一種利用紅外納秒雷射在玻璃表面製造微通道的方法
2024-04-15 06:58:05
1.本發明涉及微流體通道製備技術領域，更具體地說，涉及一種利用紅外納秒雷射在玻璃表面製造微通道的方法。
背景技術：
2.玻璃由於其透光性、耐腐蝕性、化學穩定性、絕緣性以及耐高溫和熱衝擊性，在微納米製造、微電子晶片、生物晶片、生物通道、微流體和光電子器件等應用中是非常重要的材料。微流體技術可應用於從生物學，化學到信息技術和光學等各個領域。在透明材料上製備高效的微通道剛好可以滿足微流體技術發展的要求，其應用涉及到化學、生物、醫學和檢測分析等領域。
3.傳統的微流道通過光刻和飛秒雷射直接燒蝕製備，這些技術要求的設備精密且價格昂貴，製造的時間成本和經濟成本都偏高。紅外納秒雷射是目前應用最廣泛的雷射類型之一，但石英玻璃對1064nm的紅外納秒雷射吸收率很低，無法實現材料去除。
4.專利cn111548023b公開了一種利用紅光納秒雷射對玻璃表面微細加工的方法，該方法在玻璃材料表面塗敷一層金屬輔料，利用輔料吸光率較高的特性，實現雷射在塗敷層內部聚焦，有效克服了紅光納秒雷射在加工過程中，由於玻璃本身的透光性過高而無法使雷射聚焦於表面的缺點。但是，該專利輔料塗敷後要靜置48～60小時，加工耗時長，生產周期長，難以滿足大批量生產的要求。專利cn110642524b公開了一種二氧化鈦納米顆粒輔助紅外納秒雷射在玻璃表面製備微結構的方法，但是，在兩片玻璃片之間填充二氧化鈦納米顆粒水凝膠後又分開加工的方法，使得玻璃片表面的二氧化鈦層不夠均勻，二氧化鈦層和玻璃片表面的結合力不夠，不利於形成均勻且較深的微槽。此外，納米粒子和水凝膠的製備比較複雜，工藝要求較高，成本也較高，不適於大批量生產。
技術實現要素：
5.本發明的目的在於克服現有技術中的缺點和不足，提供一種利用紅外納秒雷射在玻璃表面製造微通道的方法。為了達到上述目的，本發明通過下述技術方案予以實現：
6.一種利用紅外納秒雷射在玻璃上製造微通道的方法，其特徵在於，包括以下步驟：
7.步驟1：將待加工的透明玻璃片覆蓋在金屬靶材上方，保證玻璃片與靶材之間有一定間隙；
8.步驟2：雷射照射在金屬靶材上，在玻璃片的下表面形成金屬沉積層；
9.步驟3：將玻璃片翻轉，帶有沉積層的一面朝上，用雷射在玻璃表面的沉積層上燒蝕製備微通道；
10.步驟4：將玻璃表面的沉積層浸泡在酸液中，隨後清洗並乾燥處理。
11.優選地，步驟1中，玻璃片與金屬靶材之間的間隙為20～100μm。
12.優選地，所述金屬靶材為銅、鈦、鈦合金中的一種或兩種以上。
13.優選地，步驟1中，所述透明玻璃片是成分為矽酸鹽復鹽的玻璃片或石英玻璃片。
14.優選地，步驟2中，所述雷射波長為1064nm，脈寬為7ns，掃描速度為50～300mm/s，平均功率為16～20w，頻率為20～50khz，掃描線間距為0.005-0.05mm，掃描次數為1次，雷射焦點位置控制在金屬靶材上表面。
15.優選地，步驟2中所得金屬沉積層的厚度為5～8μm。
16.優選地，步驟3中，所述雷射掃描速度為0.5～20mm/s，平均功率為16～20w，頻率為20～50khz，掃描次數為1次，雷射焦點位置控制在步驟2得到的沉積層表面。
17.優選地，步驟4中，所述酸液為氫氟酸溶液或硝酸溶液，酸液的質量分數為5％-20％，浸泡時間為1-10min。
18.優選地，步驟4中，酸液的質量分數為10％，浸泡時間為2-3min。
19.優選地，步驟4中，清洗步驟為用清水衝洗後放在無水乙醇中清洗。
20.本發明提供的方法原理為：(1)雷射誘導等離子體輔助燒蝕實現玻璃表面金屬化：當雷射照射在靶材上，靶材會吸收雷射的能量，從而發生熔化、氣化並產生等離子體，一方面雷射誘導產生的等離子羽流會對玻璃基體產生燒蝕作用，從而使玻璃表面粗化，利於金屬粒子附著。而另一方面，在燒蝕靶材的過程中，會產生金屬粒子濺射並且沉積在玻璃表面，選擇合適的雷射加工參數就能在玻璃表面得到沉積層。(2)直接雷射燒蝕間接加工玻璃：利用高能量密集度的雷射光束直接輻射在靶材的表面，雷射能量被靶材吸收後轉變為熱能，從而直接實現靶材的熔融和氣化，達到去除材料的目的。由於透明玻璃材料對納秒脈衝雷射不吸收，所以通過直接雷射燒蝕沉積層，沉積層發生熔化和氣化，對玻璃產生燒蝕和去除，從而間接加工玻璃。(3)化學清洗去除沉積層：利用化學溶液與沉積層物質發生化學反應，化學溶液濃度越高反應速度越快，在較短時間內可以有效去除多餘的沉積層且對玻璃基體幾乎沒有損傷。
21.與現有技術相比，本發明具有如下優點和有益效果：
22.(1)加工方法耗時短、成本低、尺寸精度高、參數可控，且設計迭代更改無需制模，可以節省大量的設計成本，符合現代的低生產周期、低生產成本和大批量生產的要求，同時符合微流體技術的發展需求，具有廣闊的應用前景。
23.(2)本發明採用雷射誘導沉積的方法製得的金屬沉積層薄且均勻，與玻璃片有一定結合力，可以加工出均勻且較深的微通道，微通道深度可達20μm。
24.(3)本發明採用雷射燒蝕較薄的金屬沉積層間接加工玻璃，可以有效避免等離子體屏蔽效應對加工的負面影響，使得加工出的微通道均勻性較好。
附圖說明
25.圖1是本發明製備微通道的步驟示意圖，其中，1為靶材、2為玻璃、3為雷射束、4為步驟2的掃描路徑、5為沉積層、6為步驟3的掃描路徑、7為微通道、8為氫氟酸溶液。
26.圖2是製備得到的微通道示意圖，2為玻璃，7為微通道。
27.圖3為製備的微通道的局部形貌圖。
28.圖4為製備的微通道的局部三維形貌圖。
具體實施方式
29.下面結合附圖與具體實施方式對本發明作進一步詳細的描述。
30.實施例
31.如圖1所示，本發明提出了一種在玻璃表面製造微通道的新工藝方法，包括以下步驟：
32.步驟1：將靶材放置在水平工作檯上，將待加工的透明玻璃片覆蓋靶材上方，保證與靶材之間有一定間隙(50μm)。靶材選用鈦及其合金，玻璃選用石英玻璃。
33.本實施例需要對石英玻璃片和鈦靶進行預處理：首先對靶材進行打磨，使其表面較為平整。然後使用去離子水衝洗石英玻璃片和靶材，再自然晾乾。
34.步驟2：採用合適的雷射加工參數照射在靶材上，在玻璃片的下表面製備金屬化合物沉積層；
35.步驟2中，採用的雷射器是波長為1064nm、脈寬為7ns的光纖雷射器；所述雷射器的雷射掃描速度為200mm/s，平均功率為20w，頻率為20khz，掃描線間距為0.01mm，掃描次數為1次；所述雷射器的雷射焦點位置控制在靶材上表面。雷射誘導製備沉積層的方法簡單高效成本很低，沉積層與玻璃的結合度高，牢固且均勻性好，沉積層厚度為6μm。
36.步驟3：將玻璃片翻轉，帶有沉積層的一面朝上，採用合適的雷射參數，在玻璃表面的沉積層上燒蝕製備微通道；
37.步驟3中，所述雷射器的雷射掃描速度為1mm/s，平均功率為20w，頻率為20khz，掃描次數為1次；所述雷射器的雷射焦點位置控制在步驟2得到的沉積層表面。
38.步驟4：將適量氫氟酸溶液滴在玻璃表面的沉積層上，幾分鐘後用清水衝洗，然後放在無水乙醇中清洗，並乾燥處理。
39.步驟4中，氫氟酸質量分數為10％，浸泡時間為3min，用於去除玻璃表面的沉積層。
40.圖4為製備的微通道的局部三維圖，取樣面積為長2mm，寬1.2mm，製備的微通道深度可達22μm。
41.上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。