专利名称：微孔过滤器的制作方法
技术领域：
本发明涉及微孔过滤器，且尤其涉及一种具有可靠尺寸并处于已知位置的小直径孔的微孔过滤器。
背景技术：
微孔过滤器目前是以固有的略微多孔的材料如纺织棉纤维、纸、及纺织合成纤维制成的。这类过滤器在以下领域得到应用药物药品的生产；工业燃料电池；以及分离体液、化学颗粒、及不同材料以进行分析。形成过滤微孔的孔的尺寸和位置随过滤器的材料结构而改变。
需要这样一种微孔过滤器，它是由非常小、具有可预计直径的孔构成的，所述孔位于已知位置，且因此是以已知总体密度设置的。
发明内容
本发明要求在衬底中形成阶梯孔的阵列，每个所述阶梯孔处在已知位置上，具有非常小、可预计的最后直径。所述阵列包括最后孔阶梯，该孔阶梯是由紫外(UV)波长的激光形成的，该波长短于400nm。所述阵列的其余孔阶梯或阶梯是通过使用激光或压印图案化技术形成的。孔的最后孔阶梯直径和总体密度限定由膜所形成的微孔过滤器的孔隙度。
在第一优选实施例中，发射355nm或266nm光的UV激光器从聚合物基的柔软的膜上烧蚀材料以形成从中穿过的孔，所述膜例如为聚酰亚胺、聚碳酸酯、或聚四氟乙烯(PTFE)膜。所述UV激光器烧蚀并由此而断开有机材料化学键，从而在厚度介于约50μm和约250μm之间的膜材中，形成最后或出口直径介于约1.0μm和约5.0μm之间的孔。(这与形成于200μm厚有机封装材料中的20μm至100μm的孔形成对照。)所述孔是以梯级或阶梯的方式形成的，所述孔具有在穿过膜的厚度的深度方向上的减小的直径，以给出所需纵横比，从而减小等离子体及碎片效应，上述效应会抑制或妨碍形成大纵横比、小直径的孔。大纵横比孔是一种长度与宽度之比大于5∶1的孔。这种技术通过以下方法实现随着激光束在深度方向上烧蚀靶材而改变所述激光束的光斑尺寸，并使烧蚀过程中产生的等离子气体和碎片能够逸出或排出。被俘获在大纵横比孔底部的气体和碎片会妨碍穿钻小直径最后孔阶梯的加工。
阶梯孔是有利的，因为它们导致压力降减小，这使得所需尺寸的材料能够穿过最后的最小直径孔。
在第二优选实施例中，压印图案化工具膜被推压到柔软的膜内，以在该膜内中形成凹槽阵列，该工具膜是带有凸出形态结构阵列的薄层金属。UV激光器形成穿过所述阵列内多个凹槽中每个凹槽的底部的最后孔阶梯。压印图案化打开了预定孔位置的周围区域，且由此而使气体和碎片能够逸出或排出。此方案能够形成小纵横比的最后孔阶梯。
所述阶梯孔的中心轴不必垂直于所述膜的上、下主表面。为了能够滤去由不同旋转方向的螺旋状分子结构组成的颗粒，倾斜孔可能是有利的。
根据以下参考附图进行的对优选实施例的详细描述，本发明的其它方面及优点将更加清楚。
图1是根据本发明的微孔过滤器的局部放大的横断面视图，其中形成有一阶梯孔，该阶梯孔的中心轴被设定成垂直于柔软高分子膜的上、下主表面。
图2是根据本发明的可选微孔过滤器的局部放大的横断面视图，其中形成有一阶梯孔，该阶梯孔的中心轴以相对于柔软高分子膜的上、下部主表面的不垂直倾角而倾斜。
图3和图4是包含圆柱状凸起图案的工具膜(toolfoil)的局部放大图，其中圆柱状凸起分别具有均匀直径以及不同直径的纵向部分。
具体实施例方式图1显示微孔过滤器10的横断面视图，该过滤器是以柔软的高分子膜12制成的；膜12具有基本平行的上部主表面14和下部主表面16，且上下主表面之间限定膜厚18。高分子膜12优选是由聚酰亚胺、聚碳酸酯、PTFE、或其它有机膜材料制成的。过滤器10的孔隙度或多孔性是通过形成多个阶梯孔30(图1中仅显示一孔)来取得的，阶梯孔30在深度方向上穿过膜厚18而形成过滤微孔。过滤器10的优选实施例是用形成有两个或更多个孔阶梯或阶梯的孔30构造的。以下是优选的孔30的描述，孔30形成有三个孔阶梯，所述孔阶梯具有逐梯级减小的尺寸，即平行于上部主表面14和下部主表面16所测得的截面积逐梯级减小。因为在优选实施例中，孔30的横截面可以为圆形或椭圆形，为方便起见，在这里孔的尺寸指的是其长轴尺寸。
优选孔30具有约100μm的总长，总长是由膜厚18限定的。典型膜厚18且因而也就是孔长的范围在50μm与250μm之间。孔30被形成具有入口孔阶梯32、中间孔阶梯38、及出口孔阶梯44，该入口孔阶梯具有约为40μm的宽度34以及约为70μm的深度36，该中间孔阶梯具有约为15μm的宽度40以及约为25μm的深度42，而出口孔阶梯44具有介于约1μm和约5μm之间的宽度46以及约为5μm的深度48。孔30有中心轴50，孔阶梯32和38不必轴向对准该中心轴，这取决于它们各自的宽度34和40，并与孔阶梯44的跨距宽度46相关。
图2显示两个倾斜孔30′，倾斜孔30′与孔30相同，但区别在于，孔30′的中心轴50′相对于上部主表面14和下部主表面16以不垂直角度倾斜。
使用激光束是形成孔30的第一优选方法。图1显示，激光器60发射光束62，该光束沿着与中心轴50共线的传播路径传播。激光器60优选发射紫外(UV)光，紫外(UV)光代表波长短于400nm的光，其中优选波长为355nm和266nm。一可编程透镜系统(图中未示)与激光器60光学相关，完成对光束62的光斑尺寸的设定，以确定孔阶梯32、38、及44的长轴尺寸。功率级控制器(图中未示)将光束62的功率调整到适用于要形成的孔阶梯尺寸的水平，用来形成孔阶梯38的功率小于用来形成孔阶梯32的功率。优选用具有均匀形状的光束62来形成孔阶梯32和38，且优选用具有高斯形状的光束62来形成孔阶梯44。
目前可用的设备中，便具备提供具有所需形状、光斑尺寸、及功率级的光束62从而形成孔30的能力。例如，孔阶梯32和38可通过由5330型通孔钻孔系统(Model 5330 Via Drilling System)所产生的激光束来形成，而孔阶梯44可通过由4220型微机械加工系统(Model4420 Micromachining System)所产生的激光束来形成，上述两种系统均由美国俄勒冈州Portland的电子科学工业公司生产，该公司是本专利申请的受让人。Model 5330产生具有均匀形状的UV激光束，而Model 4420产生具有高斯形状、带有非常小光斑尺寸的UV激光束。
实例 如下面所述，在200μm厚聚碳酸酯膜中形成通孔阵列，每个通孔有两个孔阶梯。针对在该聚碳酸酯膜中的每个孔，形成通过2X光束扩展器传播的355nm激光输出为聚碳酸酯膜中的每个膜形成圆形的第一孔阶梯，该孔阶梯具有的直径为50μm而深度为180μm至190μm。该激光束具有均匀的功率分布，在2kHz Q开关速率的功率级为220mW。工件定位器以60mm/s扫描速度工作，重复地相对于膜移动激光束，顺序地扫描孔的位置。在顺序扫描过程期间，激光束从孔的位置除去深度方向的部分膜材，从而部分地形成第一孔阶梯。顺序地除去部分膜材，使孔阶梯钻孔过程中产生的等离子气体能够逸出，并由此而确保形成高质量的孔。重复执行若干次扫描处理工序以完成第一孔阶梯的形成。本领域技术人员将认识到，可选择激光处理参数以实现孔阶梯的完全形成，而无需重返部分钻成孔阶梯的行程。
通过20X高斯透镜传播的355nm激光输出穿过所述阵列中每个孔的第一孔阶梯的底面，形成具有5μm直径及10μm到20μm深度的出口孔阶梯。在每个孔的位置，通过连续应用脉冲激光束以进行冲孔操作，来形成出口孔阶梯。以10kHz脉动的600mW或950mW高斯形状激光束的十个脉冲在孔的阵列中形成出口孔阶梯，所述出口孔阶梯具有可重复的高质量。
与激光束结合使用压印图案化工具膜是形成孔30的第二优选方法。图3是包含图案的金属工具膜80的局部放大视图，该图案是由标称相同的圆柱状凸起82的规则阵列形成的，圆柱状凸起82相互以预定距离84间隔开。按照压印图案化(imprint patterning)技术，凸起82形成膜12中的孔阶梯。这是通过将工具膜80和膜12设置在常规的层压装置(未示)中并操作它将凸起82压到上部主表面14内，且由此而在膜12中压印出互补的凹槽而完成的。凸起82具有指定的直径86和长度88，它们分别对应于孔阶梯的长轴(直径)尺寸和深度。在图1中，凹槽对应于孔阶梯32或孔阶梯38之一。优选用高斯形状的激光束62来形成出口孔阶梯，如图1中的孔阶梯44。
虽然图3中的凸起82具有均匀直径，图4所示凸起90却被构造成具有不同长轴尺寸或直径的纵向部分，凸起90可被用来以一个层压循环形成膜12的每个孔中的多个孔阶梯。因为多个阶梯孔具有减小的长轴尺寸，使用多个阶梯孔就部分避免了由于使用激光器60产生的等离子体效应，使用压印图案化便无需在激光烧蚀出口孔阶梯之前，形成多阶梯凹槽或孔。
对本领域技术人员而言，显然可对上述实施例的细节进行许多修改而不偏离本发明的根本原理。例如，高分子膜12可由两个层压薄片组成，其中上层薄片形成具有较大直径孔阶梯的微孔，而下层薄片形成具有较小直径的微孔，且以激光钻出出口孔阶梯。因此本发明的范围应当仅由所附权利要求确定。
权利要求书(按照条约第19条的修改)1.一种微孔过滤器，包括一柔软高分子膜，其具有大致平行的第一和第二主表面，这些主表面之间定义膜厚；及多个孔，所述孔在深度方向穿过所述膜厚而形成所述膜的微孔，从所述第一主表面到所述第二主表面以多个分立的阶梯形式构造所述多个孔的每个孔，所述多个阶梯具有减小的长轴尺寸。
2.根据权利要求1所述的微孔过滤器，其中所述多个孔中的每个孔包括第一和第二孔阶梯，所述第一和第二孔阶梯具有各自的第一和第二长轴，所述第一孔阶梯是穿过所述第一主表面形成的，而所述第二孔阶梯是穿过所述第二主表面形成的，且所述第一长轴大于所述第二长轴。
3.根据权利要求2所述的微孔过滤器，进一步包括中间孔阶梯，该中间孔阶梯位于所述多个孔中每个孔的第一和第二孔阶梯之间，所述中间孔阶梯具有的长轴小于所述第一长轴而大于所述第二长轴。
4.根据权利要求3所述的微孔过滤器，其中所述第一、第二、及中间孔阶梯具有各自的第一、第二、及中间深度，该中间深度小于所述第一深度而大于所述第二深度。
5.根据权利要求1所述的微孔过滤器，其中所述多个孔中的每个孔包括通过所述膜厚延伸的中心轴，该中心轴相对于所述第一和第二主表面以不垂直倾角倾斜。
6.根据权利要求1所述的微孔过滤器，其中所述膜是以有机材料制成的。
7.根据权利要求6所述的微孔过滤器，其中所述有机材料包括聚酰亚胺、聚碳酸酯、或PTFE其中之一。
8.一种形成微孔过滤器的方法，包括提供一柔软高分子膜，其具有大致平行的第一和第二主表面，这些主表面之间定义膜厚；且引导激光束入射到所述膜上，以在多个位置形成多个分立的阶梯孔，所述激光束的特征在于其波长可为所述膜所吸收，且在于其第一和第二组光束参数包括光斑尺寸和功率级，对于所述多个分立的阶梯孔中的每个孔，所述第一组光束参数使所述光束穿过所述第一主表面而形成第一孔阶梯，该第一孔阶梯具有第一深度且具有第一长轴，且所述第二组光束参数使所述光束穿过所述第二主表面而形成第二孔阶梯，该第二孔阶梯具有第二深度且具有第二长轴，所述第一长轴大于所述第二长轴。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述激光束具有可变的光束形状并具有均匀的光束形状以形成所述第一孔阶梯，且具有高斯光束形状以形成所述第二孔阶梯。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述激光束特征还在于其中间组光束参数包括光斑尺寸和功率级，对于所述多个分立的阶梯孔中的每个孔，所述中间组光束参数使所述光束形成具有中间深度且具有中间长轴的中间孔阶梯，该中间孔阶梯位于所述第一和第二孔阶梯之间，且所述中间长轴小于所述第一长轴而大于所述第二长轴。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述激光束具有均匀的光束形状以形成所述中间孔阶梯。
12.根据权利要求8所述的方法，其中所述激光束的波长短于约400nm。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述膜是以有机材料制成的。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述有机材料包括聚酰亚胺、聚碳酸酯、或PTFE其中之一。
15.一种形成微孔过滤器的方法，包括设置一柔软高分子膜，其具有大致平行的第一和第二主表面，这些主表面之间定义膜厚；在多个位置形成多个分立的阶梯孔，其中每个阶梯孔包括穿过所述第一主表面的第一孔阶梯，该第一孔阶梯具有第一深度且具有第一长轴；以及穿过所述第二主表面的第二孔阶梯，该第二孔阶梯具有第二深度且具有第二长轴；且在所述多个分立的阶梯孔的每个孔中形成所述第二孔阶梯包括引导激光束入射到所述膜上，该激光束特征在于其波长可为所述膜吸收，且在于其光束参数使所述激光束形成具有第二长轴的所述第二孔阶梯，其中所述第二长轴小于所述第一长轴。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述激光束具有高斯光束形状以形成所述第二孔阶梯。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述激光束波长短于约400nm。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述膜是以聚碳酸酯或PTFE制成的。
19.根据权利要求15所述的方法，其中在所述多个分立的阶梯孔中形成所述第一孔阶梯包括将具有凹槽的图案压印到所述第一主表面内，所述凹槽位于与所述阶梯孔位置对应的位置，所述凹槽所具有的深度基本等于所述第一孔阶梯的第一深度。
20.根据权利要求19所述的方法，其中压印具有所述凹槽的图案包括提供一工具膜，该工具膜有图案化的表面，该图案化的表面具有凸起，所述凸起具有的长度对应于所述第一孔阶梯的第一深度；且彼此相对地推压所述工具膜与所述膜的第一主表面，以将凹槽压印到所述膜内，且由此形成所述第一孔阶梯。
权利要求
1.一种微孔过滤器，包括一柔软高分子膜，其具有大致平行的第一和第二主表面，这些主表面之间定义膜厚；及多个孔，所述孔在深度方向穿过所述膜厚而形成所述膜的微孔，从所述第一主表面到所述第二主表面以多个阶梯的形式构造所述多个孔的每个孔，所述多个阶梯具有减小的长轴尺寸。
2.根据权利要求1所述的微孔过滤器，其中所述多个孔中的每个孔包括第一和第二孔阶梯，所述第一和第二孔阶梯具有各自的第一和第二长轴，所述第一孔阶梯是穿过所述第一主表面形成的，而所述第二孔阶梯是穿过所述第二主表面形成的，且所述第一长轴大于所述第二长轴。
3.根据权利要求2所述的微孔过滤器，进一步包括中间孔阶梯，该中间孔阶梯位于所述多个孔中每个孔的第一和第二孔阶梯之间，所述中间孔阶梯具有的长轴小于所述第一长轴而大于所述第二长轴。
4.根据权利要求3所述的微孔过滤器，其中所述第一、第二、及中间孔阶梯具有各自的第一、第二、及中间深度，该中间深度小于所述第一深度而大于所述第二深度。
5.根据权利要求1所述的微孔过滤器，其中所述多个孔中的每个孔包括通过所述膜厚延伸的中心轴，该中心轴相对于所述第一和第二主表面以不垂直倾角倾斜。
6.根据权利要求1所述的微孔过滤器，其中所述膜是以有机材料制成的。
7.根据权利要求6所述的微孔过滤器，其中所述有机材料包括聚酰亚胺、聚碳酸酯、或PTFE其中之一。
8.一种形成微孔过滤器的方法，包括提供一柔软高分子膜，其具有大致平行的第一和第二主表面，这些主表面之间定义膜厚；且引导激光束入射到所述膜上，以在多个位置形成多个阶梯孔，所述激光束的特征在于其波长可为所述膜所吸收，且在于其第一和第二组光束参数包括光斑尺寸和功率级，对于所述多个阶梯孔中的每个孔，所述第一组光束参数使所述光束穿过所述第一主表面而形成第一孔阶梯，该第一孔阶梯具有第一深度且具有第一长轴，且所述第二组光束参数使所述光束穿过所述第二主表面而形成第二孔阶梯，该第二孔阶梯具有第二深度且具有第二长轴，所述第一长轴大于所述第二长轴。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述激光束具有可变的光束形状并具有均匀的光束形状以形成所述第一孔阶梯，且具有高斯光束形状以形成所述第二孔阶梯。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述激光束特征还在于其中间组光束参数包括光斑尺寸和功率级，对于所述多个阶梯孔中的每个孔，所述中间组光束参数使所述光束形成具有中间深度且具有中间长轴的中间孔阶梯，该中间孔阶梯位于所述第一和第二孔阶梯之间，且所述中间长轴小于所述第一长轴而大于所述第二长轴。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述激光束具有均匀的光束形状以形成所述中间孔阶梯。
12.根据权利要求8所述的方法，其中所述激光束的波长短于约400nm。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述膜是以有机材料制成的。
14.根据权利要求13所述的微孔过滤器，其中所述有机材料包括聚酰亚胺、聚碳酸酯、或PTFE其中之一。
15.一种形成微孔过滤器的方法，包括设置一柔软高分子膜，其具有大致平行的第一和第二主表面，这些主表面之间定义膜厚；在多个位置形成多个阶梯孔，其中每个阶梯孔包括穿过所述第一主表面的第一孔阶梯，该第一孔阶梯具有第一深度且具有第一长轴；以及穿过所述第二主表面的第二孔阶梯，该第二孔阶梯具有第二深度且具有第二长轴；且在所述多个阶梯孔的每个孔中形成所述第二孔阶梯包括引导激光束入射到所述膜上，该激光束特征在于其波长可为所述膜吸收，且在于其光束参数使所述激光束形成具有第二长轴的所述第二孔阶梯，其中所述第二长轴小于所述第一长轴。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述激光束具有高斯光束形状以形成所述第二孔阶梯。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述激光束波长短于约400nm。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述膜是以聚碳酸酯或PTFE制成的。
19.根据权利要求15所述的方法，其中在所述多个阶梯孔中形成所述第一孔阶梯包括将具有凹槽的图案压印到所述第一主表面内，所述凹槽位于与所述阶梯孔位置对应的位置，所述凹槽所具有的深度基本等于所述第一孔阶梯的第一深度。
20.根据权利要求19所述的方法，其中压印具有所述凹槽的图案包括提供一工具膜，该工具膜有图案化的表面，该图案化的表面具有凸起，所述凸起所具有的长度对应于所述第一孔阶梯的第一深度；且彼此相对地推压所述工具膜与所述膜的第一主表面，以将凹槽压印到所述膜内，且由此形成所述第一孔阶梯。
全文摘要
一种基于激光的提供微孔过滤器(10)的钻孔技术，该微孔过滤器具有非常小的直径和位置已知的孔(30，30′)。该技术的一个实施例要求使用具有一个或多个均匀光斑尺寸的激光束(62)来形成每一个孔。该激光束在深度方向上烧蚀材料，进入衬底(12)相应的已知距离，从而在每个孔内形成所需数目的孔阶梯(32，38，44)。所述技术的另一实施例要求用压印图案化工具膜(80)，在对应于孔阶梯的具有指定直径和距离的衬底凹槽(32，38)进行压印。在这两个实施例中，具有高斯形状的激光束除去最后一部分材料，从而形成具有非常小直径的最后孔阶梯(44)。
文档编号B01D39/14GK1867387SQ200480029855
公开日2006年11月22日 申请日期2004年8月31日 优先权日2003年10月15日
发明者E·J·斯温森 申请人:电子科学工业公司