专利名称：利用飞秒激光在石英玻璃内部制造三维微螺旋通道的方法
技术领域：
本发明涉及光学微加工技术领域，特别涉及利用飞秒激光在石英玻璃内部制造三维微螺旋通道的方法。
背景技术：
20世纪90年代初，Manz和Widmer首先在分析化学领域提出以微电子加工技术为依托的微型全分析系统(Micro Total Analysis Systems, μ _TAS)的概念，微流控生物芯片(Micro fluidic chip)技术是微型全分析系统的重要组成部分，电磁生物芯片作为一类特殊的主动式生物芯片结构，主要是指利用电磁力控制和操纵磁修饰的分子或颗粒，从而实现对样品的转移、杂交和扩增、检测等功能。目前微电磁力的产生主要采用微机电系统 (MEMS)工艺制作的线圈产生，所用基底材料多是硅复合材料，制作比较复杂、成本高、产热大，尤其是对于真三维结构的微螺旋电感器件，MEMS工艺存在明显的不足，难以加工出性能良好的电感线圈。硅基材料透明性差，使得微全分析后期的荧光检测工艺难以进行。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种利用飞秒激光在石英玻璃内部制造三维微螺旋通道的方法，以开拓飞秒激光微细加工技术在微流控芯片中驱动磁珠用的微电感制作方法，具有工艺简单、成本低的优点。为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的利用飞秒激光在石英玻璃内部制造三维微螺旋通道的方法，具体步骤如下步骤一、飞秒激光光束经过光路上装有的衰减片、偏振片及透镜将焦点聚集在石英玻璃下表面，石英玻璃固定在三维精密工作台上，控制三维精密工作台运动使飞秒激光束焦点在石英玻璃内部由下而上扫描出所需微螺旋轨迹轮廓；步骤二、将扫描出的石英玻璃基底浸泡在质量浓度为5% -15%的氢氟酸溶液中， 置于温度为50°C -80°C的超声波环境中，超声波的强度为50千赫兹，氢氟酸腐蚀掉经过飞秒激光作用的区域，间歇性的取出石英玻璃吹干观察和更换氢氟酸溶液，直到形成上下贯通的微螺旋通道。步骤一中在扫描微螺旋轨迹轮廓时，为了辅助刻蚀时的氢氟酸溶液可以顺畅进入石英玻璃内部，在石英玻璃侧面通过飞秒激光束开辅助通道。所述的三维精密工作台是日本尼康公司生产的精密三维机械步进式移动PCI平台。所述的飞秒激光是由镜色散控制钛宝石振荡器提供的宽带飞秒种子脉冲，然后使用脉冲放大装置放大，中心波长为800nm。所述的透镜是显微镜的物镜。飞秒激光超精细加工主要是利用飞秒激光的超强的非线性效应对材料进行加工， 是一种极端条件下的制造技术，具有真正三维加工、“冷”加工、超精细等良好的特性。飞秒激光对石英玻璃具有很好的穿透性，可以聚焦在后者内部，配合三轴联动精密工作台的运动，从而在内部扫描出微螺旋通道。氢氟酸溶液对经过飞秒激光非线性效应作用的石英玻璃具有很好的选择性腐蚀作用，将扫描出的微螺旋通道放在氢氟酸溶液中进行腐蚀，可以解决飞秒激光加工中喷蚀物难以排除的问题，腐蚀出完全贯通的通道。对于这种在石英玻璃内部加工出的微螺旋通道，注入一定的导体材料，采用封装工艺对其封装就可以实现螺旋电感的真三维加工。本发明具有成本低、操作简单等优点，而且石英玻璃是透明材质，对荧光检测影响较小。本发明的优点在于(1)本发明利用飞秒激光辅助刻蚀技术，利用飞秒激光在透明石英玻璃内部扫描出微螺旋通道轮廓，然后利用氢氟酸腐蚀。不需要采用特殊基底、掩膜等，具有工艺简单、成本低、效率高等优点。(2)本发明实现螺旋微通道的真三维加工，可以为真三维微电磁线圈的制作提供基底，应用在微全分析和射频技术等领域。(3)本发明所涉及到的工艺方法能够制作出均勻性较好的微螺旋通道，能够进行满足一定要求的阵列加工，且所采用的石英玻璃的生物亲和性好，光线透过能力强。
图1为利用飞秒激光在石英玻璃内部加工微螺旋通道步骤示意图，图Ia为飞秒激光扫描示意图，图Ib为腐蚀示意图。图2为利用飞秒激光在石英玻璃内部加工微螺旋通道的飞秒激光光路示意图。图3为采用不同飞秒激光功率时加工的螺旋微通道对比图。图4为采用不同氢氟酸浓度下加工的螺旋微通道对比图。图5为分别采用恒功率、变功率两种扫描方式加工的螺旋微通道。图6为在螺旋通道的每一匝旁边开侧通道的方式下加工的螺旋微通道。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步的说明。参照图1所示，图1为本发明中利用飞秒激光在石英玻璃内部制造三维微螺旋通道的方法步骤示意图，包括两步骤步骤一、参照图la，飞秒激光光束1由光路导引到透镜 2，透镜2将焦点聚集在石英玻璃3下表面，石英玻璃3可以做三维精密运动，飞秒激光束 1的焦点就可以在石英玻璃3内部由下而上扫描出所需微螺旋轨迹轮廓4 ；步骤二、参照图 lb，将扫描出的石英玻璃3基底浸泡在质量浓度为5% -15%的氢氟酸溶液5中，置于温度为50°C -80°C的超声波环境6中，超声波的强度为50千赫兹，氢氟酸腐蚀掉经过飞秒激光作用的区域，间歇性的取出石英玻璃3吹干观察和更换氢氟酸溶液，直到形成上下贯通的微螺旋通道。参照图2所示，图2为飞秒激光加工的详细光路图，石英玻璃3放在三维精密移动工作台12上，三维精密移动工作台12由控制计算机10通过控制器11控制，加工过程的图像由CXD 14拍摄并在显示器13中显示，衰减片7调节激光的功率，偏振片8调节激光的偏振态，飞秒激光加工光路的通断有控制计算机10控制快门9的开关实现。
实施例一本实施例包括以下步骤。步骤一、飞秒激光光束经过光路上装有的衰减片、偏振片及透镜将焦点聚集在石英玻璃下表面，石英玻璃固定在三维精密工作台上，控制三维精密工作台运动使飞秒激光束焦点在石英玻璃内部由下而上扫描出所需微螺旋轨迹轮廓。所述的石英玻璃厚度为L= 1200um，飞秒激光聚焦采用100倍透镜，透镜的数值孔径为0. 9，扫描出所需微螺旋轨迹轮廓半径R = 60um,飞秒激光的扫描速度等于lOum/s。步骤二、将扫描出的石英玻璃基底浸泡在质量浓度为10%的氢氟酸溶液中，置于温度为60°C的超声波环境中，超声波的强度为50千赫兹，氢氟酸腐蚀掉经过飞秒激光作用的区域，间歇性的取出石英玻璃吹干观察和更换氢氟酸溶液，直到形成上下贯通的微螺旋通道。当其余参数相同，但飞秒激光光束功率不同，分别为3毫瓦和5毫瓦；腐蚀时间不同，分别为30分钟、60分钟、70分钟和90分钟，所腐蚀出的微螺旋通道如图3所示，5毫瓦比3毫瓦腐蚀速度快。实施例二本实施例包括以下步骤步骤一、飞秒激光光束经过光路上装有的衰减片、偏振片及透镜将焦点聚集在石英玻璃下表面，石英玻璃固定在三维精密工作台上，控制三维精密工作台运动使飞秒激光束焦点在石英玻璃内部由下而上扫描出所需微螺旋轨迹轮廓；所述的石英玻璃厚度为L= 1200um，飞秒激光聚焦采用100倍透镜，透镜的数值孔径为0. 9，经过衰减片、偏振片及透镜的飞秒激光光束功率为3毫瓦，扫描出所需微螺旋轨迹轮廓半径R = lOOum，飞秒激光的扫描速度等于lOum/s。步骤二、将扫描出的石英玻璃基底浸泡在浓度不同的氢氟酸溶液中，置于温度为 60°C的超声波环境中，超声波的强度为50千赫兹，氢氟酸腐蚀掉经过飞秒激光作用的区域，间歇性的取出石英玻璃吹干观察和更换氢氟酸溶液，直到形成上下贯通的微螺旋通道。当其余参数相同，但氢氟酸溶液浓度分别为5%和10%时，所腐蚀出的微螺旋通道如图4所示，可以看出，浓度为10%的氢氟酸比浓度为5%的氢氟酸腐蚀的速率快很多， 而在加工后的均勻性上没有明显的差别。实施例三本实施例包括以下步骤步骤一、飞秒激光光束经过光路上装有的衰减片、偏振片及透镜将焦点聚集在石英玻璃下表面，石英玻璃固定在三维精密工作台上，控制三维精密工作台运动使飞秒激光束焦点在石英玻璃内部由下而上扫描出所需微螺旋轨迹轮廓；所述的石英玻璃厚度为L= 1200um，飞秒激光聚焦采用100倍透镜，透镜的数值孔径为0. 9，扫描出所需微螺旋轨迹轮廓半径R = 60um,飞秒激光的扫描速度等于lOum/s。步骤二、将扫描出的石英玻璃基底浸泡在浓度为10%的氢氟酸溶液中，置于温度为60°C的超声波环境中，超声波的强度为50千赫兹，氢氟酸腐蚀掉经过飞秒激光作用的区域，间歇性的取出石英玻璃吹干观察和更换氢氟酸溶液，直到形成上下贯通的微螺旋通道。当其余参数相同，但飞秒激光光束功率不同，其中一块石英玻璃的飞秒激光光束功率固定为3毫瓦，另一块石英玻璃的最中间的两匝飞秒激光的扫描功率为5毫瓦，外面的两匝扫描的功率为3毫瓦，结果从图5可以看出，变功率扫描方式的腐蚀速率有略微的提高，但是并不明显，可是在均勻性上有很大的提高，尤其是中间两匝，效果很明显。实施例四本实施例包括以下步骤步骤一、飞秒激光光束经过光路上装有的衰减片、偏振片及透镜将焦点聚集在石英玻璃下表面，石英玻璃固定在三维精密工作台上，控制三维精密工作台运动使飞秒激光束焦点在石英玻璃内部由下而上扫描出所需微螺旋轨迹轮廓，在石英玻璃侧面通过飞秒激光束开四条辅助通道，一直打通到玻璃界面处；所述的石英玻璃厚度为L= 1200um，飞秒激光聚焦采用100倍透镜，透镜的数值孔径为0.9，扫描出所需微螺旋轨迹轮廓半径R= lOOum，飞秒激光的扫描速度等于lOum/s。步骤二、将扫描出的石英玻璃基底浸泡在浓度为10%的氢氟酸溶液中，置于温度为60°C的超声波环境中，超声波的强度为50千赫兹，氢氟酸腐蚀掉经过飞秒激光作用的区域，间歇性的取出石英玻璃吹干观察和更换氢氟酸溶液，直到形成上下贯通的微螺旋通道。本实施例在石英玻璃侧面开了四条侧通道，如图6所示，侧通道一直打通到玻璃界面处，使氢氟酸能够更顺畅的进入石英玻璃内腐蚀经过飞秒激光作用过的螺旋轮廓。
权利要求
1.利用飞秒激光在石英玻璃内部制造三维微螺旋通道的方法，其特征在于，具体步骤如下步骤一、飞秒激光光束经过光路上装有的衰减片、偏振片及透镜将焦点聚集在石英玻璃下表面，石英玻璃固定在三维精密工作台上，控制三维精密工作台运动使飞秒激光束焦点在石英玻璃内部由下而上扫描出所需微螺旋轨迹轮廓；步骤二、将扫描出的石英玻璃基底浸泡在质量浓度为5% -15%的氢氟酸溶液中，置于温度为50°C -80°C的超声波环境中，超声波的强度为50千赫兹，氢氟酸腐蚀掉经过飞秒激光作用的区域，间歇性的取出石英玻璃吹干观察和更换氢氟酸溶液，直到形成上下贯通的微螺旋通道。
2.根据权利要求1所述的利用飞秒激光在石英玻璃内部制造三维微螺旋通道的方法， 其特征在于，步骤一中在扫描微螺旋轨迹轮廓时，为了辅助刻蚀时的氢氟酸溶液可以顺畅进入石英玻璃内部，在石英玻璃侧面通过飞秒激光束开辅助通道。
3.根据权利要求1所述的利用飞秒激光在石英玻璃内部制造三维微螺旋通道的方法， 其特征在于，所述的飞秒激光是由镜色散控制钛宝石振荡器提供的宽带飞秒种子脉冲，然后使用脉冲放大装置放大，中心波长为800nm。
4.根据权利要求1所述的利用飞秒激光在石英玻璃内部制造三维微螺旋通道的方法， 其特征在于，所述的三维精密工作台是日本尼康公司生产的精密三维机械步进式移动PCID ο
5.根据权利要求1所述的利用飞秒激光在石英玻璃内部制造三维微螺旋通道的方法， 其特征在于，所述的透镜是显微镜的物镜。
全文摘要
利用飞秒激光在石英玻璃内部制造三维微螺旋通道的方法，首先飞秒激光光束聚集在石英玻璃下表面，石英玻璃固定在三维精密工作台上，使飞秒激光束焦点在石英玻璃内部由下而上扫描出所需微螺旋轨迹轮廓；然后将扫描出的石英玻璃基底浸泡在氢氟酸溶液中，腐蚀掉经过飞秒激光作用的区域，直到形成上下贯通的微螺旋通道，本发明具有工艺简单、成本低的优点。
文档编号B23K26/36GK102513700SQ20111034330
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月3日 优先权日2011年11月3日
发明者何圣关, 李村, 杨青, 柳克银, 赵玉龙, 陈烽 申请人:西安交通大学