CN101500934A - 采用激光感应冲击波的微流控器件的制造 - Google Patents

Abstract

公开一种用于制造微流控器件(10)的方法和装置，其中激光用于去除构成该器件的其中一层的所选部分。这部分层可在该层与构成该器件的其它层合并之前被去除，或该部分可在所述层已结合在一起之后去除。用于实现去除的激光束是至少两个激光束(3，4)的组合，其中一激光束(3)是连续激光束，形成要被去除的部分的热熔，另一激光束(4)是脉冲或以某种方式调制的激光束，用于周期性地感应去除这部分的冲击波。这些激光束采用相同的对齐系统的至少一部分(5，8，9)。

Description

采用激光感应冲击波的微流控器件的制造

相关申请的交叉引用

本申请要求于2006年6月7日申请的美国临时专利申请60/811437的优先权，其内容在此全部引用作为参考。本申请还要求2006年6月7日申请的澳大利亚临时专利申请AU2006903098的优先权，其内容在此全部引用作为参考。

本申请还要求2006年11月22日申请的国际(PCT)申请PCT/IB2006/003311的优先权，其内容在此全部引用作为参考。本申请还要求2007年1月11日申请的国际(PCT)申请PCT/AU2007/000012的优先权，其内容在此全部引用作为参考。本申请还要求2007年1月24日申请的国际(PCT)申请PCT/AU2007/000061的优先权，其内容在此全部引用作为参考。本申请还要求2007年1月24日申请的国际(PCT)申请PCT/AU2007/000062的优先权，其内容在此全部引用作为参考。本申请还要求2007年4月10日申请的国际(PCT)申请PCT/AU2007/000435的优先权，其内容在此全部引用作为参考。

技术领域

本发明大体涉及一种用于激光加工一层或多层材料的制造方法和器件。本发明的领域还扩展到与食品和药物分析、医学、诊断和微流控器件和包装有关的部件的制造。

背景技术

本发明大体涉及用于激光加工材料的制造方法和器件。通常，器件的激光工艺包括激光切割、表面加工、表面处理和激光焊接。激光切割通常涉及完全通过基板的切割；表面加工技术则选择性地移除基板的一部分；物理表面处理涉及表面的熔融和蚀刻，而化学表面处理则通常在烧蚀阈值(ablationthreshold)以下进行以改变表面性质；激光焊接通常涉及在两个表面之间选择性地熔融界面材料，并可通过直接表面曝光，或通过用于结合内表面的透射或逆传导焊接(transmission reverse conduction welding)的使用而进行。扫描光束系统对于所有方法都是已知的，光刻系统被用于根据能量密度、材料性质、分辨率和所需产率而建构和表面修改。

多层材料的激光工艺的应用通常包括去除材料的外层，例如去除导线的绝缘带或暴露印刷电路板上的电极，或通过透射和逆传导方法焊接。

透射激光焊接通过对所辐射的激光波长具有透射性的一种材料以及对所辐射的激光波长具有吸收性的其它材料进行。这使得激光束能在两种材料之间选择性地加热，由此当热升高到玻璃转变温度以上时，产生局部的焊接。为了集成到生产环境，主要限制是加工时间，以及兼容材料和可被加工的层数的限制。

除了通过在后板上通过激光吸收产生热以外，逆传导焊接以与透射层焊接类似的方式进行。在吸收层上方被夹持的聚合物膜从其表面传热传导并局部熔化。由于聚合物内均匀的热传导性限制了空间分辨率，该技术只适用于薄膜和相对大的基板。

最近，特殊的激光吸收剂，如Clearweld被用于结合。实际上，这种材料难于应用到微加工基板的大量生产，并且生成略微不透明的焊接，其会减少产品吸引力或与某些器件的操作(例如传感器响应)干涉。

激光还用于微加工基板表面。这些技术通常采用紫外(UV)激光，通常是准分子激光，可产生小到一微米的微小的各向异性刻蚀材料。然而，这种系统昂贵而且处理材料相对慢。最近，焦点在于根据材料厚度使用可加工低至100μm的通道的更冲击波长的UV激光。然而，这种系统产生大的受热影响的区域，会限制微小的结构，例如需要微流控几何条件的结构。以类似的方法，红外(IR)YAG和CO₂激光器被证实在微流控通道制造中只适用于大的结构(几百微米的量级)。

将这种技术应用到制造工艺的挑战涉及完成激光加工工艺所需的时间，以及所得切割或加工表面的形态质量。

本说明书中对现有技术的参考不是、也不应被认为是对现有技术形成公知常识的一部分这一点的承认或任何其它形式的暗示。

发明内容

本发明提供一种用于激光构造一层或多层材料的方法。本发明包括装置、方法和产品。

本发明的方法、装置和器件具有许多优点，包括在各种实施例中，例如：

-较小的热影响区域

-改进的结构特征尺寸

-改进的结构准确度

-改进的结构精度

-简化具有未支撑结构的部分的制造

-采用较便宜的激光，例如IR YAG和CO₂激光器用于微构造

-并行加工

在本发明的第一方面中，提供一种用于制造至少部分器件的方法，所述器件包括基板，其中至少一个激光用于在所述制造工序期间改变所述基板的一部分。某些实施例提供用于制造至少部分多层器件的方法，其中包括利用至少一个激光用于在所述制造工序期间改变所述部分的至少一层。

在本发明的第二方面中，提供一种装置，用于制造包括基板的至少部分器件，所述装置包括至少一个激光源，用于产生激光束以在所述制造工艺期间改变所述基板的至少一部分。某些实施例提供这种装置用于制造至少部分多层器件，包括至少一个光源产生激光束以在所述制造工序期间改变所述部分的至少一层。

在本发明的第三方面中，提供一种根据属于或利用本发明的工序或装置制造的器件的一部分。

在本发明的第四方面中，提供一种根据属于或利用本发明的工序或装置制造的器件。

一些优选实施例特别适用于制造专门器件，例如微流控器件。

具有合适特性的任何合适的激光可用在本发明的方法或装置中。例如，在一些实施例中，可用各种波长，在另一实施例中，可用多个激光束。

在包括多个激光束的实施例中，所述激光束可例如改善所形成的结构和/或简化制造工序。在一些实施例中，所述多个激光束采用所述相同对齐系统的至少一部分。所述多个光束可彼此相互作用或以提高总体加工的方式使用。如此，例如，所述多个激光束可至少部分同时地操作，或可在至少部分并发地或至少部分间断地之间可选地操作。所述多个激光束还可用一个或多个定时特性操作。

在一些实施例中，激光束能量被提高，这可例如使加工加快。如此在一些实施例中，提高的激光束能量能改变主要的加工机制，该加工机制为热熔、等离子成形、键断裂及后续的体积膨胀造成的烧蚀、和多光子键解离中的一种或更多。

具有多个激光束的实施例还可简化制造过程，例如可选地当多个光束采用相同对齐系统的部分时，所简化的制造工艺包括减少成本、改善对齐，提高加工速度。

在一些实施例中，第一激光束和第二激光束关联工作。在一个这样的实施例中，通过激光感应冲击波或通过脉冲激光束，第一激光束形成热熔而第二激光束去除材料。在另一实施例中，可选地在能量密度提高的情况下，第一激光束增加键能或晶格能到受激状态，第二激光束去除材料。在另一实施例中，可选地通过引起用于整形的表面回流、碎屑最少化(debrisminimisation)、晶性(crystallinity)改变、和/或表面化学变更，第一激光束去除材料，第二激光束改变表面形态。在一些实施例中，具有第一波长的第一激光束用于以基板的第一部分为目标，而具有第二波长的第二激光束用于以基板的第二部分为目标。在应用到多层器件的这些实施例的一部分中，第一激光以第一层为目标，而第二激光以第二层为目标。在其它实施例中，第一激光束以基板中的一具体化学键为目标，而具有第二波长的第二激光束用于以基板中不同的化学键为目标。

在一些包括多个激光束的实施例中，多个激光束可在入射在层上之前组合起来。激光束的组合可通过任何合适的方法，例如，通过采用光学元件，例如反射镜或透镜。在一些实施例中，所述多个激光束最初来自相同的光源。

要被激光加工的材料可为任何合适的形式。一些优选实施例包括在基板的一部分中采用添加物，以改变激光束在基板的该部分或其它部分上的效果。如此，例如，所述添加物可影响并可选地改善在该激光波长上的辐射吸收。但是同样，它可提高激光束透射通过基板并因此不直接地影响下面的基板或层。一些实施例包括采用具有吸收和/或反射特性的一部分基板(例如可以是层)影响激光的效果。该特性可为任何合适的形式，例如，它可允许选择性地加工基板(例如可以是层)的吸收部分。

可提供、改变或优化要被激光加工的材料的其它合适方面。例如，材料可包括用于改善结构成形的热传导部分(例如可以是层)。

各种热学技术可用作本发明的一部分。例如，热可被减少或引导以提供改善的结构几何条件或减少在周围材料和结构上的加工工序的效应。

各种掩模技术也可用作本发明的一部分。如此，一个实施例包括在所述激光源和一部分基板(例如层)之间采用掩模部件以限制或改变基板或层的区域上的激光束曝光。掩模或掩模部件可具有任何合适的形式，例如，在与多层器件有关的领域，掩模部件本身可为基板或层的一部分。

本发明还可用于例如通过提供并行加工提高产量。在部分这样的实施例中，所述掩模元件用于在制造过程中对齐各部分。在部分实施例中，所述掩模元件提供更大的空间分辨率(spatial resolution)。其中所述掩模元件可执行一个或更多功能，例如：将热从一部分基板例如层上的区域传走，(b)保护表面不受碎屑影响，和/或(c)工艺期间支撑一个或更多结构。

在采用光学部件改变或聚焦激光束的情况下，本发明可进一步优化。所述光学部件可具有任何合适的形式，例如它可包括一个或更多透镜，棱镜或其它折射、衍射或反射元件。在一些实施例中，所述光学部件简化加工过程中各部分的对齐。所述光学部件执行一个或几个功能，例如改变所述激光束的频率、强度、方向、持续时间或定时中的一个或更多。

在本发明一些实施例中，可在制造工艺期间或之后去除一部分基板例如层。在某些情况下被称为牺牲部分或牺牲层的这种基板或层的去除部分可对本发明增加进一步的好处。在包括被去除的这一部分基板或层的一些实施例中，被去除的部分可执行以下的一个或更多的功能：保护表面免受碎屑影响，热传导，支撑切断或自立结构，聚焦或掩模光束，允许执行二次加工工序。

作为本发明的激光加工和/或制造的对象的所述基板材料和/或层可为任何合适的类型。如此，例如，它们可包括聚合物、金属、金属氧化物、金属箔、纸、硝化纤维、玻璃、聚硅酮(silicone)、光阻材料、陶瓷、木材或织物中的一个或更多。

根据本发明的方法和装置的处理流程可以任何合适的方式安排。在一些实施例中，所述工序采用至少半连续网络，另一些实施例中，所述工序不基于网络。

本发明的方法和装置特别适于采用可选地发生在所述激光步骤之前、期间或之后的额外的非激光工艺步骤。任何合适的非激光步骤可与本发明关联使用。如此，在一些实施例中，非激光工艺步骤包括注塑、微磨削、冲切、热烫膜(hot foil stamping)，冲压(stamping)、压刻(embossing)、热成形(thermoforming)、打印头沉积、光刻、涂布、固化中的一个或几个。在一些实施例中，非激光工艺步骤包括预处理工序，可例如减少由所述激光加工工艺而受热影响的区域。根据本发明的预处理步骤可包括任何合适的步骤，例如，可包括一个或多个：对材料的各部分提供冷却或散热器，或修改材料表面或整体性质以改变材料的热传导或吸收特性。

在一些实施例中，进一步提供后处理工序，可例如可选地构造、固化、表面处理、涂布或初涂一个或更多部分。

热能或热的应用是可具有特别好处的非激光工艺步骤的一个例子。在一个实施例中，要被激光处理的所述基板或层的一个或更多区域，所述基板上的局部区域或刀具被加热以提高刀具周围的材料流动。可采用任何合适的刀具，例如可为压刻刀具。在一个实施例中，激光束在要被压刻的区域上扫描。这种扫描可发生在任何适合的时间，例如在压刻之前、期间或之后。

在一些实施例中，通过选择性地对基板或层的指定区域应用激光而弱化形成结构。这种工艺步骤可用于制成各种有用的结构，例如，爆发阀、撕裂引导器(tearing guide)、孔、网格等。一些实施例用激光通过选择性的应用激光而改变一部分基板层的屏障性质。这可通过任何合适的方式出现，例如通过一部分基板或层的一串或网状的孔。

根据本发明的激光处理步骤可发生在任何合适的阶段。例如，根据本发明的要被制造的器件的部件部分可在器件装配之前或之后激光处理。在一些实施例中，多层器件的装配包括激光处理。这可在例如装配包括激光处理结合步骤出现，该步骤可例如包括激光辅助结合层。

精确对齐对于本发明的某些实施例来说非常重要。在一些实施例中，所述方法或装置包括采用用于对齐的对齐标记，切口，槽或对齐用边缘导引器中的一个或更多。可采用任何合适的控制系统，例如，它可包括一个或多个：机械传感器反馈，光学传感器反馈，部分平移和/或激光扫描调整。

在整个说明书(包括所附任何权利要求)中，除非上下文要求，否则词语“包括”及各自变形均理解为包含所述事物或步骤或事物或步骤的组合，但不排除其它事物或步骤或事物或步骤的组合。

附图说明

图1A和1B是示出多个激光束组合的例子的示意图。

图2是示出一种卡或板生产系统的示意图。

图3是网络或连续生产系统的示意图。

图4是组合进行的激光和压刻工艺的示意图。

图5是同时进行的激光和压刻工艺的示意图。

图6是在多层器件中具有和没有热传导层的情况下进行激光建构的示意图。

图7是在多层器件中层中进行选择性激光加工的示意图。

图8是在多层器件中在激光加工期间使用反射激光的示意图。

图9是由激光加工进行微流控制造的例子的示意图。

图10是由激光加工进行透过透明层制造的微流控器件的例子的示意图。

图11是在多层器件上采用掩模用于激光工艺的示意图。

图12是在多层器件上采用光学元件用于激光工艺的示意图。

图13是在激光加工过程中采用保护层的示意图。

图14是通过激光加工成形爆发阀(burst valve)的例子的示意图。

图15是将撕裂结构(tear structure)加工成多层器件的示意图。

图16是修改多层器件用于受控屏障层性能的示意图。

具体实施方式

这里根据涉及食品和药物分析、医学、诊断和微流控器件和包装的具体优选实施例以便说明本发明。但是，本发明可应用到大范围的领域和产品，并可理解其它结构和布置也可被认为是落在本发明的范围内。对这里所述结构和配置的各种修改、变形和/或添加也可被认为是落在本发明的界限和范围内。

这里，术语“流体”指的是气相或液相材料。这里，术语“微流控”指的是在具有小于1微米的至少一个维度的结构中进行的流体加工、控制或处理。这里，术语“光束”或“光线”指的是在大致相同方向上传播的多于一个光子。本发明中所用的激光加工技术包括但不限于扫描光束和光刻系统。本发明中所用的激光和材料相互作用可为任何合适的类型，例如包括光热、光化学过程或两者的组合。

入射在基板或材料上的激光束可来自单个激光器或多个激光器。在组合多个激光束来加工工件的情况下，光束可以同时或以不同定时特征工作。例如，激光束可以相同或不同的波长工作，或者交替地，并行地，或者同时地以不同的切换频率照射相同的区域。

通过组合多个光束可实现许多改进，例如，增加光束能量密度以提供更快的加工。另外，多光束的组合增加了光束能量密度，使得能够改变主要的加工机制，例如热熔、等离子成形、化学结合断裂及后续的体积膨胀造成的烧蚀，和多光子键解离。另外，当光束用相同的对齐机制输送时，通过减少对齐项(aligning issue)和通过增加处理速度，多光束的组合可简化制造实现方式。一些例子包括：对齐机制的形式可以是激光束采用独立的光路和共同的对齐控制器，或激光束可共享相同的光路，例如激光束引导台可对两个光束是共同的。其中一个例子可为当振镜(galvo mirror)扫描器或x-y驱动输出光学元件对于两个激光束是相同的。这种制造上的改进对于微建构尤其重要，以避免使用额外的昂贵的对齐系统，这种昂贵的对齐系统还会引入与多个对齐系统之间的光束布置的误差有关的进一步的公差要求。采用多光束的另一个优点是它可利用多个处理操作法，这意味着更快的处理和改进的结构成形。这可用各种方式实现，例如：

○由第一激光束熔融成形，并由来自第二激光束的激光感应冲击波(shockwave)移除材料。例子包括组合使用用于熔融成形的连续激光束和引起去除材料的脉冲激光束。

○用第一激光束增加结合能，并第二激光束去除材料。第一激光束将结合或晶格能增加到受激状态，但不将能量密度增加到键解离点。具有更大的光子能量的第二激光束用于引起键解离从而去除材料。

○由第一激光束去除材料，并由第二激光束进行表面形态变化。第二激光束可例如引起表面回流以实现整形，碎屑最少化，晶性改变，和/或表面化学变更。另一激光束可利用热学或熔蚀机制。

○第一激光束引入材料改变，例如晶性，键化学性质，或表面形态，并第二激光束去除材料。例如，第一激光束可增加材料对第二激光束的吸收性质，或替代地用于选择性地减少材料对第二激光束的吸收性。

○对于不同加工材料采用不同波长的激光束。这样，可在相同材料中通过不同的波长采用不同的键能或振动能，或者可在如使用多层器件处理多个材料时对不同的材料或层采用不同的激光。

在一个实施例中，多个激光束在照射材料之前组合，如图1A所示，其中来自两个独立激光器1、2的光束3、4被反射镜5、6、7、8和透镜系统9组合来加工工件10。图1B示出一个例子，其中来自单个光源11的激光束12在部分反射镜13上被分成两个独立的光束22、23，在通过镜元件15、16、17、18和透镜系统20被重新组合以加工工件21之前，其中一个光束22在时序或者波长方面被变更系统12(例如可为延迟线，切换门(switched gate)，或频率倍增器)所变更。激光束的变更的实现可通过任何合适的方式，例如，(a)频率，比如通过如基频是4倍于266nm的1.06μm的YAG激光束的频率倍增，或(b)持续周期，例如连续波激光束被切换成脉冲波形。

激光加工结构可在分立的部分上制造，或制造到连续材料卷上。图2示出用于构造分立部件或物件(如卡)的生产线。在本例中，层叠的材料可在层叠前在系统中被冲压，或可作为独立工艺被转换(converted)。该工艺示出输入/输出接受器24、25和接收ISO 7816格式材料的卡26的卡处理系统。顺序地在卡上进行的工艺包括：激光加工系统27，预成形层叠32的叠层28，压刻29，去头30，和最后编程或编码31。

在图3中示出连续部分的制造或者到网络(web)上的制造的生产线的例子。在本例中，所示模块生产单元与材料进给处理机43交替，并包括：形成原料输入33，形成气泡34，填充35，结合36，印刷37，固化38，张力控制39，材料引导和展开40，通过复合材料进行激光建构41，冲切42，以及最后部分收集44。

根据本发明的结构可被切割、初涂(rendered)或分割成更小的部分。

在本发明的一个实施例中，激光加工部分被结合到其它部件，该部件可以是或不是连续的基板，也可以是或不是平面，也可以由一个或多个部件形成。

在其它实施例中，激光加工工艺可与其它构造工艺组合：例如注塑，微磨削，冲切，热烫膜(hot foil stamping)，冲压，压刻，热成形，打印头沉积，光刻，涂布，固化和其它构造方法。

本发明还可与其它工艺组合以促进激光加工过程或提高激光加工器件的性能。例如，本发明可与一个或更多预处理工序组合，以减少因激光加工工序而受到热影响的区域。这种预处理可包括对部分材料提供冷却或吸热器，或调整材料表面或整体性质以改变热传导或吸收特性。后处理工序还可用于各部分的构造、固化、表面处理、涂布或初涂。例如PCT/AU2007/000061说明了一种组合的压刻工艺，能比正常和热压刻更快地复制压刻特征。通过预处理要用激光压刻的局部区域，局部材料被改变，从而可(a)降低软化点(尤其是在定向膜的情况下)，预热曝光区域，(b)材料回流和(c)在一些情况下，来自压刻区域的烧蚀。

激光处理之后，冲压之前，要被处理的膜的区域，基板或刀具上的局部区域可被加热以提高刀具周围的材料的流动。激光束可曝光整个基板表面或只是要被压刻的区域，如图4所示，其中压刻49之前，聚焦的激光束45在压刻区域46上扫描。然后压刻区域46中的材料在压刻50期间在压刻刀具47周围形成，当压刻刀具47被移除时，将刀具结构复制到材料48上。这一工艺使得在精细结构成形时可用比昂贵且更慢的UV受激准分子(excimer)系统更长波长的激光。与其受激准分子系统不同，这种更长波长系统产生更大的热损害，并通常具有较大的焦斑尺寸，这严重限制其微构造的空间分辨率(spatial resolution)。通过将激光加工工艺与压刻组合，可制造比单独使用激光更细更准确成形的微结构，并比用单独使用压刻形成更大的结构。从而提供比受激准分子激光工艺快得多且便宜得多的方法。类似的，由激光切割工艺产生的金属屑和粗糙边缘也可在构造之后处理以提高通道性能。

其它工艺与激光工艺的组合可同时或以任何顺序发生。在一些实施例中，它同时发生。例如，在一个实施例中，压刻材料是在压刻过程中被激光加工。当压刻刀具被压到材料表面时，激光照射材料的相反侧引起刀具周围的局部回流，从而提高压刻速度，和/或从压刻工艺中复制结构。这种方式的处理还帮助释放回流区域周围材料中的部分感应应力，感应应力在移除刀具时会导致结构变形，这在微结构成形中是致命的。对激光波长透明的材料通常用于在这一工序期间支撑被压刻材料。另一布置中，激光吸收层可为热学地接近压刻区域的薄层，基板可以是透明的，使得激光照射压刻区域被吸收层加热。图5示出在照射56之前，在照射期间57刀具压刻到表面中，然后在照射之后58移除刀具。在这些步骤中，被压刻的材料53由对激光束55透明的载体层54支撑，使得能在材料53与压刻刀具52接触的同时照射材料。

使用对齐标记、切口、槽和/或边缘导向器是在许多制造系统中用于对齐的常规方法。在本工艺的优选实施例中，本发明采用控制系统以帮助对齐并提供质量控制。控制系统中的参数包括但不限于，为改善对齐具有部分平移或激光扫描调整的机构和/或光学传感器反馈。

在本发明某些优选实施例中，一种或更多材料可包括采用添加特定吸收剂，以提高材料对所述激光波长的吸收。

在本发明某些优选实施例中，要被激光处理的器件或部件由多层材料制成。材料的一个或更多层可具有不同的热传导特性，从而可改善结构成形。例如，图6A示出在不增加热传导层的情况下激光束52切割基板材料53，且图4B示出在具有在加工过程中提供热传导的热传导层54的情况下多层基板的激光加工。这种技术可用于减少和/或引导加工过程中的受热影响区域，以提供改进的结构几何条件、或减少在周围材料和结构55上的加工工艺效应。

在本发明某些优选实施例中，要被激光处理的器件或部件由多层材料制成。材料的一个或更多层可具有不同的吸收特性，使得可选择性地加工吸收层，如图7所示。图7A、7B和7C示出在不同结构的吸收层57和透射层58的情况下，通过激光束56分别选择性地加工顶、中、底层。

在本发明的某些优选实施例中，要被激光处理的器件或部件由多层材料制成。材料的一个或更多层可具有不同的吸收和/或反射特性，使得可选择性地加工吸收层。如图8A和8B所示，其中通过经过基板材料61并由表面62反射的激光束60加工出底切的结构59。

本发明的另一优选实施例中，要被处理的多层器件或部件在装配之前被加工。例如图9A示出在结合顶层62之前由激光镂刻基板63，以制造微流控器件。在另一例中，图9B示出在上下密封基板65、67之前通过切割完全通过层66的微流控结构。

在本发明的另一优选实施例中，要被激光处理的器件或部件在装配成多层部件或器件之后被加工。例如，图10示出在微流控器件中通过激光加工形成通道。在本例中，顶层69对于激光束68明显透明，一个或多个底层70吸收相当量的激光能量，使得能形成如过孔、空腔和通道71这样的内部结构。通过采用结合到被加工层的一个或更多层作为牺牲层，并在加工工序后将其移除，这种技术还对于去除碎屑、残片和切断区域特别有效。替代地，通过由激光加工过程在加工区域周围引入的局部熔化和回流，加工工序可将被加工层结合到其相邻层，或改进这些层的结合。

在本发明的另一实施例中，所述器件或部件可与起到掩模部件的层结合以将辐射引导到特定位置上。该方法使得可用较大的激光束生成比用全束曝光通常能实现的更小的结构。通过能由相同的激光束并行加工，较大的激光束和激光幕(1aser curtain)的应用还可用于增加加工工艺的产率。通过采用掩模以提供紧密的公差(tight tolerance)，这种方法还提供降低激光系统对齐要求的优点。这种掩模系统还可以与传统的光刻系统类似的方式提供更大的空间分辨率。另外，如果掩模是所制造部件的一部分，由于简化单个部件上的特征之间以及每个所制造部分之间的对齐，这种掩模系统还可提供制造优点。另外，掩模材料可用于(a)通过从所构造区域传导部分热量而改进样品上受热影响区域，(b)保护基板表面不受碎屑影响，和/或(c)在处理过程中支撑所加工结构。图11示出限制材料72曝光到相对大的激光束或幕73的掩模71。

在本发明的另一实施例中，器件或部件可与采用光学部件(例如透镜、棱镜或其它折射或衍射特征)的层结合，以将辐射聚焦和/或重定向到特定位置上。通过采用光学部件以提供所需紧密公差，这种方法还提供减少激光系统的对齐要求的优点。这种光学部件可通过聚焦辐射而提供更大的空间分辨率。另外，由于光学部件作为所制造部件一部分，从而简化单个器件上的特征之间和每个制造部分之间的对齐，这种光学部件还提供制造优点。

图12示出集成到一个部分上以聚焦激光辐射的光学部件的例子。图12A中的例子示出模塑到对于激光束透明的材料75表面上的透镜74，与未聚焦的辐射相比，被聚焦的辐射提供以更高的速率处理第二材料77或在烧熔阈值之上的更大的局部密度。类似地，图12B的例子示出对于激光辐射80半透明的材料，并在辐射所聚焦的高密度点上发生局部加工79。

在本发明的一些实施例中，多层部分在激光加工工序后，或在部分制造工序后去除一些层。在加工工序期间因为各种原因可应用额外的层，例如，保护表面不受碎屑影响，起到热传导器的作用以最小化加工基板上的受热影响区域，以及支撑切断(cut-out)、或自立(free standing)结构，如USPCT/AU2007/000061中所概括。这些层还可在加工工序期间用于聚焦或掩模光束，提供热传导，或允许出现二次加工工序。

图13所示例子示出用于改进激光加工工艺的保护层，在该例中，基板82具有两个保护层81，83，在加工工序中，所有三个材料被整体切透。许多加工工序导致在顶84和底面85切口周围的变形。通过去除外部牺牲层81，83，具有相对干净表面86，87的内部基板82被留下，并可减少周围区域中的热损伤。

在本发明的一个实施例中，被选择性加工的层用于弱化周围结构以形成爆发阀(burst valve)。这些爆发阀可由部分加工通过多层器件的一层或整个加工通过一层并留下可能在压力下破裂的薄的相邻层而制成。可用相邻的透明、热传导或反射层选择性地加工一层。图14示出在相邻层透明的情况下完全通过一层进行加工而制成的微流控器件中的爆发阀。图14A示出在两个相邻通道89，90之间形成爆发阀88的例子，其通过激光加工91透过对激光辐射透明的基板92并刻蚀内层93，留下由可在压力下爆发的材料制成的薄的非吸收层94而实现。图14B示出类似结构，除了在通道95和热成形液池96之间形成的爆发阀。作为这种液体储存的例子，与激光吸收层相比，与加工层相邻并接触的薄的非加工层可例如具有改进的屏障和化学兼容性。

在本发明的一个例子中，选择性加工层用于弱化周围结构以形成撕裂引导器。例如，图15示出提供用于包装的撕开线98的加工基板97。尽管部分构造层被加工出为用户提供的受控撕裂线，但仍保持包装的屏障性质。到图15A中心的点线99表示图15B所示图像的剖面线。图15B示出在外层101，102保持完整的同时内，基板100被打孔。

在本发明的一个实施例中，选择性加工层用于对多层材料的被选择层打孔，以改变器件的屏障性质。该技术提供另外的优点，允许在多层器件(例如对于整个包装采用相同材料和制造工序的封装)上对屏障性质实现空间控制。在以下图16所示例子中，两个包装热成形盘(two pack thermoformed tray)103采用相同的密封多层叠层，但由加工工艺对每个盘104，105提供不同的屏障性质。到图16A的中心的点线110表示图16B所示图像的剖面线。在本例中，生热盘109由三个层叠层105，106，107密封，而中心层106被打孔以改变其中一个盘容器的屏障性质。

Claims (140)

1.一种用于制造多层器件的至少部分的方法，其中包括使用至少一个激光以在制造工序的过程中改变所述部分的至少一层。

2.根据权利要求1所述的方法，其中使用多于一个波长。

3.根据权利要求1所述的方法，其中包括使用多个激光束。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述多个激光束改善所形成的结构和/或简化制造工序。

5.根据权利要求3所述的方法，其中所述多个激光束使用相同对齐系统的至少一部分。

6.根据权利要求3所述的方法，其中所述多个激光束至少部分同时地操作。

7.根据权利要求3所述的方法，其中所述多个激光束至少部分并发地或至少部分间断地操作。

8.根据权利要求3所述的方法，其中所述多个激光束以一个或多个定时特性操作。

9.根据权利要求1所述的方法，其中激光束能量被提高。

10.根据权利要求9所述的方法，其中提高的激光束能量可使加工加快。

11.根据权利要求9所述的方法，其中提高的激光束能量能改变主要的加工机制，该加工机制为热熔、等离子成形、键断裂及后续的体积膨胀造成的烧蚀、和多光子键解离中的一种或多种。

12.根据权利要求3所述的方法，其中所述多个激光束简化制造加工。

13.根据权利要求12所述的方法，其中可选地当多个光束使用相同对齐系统的部分时，所简化的制造加工包括减少成本、改善对齐，提高加工速度中的一个或多个。

14.根据权利要求3所述的方法，其中通过激光感应冲击波或通过脉冲激光束，第一激光束形成热熔而第二激光束去除材料。

15.根据权利要求3所述的方法，其中第一激光束增加键能或晶格能到受激状态，第二激光束去除材料，可选地能量密度提高。

16.根据权利要求3所述的方法，其中可选地通过引起用于整形的表面回流、碎屑最少化、晶性改变、和/或表面化学变更，第一激光束去除材料，第二激光束改变表面形态。

17.根据权利要求3所述的方法，其中具有第一波长的第一激光束以第一层为目标被使用，而具有第二波长的第二激光束以第二层为目标被使用。

18.根据权利要求3所述的方法，其中多个激光束在入射在层上之前组合起来。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述多个激光束通过光学元件例如反射镜或透镜组合。

20.根据权利要求18所述的方法，其中所述多个激光束最初来自相同的光源。

21.根据权利要求1所述的方法，其中包括在层中使用添加物以改变激光束在该层或其它层的效应。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述添加物影响并可选地改善在该激光波长上的辐射吸收。

23.根据权利要求1所述的方法，其中包括使用具有吸收和/或反射特性的层以影响激光的效果。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所述吸收和/或反射特性允许选择性加工吸收层。

25.根据权利要求1所述的方法，其中包括利用热传导层以改进结构成形。

26.根据权利要求1所述的方法，其中热被减少或被引导以提供改善的结构几何条件或减少加工工序在周围材料和结构上的效应。

27.根据权利要求1所述的方法，其中包括在所述激光源和层之间使用掩模元件以限制或改变所述层的区域上的激光束曝光。

28.根据权利要求27所述的方法，其中所述掩模元件是层。

29.根据权利要求27所述的方法，其中包括并行加工以提高生产量。

30.根据权利要求27所述的方法，其中所述掩模元件用于在制造过程中对齐各部分。

31.根据权利要求27所述的方法，其中所述掩模元件提供更高的空间分辨率。

32.根据权利要求27所述的方法，其中所述掩模元件进行以下一个或多个：将热从层上的区域传走，(b)保护表面不受碎屑影响，和/或(c)加工期间支撑一个或多个结构。

33.根据权利要求1所述的方法，其中包括用光学部件改变或聚焦所述激光束。

34.根据权利要求33所述的方法，其中所述光学部件包括一个或多个透镜，棱镜或其它折射、衍射或反射元件。

35.根据权利要求33所述的方法，其中所述光学部件简化加工过程中各部分的对齐。

36.根据权利要求33所述的方法，其中所述光学部件改变所述激光束的频率、强度、方向、持续时间或定时中的一个或多个。

37.根据权利要求1所述的方法，其中在所述制造工序期间或之后去除层。

38.根据权利要求37所述的方法，其中在去除之前，所述被去除的层执行以下的一个或多个的功能：保护表面免受碎屑影响，热传导，支撑切断或自立结构，聚焦或掩模光束，允许执行二次加工工序。

39.根据权利要求1所述的方法，其中至少一层包括聚合物、金属、金属氧化物、金属箔、纸、硝化纤维、玻璃、聚硅酮、光阻材料、陶瓷、木材或织物中的一个或多个。

40.根据权利要求1所述的方法，其中所述工序使用至少半连续网络。

41.根据权利要求1所述的方法，其中所述工序不基于网络。

42.根据权利要求1所述的方法，其中包括至少一个非激光加工步骤。

43.根据权利要求42所述的方法，其中所述非激光加工步骤发生在所述激光步骤之前、期间或之后。

44.根据权利要求42所述的方法，其中所述非激光加工步骤包括注塑、微磨削、冲切、热烫膜，冲压、压刻、热成形、打印头沉积、光刻、涂布、固化中的一个或多个。

45.根据权利要求42所述的方法，所述非激光加工步骤包括预处理工序，以减少因所述激光加工工序而受热影响的区域。

46.根据权利要求45所述的方法，其中所述预处理工序包括一个或多个以下步骤：对材料的各部分提供冷却或散热器，或修改材料表面或整体性质以改变材料的热传导或吸收特性。

47.根据权利要求42所述的方法，其中包括后处理工序，以可选地构造、固化、表面处理、涂布或初涂一个或多个部分。

48.根据权利要求42所述的方法，其中要被激光处理的所述层中的区域、所述基板上的局部区域或刀具中的一个或多个被加热以提高刀具周围的材料流动。

49.根据权利要求48所述的方法，其中所述刀具是压刻刀具。

50.根据权利要求49所述的方法，其中压刻之前，激光束在要被压刻的区域上扫描。

51.根据权利要求49所述的方法，其中在压刻加工期间，激光束在要被压刻的区域上扫描。

52.根据权利要求1所述的方法，其中通过选择性地应用激光到层的指定区域使其弱化而形成结构。

53.根据权利要求52所述的方法，其中所述结构是爆发阀。

54.根据权利要求52所述的方法，其中所述结构是撕裂引导器。

55.根据权利要求52所述的方法，其中层的屏障性质通过选择性地应用激光而改变。

56.根据权利要求55所述的方法，其中所述改变包括对层打孔。

57.根据权利要求1所述的方法，其中所述多层器件的部件部分在器件装配之前被激光处理。

58.根据权利要求1所述的方法，其中一部分多层器件在器件装配之后被激光处理。

59.根据权利要求1所述的方法，其中所述多层器件的装配包括激光处理。

60.根据权利要求1所述的方法，其中所述装配包括激光处理结合步骤。

61.根据权利要求1所述的方法，其中包括使用对齐标记，切口，槽或边缘导引器中的一个或多个来对齐。

62.根据权利要求1所述的方法，其中包括使用控制系统。

63.根据权利要求62所述的方法，其中所述控制系统包括一个或多个以下部件：机械传感器反馈，光学传感器反馈，部分平移和/或激光扫描调整。

64.根据权利要求1所述的方法，其中所述多层器件是微流控器件。

65.一种根据本发明1到64中任意一项的方法制造至少部分多层器件的装置。

66.一种用于制造至少部分多层器件的装置，其中包括至少一个激光源，用于在所述制造工序中产生激光束以改变所述部分的至少一层。

67.根据权利要求65或66所述的装置，其中包括多个激光束。

68.根据权利要求67所述的装置，其中所述多个激光束至少部分同时地操作。

69.根据权利要求67所述的装置，其中所述多个激光束至少部分并发地或至少部分间断地操作。

70.根据权利要求65或66所述的装置，其中包括光学部件以改变或聚焦所述激光束。

71.根据权利要求70所述的装置，其中所述光学部件包括一个或多个透镜、棱镜或其它折射、衍射或反射元件。

72.根据权利要求70所述的装置，其中所述光学部件简化在加工期间各部分的对齐。

73.根据权利要求70所述的装置，其中所述光学部件改变激光束的频率、强度、持续时间或定时中的一个或多个。

74.根据权利要求65或66所述的装置，其中所述工序利用至少半连续网络。

75.根据权利要求65或66所述的装置，其中所述工序不基于网络。

76.根据权利要求65或66所述的装置，其中包括至少一个非激光加工部分。

77.根据权利要求76的装置，其中所述非激光加工部分包括注塑、微磨削、冲切、热烫膜，冲压、压刻、热成形、打印头沉积、光刻、涂布、固化中的一个或多个。

78.根据权利要求65或66所述的装置，其中所述多层器件是微流控器件。

79.一种根据属于或利用前述任意一项权利要求所述的装置或工序制造的多层器件的一部分。

80.属于或使用权利要求1到79的装置或工序制造的多层器件。

81.根据权利要求79或80所述的器件或其部分，其中所述多层器件是微流控器件。

82.一种用于制造至少部分器件的方法，所述器件包括基板，其中至少一个激光用于在所述制造工序期间改变所述基板的一部分。

83.根据权利要求82所述的方法，其中使用多于一个波长。

84.根据权利要求82所述的方法，其中包括使用多个激光束。

85.根据权利要求84所述的方法，其中所述多个激光束改善所形成的结构和/或简化所述制造工序。

86.根据权利要求84所述的方法，其中所述多个激光束使用所述相同的对齐系统的至少一部分。

87.根据权利要求84所述的方法，其中所述多个激光束至少部分同时操作。

88.根据权利要求84所述的方法，其中所述多个激光束至少部分并发地或至少部分间断地操作。

89.根据权利要求84所述的方法，其中所述多个激光束以一个或多个定时特性操作。

90.根据权利要求82所述的方法，其中激光束能量被提高。

91.根据权利要求90所述的方法，其中提高的激光束能量可使加工加快。

92.根据权利要求90所述的方法，其中提高的激光束能量能改变主要的加工机制，该加工机制为热熔、等离子成形、键断裂及后续的体积膨胀造成的烧蚀、和多光子键解离中的一种或多种。

93.根据权利要求84所述的方法，其中所述多个激光束简化制造加工。

94.根据权利要求93所述的方法，其中可选地当多个光束使用相同对齐系统的部分时，所简化的制造加工包括减少成本、改善对齐，提高加工速度中的一个或多个。

95.根据权利要求84所述的方法，其中通过激光感应冲击波或通过脉冲激光束，第一激光束形成热熔而第二激光束去除材料。

96.根据权利要求84所述的方法，其中可选地在能量密度提高的情况下，第一激光束增加键能或晶格能到受激状态，第二激光束去除材料。

97.根据权利要求84所述的方法，其中可选地通过引起用于整形的表面回流、碎屑最少化、晶性改变、和/或表面化学变更，第一激光束去除材料，第二激光束改变表面形态。

98.根据权利要求84所述的方法，其中具有第一波长的第一激光束用于以基板中的一具体化学键为目标，而具有第二波长的第二激光束用于以基板中不同的化学键为目标。

99.根据权利要求84所述的方法，其中多个激光束在入射在层上之前组合起来。

100.根据权利要求99所述的方法，其中所述多个激光束通过光学元件例如反射镜或透镜组合。

101.根据权利要求84所述的方法，其中所述多个激光束最初来自相同的光源。

102.根据权利要求82所述的方法，其中包括在基板的一部分中使用添加物，以改变激光束在基板的该部分或其它部分上的效果。

103.根据权利要求82所述的方法，其中所述添加物影响并可选地改善在该激光波长上的辐射吸收。

104.根据权利要求82所述的方法，其中包括在所述激光源和所述基板之间使用掩模部件，以限制或改变一部分基板上的激光束曝光。

105.根据权利要求104所述的方法，其中所述掩模元件是一层基板。

106.根据权利要求82所述的方法，其中包括并行加工以提高生产量。

107.根据权利要求104所述的方法，其中所述掩模元件用于在制造过程中对齐各部分。

108.根据权利要求104所述的方法，其中所述掩模元件提供更大的空间分辨率。

109.根据权利要求104所述的方法，其中所述掩模元件进行以下一个或多个：将热从一部分基板传走，(b)保护表面不受碎屑影响，和/或(c)加工期间支撑一个或多个结构。

110.根据权利要求82所述的方法，其中包括用光学部件改变或聚焦所述激光束。

111.根据权利要求110所述的方法，其中所述光学部件包括一个或多个透镜，棱镜或其它折射、衍射或反射元件。

112.根据权利要求110所述的方法，其中所述光学部件简化加工过程中各部分的对齐。

113.根据权利要求110所述的方法，其中所述光学部件改变所述激光束的频率、强度、方向、持续时间或定时中的一个或多个。

114.根据权利要求82所述的方法，其中所述工序使用至少半连续网络。

115.根据权利要求82所述的方法，其中所述工序不基于网络。

116.根据权利要求82所述的方法，其中包括至少一个非激光加工步骤。

117.根据权利要求116所述的方法，其中所述非激光加工步骤发生在所述激光步骤之前、期间或之后。

118.根据权利要求116所述的方法，其中所述非激光加工步骤包括注塑、微磨削、冲切、热烫膜，冲压、压刻、热成形、打印头沉积、光刻、涂布、固化中的一个或多个。

119.根据权利要求116所述的方法，所述非激光加工步骤包括预处理工序，以减少因所述激光加工工序而受热影响的区域。

120.根据权利要求82所述的方法，其中所述预处理工序包括一个或多个以下步骤：对材料的各部分提供冷却或散热器，或修改材料表面或整体性质以改变材料的热传导或吸收特性。

121.根据权利要求82所述的方法，其中包括后处理工序，以可选地构造、固化、表面处理、涂布或初涂一个或多个部分。

122.根据权利要求82所述的方法，其中要被激光处理的所述一个或多个部分的所述基板或刀具被加热以提高刀具周围的材料流动。

123.根据权利要求122所述的方法，其中所述刀具是压刻刀具。

124.根据权利要求123所述的方法，其中压刻之前，激光束在要被压刻的区域上扫描。

125.根据权利要求123所述的方法，其中在压刻加工期间，激光束在要被压刻的区域上扫描。

126.一种用于根据权利要求82到125中任意一项所述的方法制造至少部分器件的装置。

127.一种装置，用于制造包括基板的至少部分器件，所述装置包括至少一个激光源，用于产生激光束以在所述制造加工期间改变所述基板的至少一部分。

128.根据权利要求126或127所述的装置，其中包括多个激光束。

129.根据权利要求128所述的装置，其中所述多个激光束至少部分同时地操作。

130.根据权利要求128所述的装置，其中所述多个激光束至少部分并发地或至少部分间断地操作。

131.根据权利要求126或127所述的装置，其中包括光学部件以改变或聚焦所述激光束。

132.根据权利要求131所述的装置，其中所述光学部件包括一个或多个透镜、棱镜或其它折射、衍射或反射元件。

133.根据权利要求131所述的装置，其中所述光学部件简化在加工期间各部分的对齐。

134.根据权利要求131所述的装置，其中所述光学部件改变激光束的频率、强度、持续时间或定时中的一个或多个。

135.根据权利要求126或127所述的装置，其中所述工序利用至少半连续网络。

136.根据权利要求126或127所述的装置，其中所述工序不基于网络。

137.根据权利要求126或127所述的装置，其中包括至少一个非激光加工部分。

138.根据权利要求137的装置，其中所述非激光加工部分包括注塑、微磨削、冲切、热烫膜，冲压、压刻、热成形、打印头沉积、光刻、涂布、固化中的一个或多个。

139.一种根据或利用权利要求82到138中任意一项所述的工序或装置制造的器件的一部分。

140.一种根据或利用权利要求82到138中任意一项所述的工序或装置制造的器件。

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