一种利用飞秒激光在玻璃内部直写微机械零件的方法，包括对多孔玻璃飞秒激光直写、退火等步骤，本发明专利技术方法具有简单、快速、高精度的特点，可在玻璃芯片内部实现较复杂的微机械结构。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及飞秒激光加工，特别是一种。
技术介绍
微机电系统，英文简称MEMS，是随着半导体集成电路技术和超精密机械加工技术发展起来的一门超精密技术。目前，除了在半导体行业外，还在微流体芯片和生物化学等前沿领域有着广泛的应用。微机械作为微机电系统重要的组成部分，对其加工的传统方法是半导体行业广泛采用的光刻技术，它在材料表面微机械制备上已经具有很成熟的工艺。然而对于三维立体微机械的加工还需要层叠和熔接等复杂步骤，更重要的是光刻并不能在材料内部制备微机械，所以本质上光刻方法并不是真正的三维微加工技术。飞秒激光具有加工精度高、热效应小、损伤阈值低和可以对透明材料实现三维微加工的优点，为我们提供了一种全新的制备大规模和复杂微结构的方法。飞秒激光能通过非线性吸收过程对玻璃进行局域改性，从而具有高分辨的三维加工能力。当前利用飞秒激光微加工主要有三种方法(1)辅助水或其它液体的飞秒激光微加工技术；(2)飞秒激光辐照石英玻璃后直接使用氢氟酸腐蚀(参见文献A.Marcinkevicius, S. Juodkazis, et al.，Opt. Lett. , 2001，26(5) : 277-279.)；(3)飞秒激光辐照光敏玻璃后对样品进行焙烧，腐蚀，退火等后期处理(参见文献Sugiokaj Y. Cheng，et al. , Appl. Phys. Aj 2005，81: 1-10.)。使用以上方法加工的微纳结构长度有限，仅为几个毫米，不具有大尺度三维加工的实用性。而且，后期处理过程比较复杂，会使最终产品的合格率降低。在玻璃内部加工微结构，目前报导的只有飞秒激光辐照后氢氟酸腐蚀的方法(参见文献Shigeki Matsuo, Satoshi Kiyama, et al. , APPLIED PHYSICS LETTERS 93，051107，2008·)，但是这种腐蚀的方法存在很多问题。第一，加工结构的长度有限，仅为几个毫米；第二，腐蚀深度有限，导致微机械嵌入玻璃内部深度受限；第三，腐蚀精度影响加工精度，而且很难控制， 无法精确控制微机械的整体形貌；第四，氢氟酸腐蚀的后期处理方法，不安全而且有污染。 这些问题极大地限制了腐蚀方法在微机电系统等领域的应用。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于克服上述现有激光微加工技术在玻璃内部制作微机械长度受限、深度受限、加工精度低和后期处理步骤复杂的问题，提供一种，该方法具有简单、快速、高精度的特点，可在玻璃芯片内部实现较复杂的微机械结构。本专利技术的具体技术方案如下一种，其特点在于包括下列步骤3(1)飞秒激光直写①飞秒激光直写装置安装将可编程三维位移平台固定在奥利巴斯BX51研究级显微镜的载物台上，所述的可编程三维位移平台的正中位置开有一个方形孔用于放置载玻片， 该方形孔正下方是显微镜的透射照明光源，在该显微镜的正上方固定一台CCD探测器，所述的可编程三维位移平台与CCD探测器均与计算机相连，把多孔玻璃样品固定在透明样品槽内，在该透明样品槽内加入去离子水，将多孔玻璃样品完全浸没，将所述透明样品槽粘结在所述的载玻片上，将载玻片固定在可编程三维位移平台的方形孔区域；②飞秒激光通过一组反射元件进入所述的显微镜，经油浸显微物镜聚焦在所述的多孔玻璃内部，手动粗调所述的载物台使油浸显微物镜的前端部分浸没在去离子水中，再进一步细调使所述的CCD探测器对多孔玻璃样品上表面的成清晰像；再计算机通过控制程序使可编程三维位移平台向正上方移动一个距离，该距离就是飞秒激光经过油浸显微物镜聚焦后在多孔玻璃样品内部的加工深度；③按照待加工微机械零件预先编写的加工程序驱动所述的可编程三维位移平台运动的同时，启动飞秒激光光束对所述多孔玻璃样品进行辐照加工，具体操作过程如下按照设计尺寸在所述多孔玻璃样品内部适当深度选择微机械零件的成形区域，首先在所述的成形区域两侧直写两条引水通道；然后，将所述的飞秒激光聚焦在引水通道与成形区域的连接处，计算机启动所述编程序驱动平台带动多孔玻璃样品进行精确三维移动，使样品相对飞秒激光的焦点产生精确三维相对运动，所述飞秒激光在成形区域的进行扫描加工，而不辐照微机械的结构区域，微机械零件的结构区域将不被所述飞秒激光烧蚀得以保留；当所述飞秒激光在成形区域扫描完毕，就会在所述的样品内部直写出所需的微机械零件结构；加工精度为一微米；(2)退火将飞秒激光辐照后的样品放入高温炉中，在1150°C的温度下退火一小时，退火后多孔玻璃中的纳米孔闭合，而直写出的微机械零件结构保留下来，最终得到嵌入透明的致密玻璃内部的微机械零件。所述的多孔玻璃是多孔高硅氧玻璃。本专利技术的工作原理1.实验中，我们采用多孔高硅氧玻璃作为飞秒激光直写的衬底。多孔高硅氧玻璃采用分相法制备把组分适当的SiO2, H3BO3, Na2CO3均勻混合，按照合适的熔制制度，熔化成玻璃。成型后在一定的温度下进行分相热处理，在热处理的过程中富碱硼相与富硅相分离，分别为连续的网状物，形成了分相的硼硅酸盐玻璃。把分相的玻璃浸在热酸中，易溶于酸溶液中的碱硼成分就被溶出，留下以Si02骨架为主的多孔的三维连通结构。在热酸处理前，已分相的硼硅酸盐玻璃被切成15 X 15 X 3 mm的基片，并将其表面进行抛光处理(参见文献D. Chen, H. Miyoshi, et al, Appl. Phys. Lett. , 2005，86(23) 231908·)。测定得出多孔玻璃的成分为95. 5Si02-4B203-0. 5Νει20 (wt.%)，平均孔径为IOnm左右，孔隙率为40%左右。由于这种多孔结构，当多孔玻璃浸没在去离子水中时，水将沿着这些纳米小孔渗入多孔玻璃内部。2.飞秒激光通过油浸显微物镜聚焦在多孔玻璃内部时，焦点处功率密度极大，将超过玻璃的烧蚀阈值。被烧蚀掉的玻璃形成大量微小碎屑。同时由于多孔玻璃内部充满了水，被烧蚀处迅速被水充满，被烧蚀产生的微小碎屑将部分溶解在水中。接下来飞秒激光迅速将渗入的水汽化，产生气穴。气穴由气态水蒸汽构成，随着时间的推移，迅速膨胀，气穴连续膨胀产生的压力将持续带动飞秒激光焦点处的水和碎屑沿着引水通道(直径十几微米) 向样品外部喷射。从而将烧蚀产生的碎屑带出玻璃内部。3.在激光辐照直写的开始阶段，水能够快速进入激光作用区，将激光烧蚀产生的玻璃碎屑分散或溶解，随着微结构尺寸的增加，容易出现碎屑阻塞的情况。但是，当激光扫描的速度足够慢的时候，水可通过多孔玻璃内部连通的网格结构连续地渗入激光作用区， 仍可将烧蚀的碎屑溶解形成中空的微结构。接下来，快速的重复扫描可以让水溶解阻塞的部分，飞秒激光辐照产生的光压连续地将碎屑带出玻璃内部。几次重复扫描就可以得到所需的微机械零件结构。与现有技术相比较，本专利技术的优点在于1.能在玻璃内部快速直写大尺度微机械零件腐蚀等加工方法加工的结构长度有限， 仅仅为几个毫米。2.激光在玻璃内部聚焦深度连续可调通过选择合适的激光脉冲能量、扫描参数和聚焦条件，可在玻璃内部实现不同深度的多层微机械零件的加工，提高器件的集成度。3.加工精度高飞秒激光烧蚀多孔玻璃存在阈值性，通过调节激光功率等条件可实现亚微米加工精度。而且，激光直写微结构一次性成型，因此可精确控制微机械的整体形貌。4.后期处理简单无本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种利用飞秒激光在玻璃内部直写微机械零件的方法，其特征在于包括下列步骤：（１）飞秒激光直写：①飞秒激光直写装置安装：将可编程三维位移平台（１０）固定在奥利巴斯ＢＸ５１研究级显微镜的载物台上，所述的可编程三维位移平台（１０）的正中位置开有一个方形孔用于放置载玻片，该方形孔正下方是显微镜的透射照明光源，在该显微镜的正上方固定一台ＣＣＤ探测器（１１），所述的可编程三维位移平台（１０）与ＣＣＤ探测器（１１）均与计算机（１２）相连，把多孔玻璃样品（６）固定在透明样品槽（９）内，在该透明样品槽（９）内加入去离子水（５），将多孔玻璃样品（６）完全浸没，将所述透明样品槽（９）粘结在所述的载玻片上，将该载玻片固定在可编程三维位移平台的方形孔区域；②飞秒激光（３）通过一组反射元件进入所述的显微镜，经油浸显微物镜（４）聚焦在所述的多孔玻璃内部，手动粗调所述的载物台使油浸显微物镜（４）的前端部分浸没在去离子水（５）中，再进一步细调使所述的ＣＣＤ探测器（１１）对多孔玻璃样品（６）上表面的成清晰像；再计算机（１２）通过控制程序使可编程三维位移平台（１０）向正上方移动一个距离，该距离就是飞秒激光经过油浸显微物镜（４）聚焦后在多孔玻璃样品（６）内部的加工深度；③按照待加工微机械零件预先编写的加工程序驱动所述的可编程三维位移平台（１０）运动的同时，启动飞秒激光（３）光束对所述多孔玻璃样品（６）进行辐照加工，具体操作过程如下：按照设计尺寸在所述多孔玻璃样品（６）内部适当深度选择微机械零件的成形区域，首先在所述的成形区域两侧直写两条引水通道；然后，将所述的飞秒激光（３）聚焦在引水通道与成形区域的连接处，计算机启动所述编程序驱动平台带动多孔玻璃样品（６）进行精确三维移动，使样品相对飞秒激光的焦点产生精确三维相对运动，所述飞秒激光在成形区域的进行扫描加工，而不辐照微机械的结构区域，微机械零件的结构区域将不被所述飞秒激光烧蚀得以保留；当所述飞秒激光在成形区域扫描完毕，就会在所述的样品内部直写出所需的微机械零件结构；加工精度为一微米； （２）退火：将飞秒激光辐照后的样品放入高温炉中，在１１５０℃的温度下退火一小时，退火后多孔玻璃中的纳米孔闭合，而直写出的微机械零件结构保留下来，最终得到嵌入透明的致密玻璃内部的微机械零件。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：崔乾楠，廖洋，程亚，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31
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