專利名稱：利用飛秒激光在石英玻璃內(nèi)部制造三維微螺旋通道的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)微加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及利用飛秒激光在石英玻璃內(nèi)部制造三維微螺旋通道的方法。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)90年代初，Manz和Widmer首先在分析化學(xué)領(lǐng)域提出以微電子加工技術(shù)為依托的微型全分析系統(tǒng)(Micro Total Analysis Systems, μ _TAS)的概念，微流控生物芯片(Micro fluidic chip)技術(shù)是微型全分析系統(tǒng)的重要組成部分，電磁生物芯片作為一類特殊的主動(dòng)式生物芯片結(jié)構(gòu)，主要是指利用電磁力控制和操縱磁修飾的分子或顆粒，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的轉(zhuǎn)移、雜交和擴(kuò)增、檢測(cè)等功能。目前微電磁力的產(chǎn)生主要采用微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)工藝制作的線圈產(chǎn)生，所用基底材料多是硅復(fù)合材料，制作比較復(fù)雜、成本高、產(chǎn)熱大，尤其是對(duì)于真三維結(jié)構(gòu)的微螺旋電感器件，MEMS工藝存在明顯的不足，難以加工出性能良好的電感線圈。硅基材料透明性差，使得微全分析后期的熒光檢測(cè)工藝難以進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種利用飛秒激光在石英玻璃內(nèi)部制造三維微螺旋通道的方法，以開(kāi)拓飛秒激光微細(xì)加工技術(shù)在微流控芯片中驅(qū)動(dòng)磁珠用的微電感制作方法，具有工藝簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的利用飛秒激光在石英玻璃內(nèi)部制造三維微螺旋通道的方法，具體步驟如下步驟一、飛秒激光光束經(jīng)過(guò)光路上裝有的衰減片、偏振片及透鏡將焦點(diǎn)聚集在石英玻璃下表面，石英玻璃固定在三維精密工作臺(tái)上，控制三維精密工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)使飛秒激光束焦點(diǎn)在石英玻璃內(nèi)部由下而上掃描出所需微螺旋軌跡輪廓；步驟二、將掃描出的石英玻璃基底浸泡在質(zhì)量濃度為5% -15%的氫氟酸溶液中， 置于溫度為50°C -80°C的超聲波環(huán)境中，超聲波的強(qiáng)度為50千赫茲，氫氟酸腐蝕掉經(jīng)過(guò)飛秒激光作用的區(qū)域，間歇性的取出石英玻璃吹干觀察和更換氫氟酸溶液，直到形成上下貫通的微螺旋通道。步驟一中在掃描微螺旋軌跡輪廓時(shí)，為了輔助刻蝕時(shí)的氫氟酸溶液可以順暢進(jìn)入石英玻璃內(nèi)部，在石英玻璃側(cè)面通過(guò)飛秒激光束開(kāi)輔助通道。所述的三維精密工作臺(tái)是日本尼康公司生產(chǎn)的精密三維機(jī)械步進(jìn)式移動(dòng)PCI平臺(tái)。所述的飛秒激光是由鏡色散控制鈦寶石振蕩器提供的寬帶飛秒種子脈沖，然后使用脈沖放大裝置放大，中心波長(zhǎng)為800nm。所述的透鏡是顯微鏡的物鏡。飛秒激光超精細(xì)加工主要是利用飛秒激光的超強(qiáng)的非線性效應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行加工， 是一種極端條件下的制造技術(shù)，具有真正三維加工、“冷”加工、超精細(xì)等良好的特性。飛秒激光對(duì)石英玻璃具有很好的穿透性，可以聚焦在后者內(nèi)部，配合三軸聯(lián)動(dòng)精密工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，從而在內(nèi)部掃描出微螺旋通道。氫氟酸溶液對(duì)經(jīng)過(guò)飛秒激光非線性效應(yīng)作用的石英玻璃具有很好的選擇性腐蝕作用，將掃描出的微螺旋通道放在氫氟酸溶液中進(jìn)行腐蝕，可以解決飛秒激光加工中噴蝕物難以排除的問(wèn)題，腐蝕出完全貫通的通道。對(duì)于這種在石英玻璃內(nèi)部加工出的微螺旋通道，注入一定的導(dǎo)體材料，采用封裝工藝對(duì)其封裝就可以實(shí)現(xiàn)螺旋電感的真三維加工。本發(fā)明具有成本低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，而且石英玻璃是透明材質(zhì)，對(duì)熒光檢測(cè)影響較小。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)本發(fā)明利用飛秒激光輔助刻蝕技術(shù)，利用飛秒激光在透明石英玻璃內(nèi)部掃描出微螺旋通道輪廓，然后利用氫氟酸腐蝕。不需要采用特殊基底、掩膜等，具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。(2)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)螺旋微通道的真三維加工，可以為真三維微電磁線圈的制作提供基底，應(yīng)用在微全分析和射頻技術(shù)等領(lǐng)域。(3)本發(fā)明所涉及到的工藝方法能夠制作出均勻性較好的微螺旋通道，能夠進(jìn)行滿足一定要求的陣列加工，且所采用的石英玻璃的生物親和性好，光線透過(guò)能力強(qiáng)。


圖1為利用飛秒激光在石英玻璃內(nèi)部加工微螺旋通道步驟示意圖，圖Ia為飛秒激光掃描示意圖，圖Ib為腐蝕示意圖。圖2為利用飛秒激光在石英玻璃內(nèi)部加工微螺旋通道的飛秒激光光路示意圖。圖3為采用不同飛秒激光功率時(shí)加工的螺旋微通道對(duì)比圖。圖4為采用不同氫氟酸濃度下加工的螺旋微通道對(duì)比圖。圖5為分別采用恒功率、變功率兩種掃描方式加工的螺旋微通道。圖6為在螺旋通道的每一匝旁邊開(kāi)側(cè)通道的方式下加工的螺旋微通道。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步的說(shuō)明。參照?qǐng)D1所示，圖1為本發(fā)明中利用飛秒激光在石英玻璃內(nèi)部制造三維微螺旋通道的方法步驟示意圖，包括兩步驟步驟一、參照?qǐng)Dla，飛秒激光光束1由光路導(dǎo)引到透鏡 2，透鏡2將焦點(diǎn)聚集在石英玻璃3下表面，石英玻璃3可以做三維精密運(yùn)動(dòng)，飛秒激光束 1的焦點(diǎn)就可以在石英玻璃3內(nèi)部由下而上掃描出所需微螺旋軌跡輪廓4 ；步驟二、參照?qǐng)D lb，將掃描出的石英玻璃3基底浸泡在質(zhì)量濃度為5% -15%的氫氟酸溶液5中，置于溫度為50°C -80°C的超聲波環(huán)境6中，超聲波的強(qiáng)度為50千赫茲，氫氟酸腐蝕掉經(jīng)過(guò)飛秒激光作用的區(qū)域，間歇性的取出石英玻璃3吹干觀察和更換氫氟酸溶液，直到形成上下貫通的微螺旋通道。參照?qǐng)D2所示，圖2為飛秒激光加工的詳細(xì)光路圖，石英玻璃3放在三維精密移動(dòng)工作臺(tái)12上，三維精密移動(dòng)工作臺(tái)12由控制計(jì)算機(jī)10通過(guò)控制器11控制，加工過(guò)程的圖像由CXD 14拍攝并在顯示器13中顯示，衰減片7調(diào)節(jié)激光的功率，偏振片8調(diào)節(jié)激光的偏振態(tài)，飛秒激光加工光路的通斷有控制計(jì)算機(jī)10控制快門9的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)。
實(shí)施例一本實(shí)施例包括以下步驟。步驟一、飛秒激光光束經(jīng)過(guò)光路上裝有的衰減片、偏振片及透鏡將焦點(diǎn)聚集在石英玻璃下表面，石英玻璃固定在三維精密工作臺(tái)上，控制三維精密工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)使飛秒激光束焦點(diǎn)在石英玻璃內(nèi)部由下而上掃描出所需微螺旋軌跡輪廓。所述的石英玻璃厚度為L(zhǎng)= 1200um，飛秒激光聚焦采用100倍透鏡，透鏡的數(shù)值孔徑為0. 9，掃描出所需微螺旋軌跡輪廓半徑R = 60um,飛秒激光的掃描速度等于lOum/s。步驟二、將掃描出的石英玻璃基底浸泡在質(zhì)量濃度為10%的氫氟酸溶液中，置于溫度為60°C的超聲波環(huán)境中，超聲波的強(qiáng)度為50千赫茲，氫氟酸腐蝕掉經(jīng)過(guò)飛秒激光作用的區(qū)域，間歇性的取出石英玻璃吹干觀察和更換氫氟酸溶液，直到形成上下貫通的微螺旋通道。當(dāng)其余參數(shù)相同，但飛秒激光光束功率不同，分別為3毫瓦和5毫瓦；腐蝕時(shí)間不同，分別為30分鐘、60分鐘、70分鐘和90分鐘，所腐蝕出的微螺旋通道如圖3所示，5毫瓦比3毫瓦腐蝕速度快。實(shí)施例二本實(shí)施例包括以下步驟步驟一、飛秒激光光束經(jīng)過(guò)光路上裝有的衰減片、偏振片及透鏡將焦點(diǎn)聚集在石英玻璃下表面，石英玻璃固定在三維精密工作臺(tái)上，控制三維精密工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)使飛秒激光束焦點(diǎn)在石英玻璃內(nèi)部由下而上掃描出所需微螺旋軌跡輪廓；所述的石英玻璃厚度為L(zhǎng)= 1200um，飛秒激光聚焦采用100倍透鏡，透鏡的數(shù)值孔徑為0. 9，經(jīng)過(guò)衰減片、偏振片及透鏡的飛秒激光光束功率為3毫瓦，掃描出所需微螺旋軌跡輪廓半徑R = lOOum，飛秒激光的掃描速度等于lOum/s。步驟二、將掃描出的石英玻璃基底浸泡在濃度不同的氫氟酸溶液中，置于溫度為 60°C的超聲波環(huán)境中，超聲波的強(qiáng)度為50千赫茲，氫氟酸腐蝕掉經(jīng)過(guò)飛秒激光作用的區(qū)域，間歇性的取出石英玻璃吹干觀察和更換氫氟酸溶液，直到形成上下貫通的微螺旋通道。當(dāng)其余參數(shù)相同，但氫氟酸溶液濃度分別為5%和10%時(shí)，所腐蝕出的微螺旋通道如圖4所示，可以看出，濃度為10%的氫氟酸比濃度為5%的氫氟酸腐蝕的速率快很多， 而在加工后的均勻性上沒(méi)有明顯的差別。實(shí)施例三本實(shí)施例包括以下步驟步驟一、飛秒激光光束經(jīng)過(guò)光路上裝有的衰減片、偏振片及透鏡將焦點(diǎn)聚集在石英玻璃下表面，石英玻璃固定在三維精密工作臺(tái)上，控制三維精密工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)使飛秒激光束焦點(diǎn)在石英玻璃內(nèi)部由下而上掃描出所需微螺旋軌跡輪廓；所述的石英玻璃厚度為L(zhǎng)= 1200um，飛秒激光聚焦采用100倍透鏡，透鏡的數(shù)值孔徑為0. 9，掃描出所需微螺旋軌跡輪廓半徑R = 60um,飛秒激光的掃描速度等于lOum/s。步驟二、將掃描出的石英玻璃基底浸泡在濃度為10%的氫氟酸溶液中，置于溫度為60°C的超聲波環(huán)境中，超聲波的強(qiáng)度為50千赫茲，氫氟酸腐蝕掉經(jīng)過(guò)飛秒激光作用的區(qū)域，間歇性的取出石英玻璃吹干觀察和更換氫氟酸溶液，直到形成上下貫通的微螺旋通道。當(dāng)其余參數(shù)相同，但飛秒激光光束功率不同，其中一塊石英玻璃的飛秒激光光束功率固定為3毫瓦，另一塊石英玻璃的最中間的兩匝飛秒激光的掃描功率為5毫瓦，外面的兩匝掃描的功率為3毫瓦，結(jié)果從圖5可以看出，變功率掃描方式的腐蝕速率有略微的提高，但是并不明顯，可是在均勻性上有很大的提高，尤其是中間兩匝，效果很明顯。實(shí)施例四本實(shí)施例包括以下步驟步驟一、飛秒激光光束經(jīng)過(guò)光路上裝有的衰減片、偏振片及透鏡將焦點(diǎn)聚集在石英玻璃下表面，石英玻璃固定在三維精密工作臺(tái)上，控制三維精密工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)使飛秒激光束焦點(diǎn)在石英玻璃內(nèi)部由下而上掃描出所需微螺旋軌跡輪廓，在石英玻璃側(cè)面通過(guò)飛秒激光束開(kāi)四條輔助通道，一直打通到玻璃界面處；所述的石英玻璃厚度為L(zhǎng)= 1200um，飛秒激光聚焦采用100倍透鏡，透鏡的數(shù)值孔徑為0.9，掃描出所需微螺旋軌跡輪廓半徑R= lOOum，飛秒激光的掃描速度等于lOum/s。步驟二、將掃描出的石英玻璃基底浸泡在濃度為10%的氫氟酸溶液中，置于溫度為60°C的超聲波環(huán)境中，超聲波的強(qiáng)度為50千赫茲，氫氟酸腐蝕掉經(jīng)過(guò)飛秒激光作用的區(qū)域，間歇性的取出石英玻璃吹干觀察和更換氫氟酸溶液，直到形成上下貫通的微螺旋通道。本實(shí)施例在石英玻璃側(cè)面開(kāi)了四條側(cè)通道，如圖6所示，側(cè)通道一直打通到玻璃界面處，使氫氟酸能夠更順暢的進(jìn)入石英玻璃內(nèi)腐蝕經(jīng)過(guò)飛秒激光作用過(guò)的螺旋輪廓。
權(quán)利要求
1.利用飛秒激光在石英玻璃內(nèi)部制造三維微螺旋通道的方法，其特征在于，具體步驟如下步驟一、飛秒激光光束經(jīng)過(guò)光路上裝有的衰減片、偏振片及透鏡將焦點(diǎn)聚集在石英玻璃下表面，石英玻璃固定在三維精密工作臺(tái)上，控制三維精密工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)使飛秒激光束焦點(diǎn)在石英玻璃內(nèi)部由下而上掃描出所需微螺旋軌跡輪廓；步驟二、將掃描出的石英玻璃基底浸泡在質(zhì)量濃度為5% -15%的氫氟酸溶液中，置于溫度為50°C -80°C的超聲波環(huán)境中，超聲波的強(qiáng)度為50千赫茲，氫氟酸腐蝕掉經(jīng)過(guò)飛秒激光作用的區(qū)域，間歇性的取出石英玻璃吹干觀察和更換氫氟酸溶液，直到形成上下貫通的微螺旋通道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用飛秒激光在石英玻璃內(nèi)部制造三維微螺旋通道的方法， 其特征在于，步驟一中在掃描微螺旋軌跡輪廓時(shí)，為了輔助刻蝕時(shí)的氫氟酸溶液可以順暢進(jìn)入石英玻璃內(nèi)部，在石英玻璃側(cè)面通過(guò)飛秒激光束開(kāi)輔助通道。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用飛秒激光在石英玻璃內(nèi)部制造三維微螺旋通道的方法， 其特征在于，所述的飛秒激光是由鏡色散控制鈦寶石振蕩器提供的寬帶飛秒種子脈沖，然后使用脈沖放大裝置放大，中心波長(zhǎng)為800nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用飛秒激光在石英玻璃內(nèi)部制造三維微螺旋通道的方法， 其特征在于，所述的三維精密工作臺(tái)是日本尼康公司生產(chǎn)的精密三維機(jī)械步進(jìn)式移動(dòng)PCID ο
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用飛秒激光在石英玻璃內(nèi)部制造三維微螺旋通道的方法， 其特征在于，所述的透鏡是顯微鏡的物鏡。
全文摘要
利用飛秒激光在石英玻璃內(nèi)部制造三維微螺旋通道的方法，首先飛秒激光光束聚集在石英玻璃下表面，石英玻璃固定在三維精密工作臺(tái)上，使飛秒激光束焦點(diǎn)在石英玻璃內(nèi)部由下而上掃描出所需微螺旋軌跡輪廓；然后將掃描出的石英玻璃基底浸泡在氫氟酸溶液中，腐蝕掉經(jīng)過(guò)飛秒激光作用的區(qū)域，直到形成上下貫通的微螺旋通道，本發(fā)明具有工藝簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B23K26/36GK102513700SQ20111034330
公開(kāi)日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月3日
發(fā)明者何圣關(guān), 李村, 楊青, 柳克銀, 趙玉龍, 陳烽 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)