微电子光刻工艺。
[0004]目前声波器件叉指换能器(叉指电极)的制备仍采用标准的微电子光刻工艺，这种工艺在制备过程中一般需要经过匀胶、烘干、光刻、显影、蒸镀、剥离等步骤，且需要在超净间内完成。对于匀胶过程，一般需要将压电衬底吸附于匀胶机上高速旋转，这对于一些柔性压电衬底(如压电薄膜生长于柔性衬底上)，不仅难以吸附于匀胶机上，且高速旋转会破坏衬底的平整性，从而影响光刻加工的精度。同时，由于需要匀胶机进行匀胶，所以该工艺一般仅应用于平面加工。对于烘干过程，往往需要将压电衬底上的光刻胶加热到100℃以上，这对于一些温度稳定性差的压电衬底，如PVDF，会破坏压电衬底的压电特性。此外，微电子光刻工艺中的显影与剥离过程，会产生化学废液污染环境。因此亟需一种低成本、高效率、工艺简单、绿色环保的叉指换能器制备方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种基于飞秒激光加工掩膜制备声波器件叉指换能器的系统及方法。飞秒激光加工技术具有加工精度高、热影响区小、加工速度快、操作简单、低成本的优点，尤其适用于大尺寸叉指换能器掩膜的快速制备。利用飞秒激光直写出叉指换能器掩膜，然后将掩膜图案转移到压电衬底上获得金属化的叉指电极结构为声波器件叉指换能器的快速制备提供了较好的解决途径。另外，由于掩膜的柔性，上述方法可实现曲面上金属图案
化的制备，且在制备过程中省去了匀胶、烘干、光刻、显影、剥离等工艺，不会在制备过程中产生任何化学废液污染环境，解决了现有微电子光刻工艺在制备大尺寸叉指换能器过程中成本高、过程繁琐、操作工艺复杂的问题。
[0006]一种基于飞秒激光加工掩膜制备声波器件叉指换能器的方法，包括：以薄膜为加工对象，利用飞秒激光加工出叉指换能器掩膜；然后将叉指换能器掩膜置于压电衬底上，进行镀膜加工；镀膜完成后，移去叉指换能器掩膜，获得叉指换能器的叉指电极结构。
[0007]作为优选，所述基于飞秒激光加工掩膜制备声波器件叉指换能器的方法，包括如下步骤：
[0008]S1：搭建飞秒激光直写系统，利用该系统在薄膜(比如可以为金属薄膜)上直写出叉指换能器图案，获得叉指换能器掩膜；
[0009]S2：将叉指换能器掩膜固定于压电衬底上并置于金属镀膜系统中蒸镀金属；
[0010]S3：待金属蒸镀完成后，从压电衬底上移去叉指换能器掩膜，获得叉指换能器结构。
[0011]作为优选，所述薄膜为金属薄膜。
[0012]作为进一步优选，所述金属薄膜为铝箔或钢箔，厚度为5～15μm。作为更进一步优选，所述金属薄膜为钢箔，厚度为10μm。
[0013]加工时，利用定位件(比如胶带、夹具等)将薄膜固定于三维定位机构上，所述三维定位机构由一个实现水平方向(XY)移动的二维电动位移台和一个实现纵向(Z)方向移动的一维手动位移台组成，两者结合实现激光光束聚焦及叉指换能器图案化路径扫描。具体讲，通过调节一维手动位移台上金属薄膜到聚焦元件的距离使激光焦点处于(金属)薄膜顶面，利用位移台控制器(或者电脑)控制二维电动位移台依次完成图案化路径扫描，使飞秒激光在(金属)薄膜上直写出叉指换能器图案，获得掩膜；其中叉指换能器的叉指电极对应区域，薄膜材料在飞秒激光作用下去除。
[0014]作为优选，还包括用于控制二维电动位移台的位移台控制器。
[0015]作为优选，飞秒激光直写工艺中，所用飞秒激光器的中心波长为900～1100μm，脉冲宽度为120～140fs，加工过程中，激光脉冲重复频率为1～3kHz，加工功率为60～100mW，与掩模相对移动速度为0.15～0.25mm/s(或者二维电动位移台的移动速度为0.15～0.25mm/s)。作为进一步优选，加工过程中所述飞秒激光器的中心波长为1030nm，脉冲重复频率为2kHz，脉冲宽度为130fs，加工功率为80mW，样品移动速度为0.2mm/s。
[0016]作为优选，采用蒸镀工艺进行镀膜，镀膜厚度为50～150nm。作为进一步优选，金属薄膜蒸镀厚度为100nm。
[0017]作为优选，所述压电衬底可以选择现有的各种压电衬底材料，包括但不限于LiNbO3、LiTaO3、PZT、PVDF、AlN、ZnO等。
[0018]作为优选，所述镀膜用材料选自金、银、铜、铝、钼等。
[0019]实际加工时，利用胶带将叉指换能器掩膜固定于压电衬底上，比如所述的叉指换能器掩膜可通过聚酰亚胺胶带固定于压电衬底上。将上述固定有掩膜的压电衬底置于高真空蒸发镀膜系统中蒸镀金属，金属蒸镀厚度由镀膜时间控制，蒸镀速度为(进一步优选为)，镀膜厚度为50～100nm。待金属蒸镀完成后，撕去压电衬底和掩膜上的聚酰亚胺胶带，移除掩膜，获得叉指换能器的叉指电极结构。
[0020]作为优选，所述叉指换能器掩膜的最小波长为120μm，即叉指电极的宽度为30μm以上。
[0021]作为优选，所述叉指电极宽度为30～300微米，作为进一步优选，所述叉指电极宽度为30～150微米。
[0022]一种基于飞秒激光加工掩膜制备声波器件叉指换能器的系统，包括：
[0023]用于加工叉指换能器掩膜的飞秒激光直写装置；
[0024]对固定有叉指换能器掩膜的压电衬底进行镀膜加工的镀膜装置。
[0025]作为优选，所述飞秒激光直写装置包括：
[0026]提供飞秒激光的飞秒激光器；
[0027]控制激光光束通断的快门元件；
[0028]功率调节元件，对飞秒激光器出射激光进行功率调整；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于飞秒激光加工掩膜制备声波器件叉指换能器的方法，其特征在于，包括：以薄膜为加工对象，利用飞秒激光加工出叉指换能器掩膜；然后将掩膜置于压电衬底上，进行镀膜加工；镀膜完成后，移去叉指换能器掩膜，获得叉指换能器的叉指电极结构。2.根据权利要求1所述的基于飞秒激光加工掩膜制备声波器件叉指换能器的方法，其特征在于，所述薄膜为金属薄膜。3.根据权利要求2所述的基于飞秒激光加工掩膜制备声波器件叉指换能器的方法，其特征在于，所述金属薄膜为铝箔或钢箔，厚度为5～15μm。4.根据权利要求1所述的基于飞秒激光加工掩膜制备声波器件叉指换能器的方法，其特征在于，飞秒激光直写工艺中，所用飞秒激光器的中心波长为900～1100μm，脉冲宽度为120～140fs，激光脉冲重复频率为1～3kHz，加工功率为60～100mW，与掩模相对移动速度为0.15～0.25mm/s。5.根据权利要求1所述的基于飞秒激光加工掩膜制备声波器件叉指换能器的方法，其特征在于，叉指换能器的叉指电极宽度为30微米以上。6.根据权利要求1所述的基于飞秒激光加工掩膜制备声波器件叉指换能器的方法，其特征在于，采用蒸镀工艺进行金属镀...

【专利技术属性】
技术研发人员：王勇，张磊，刘峰江，耿娇，孙潇雨，石理平，仇旻，
申请(专利权)人：西湖大学，
类型：发明
国别省市：