CN108319113B - 一种玻璃毛细管中加工微结构的变形矫正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种玻璃毛细管中加工微结构的变形矫正方法：(1)设计待制备的微结构的形状和尺寸；(2)通过仿真软件对设计的微结构进行实际建模并仿真；(3)相应的补偿变化，根据变形趋势将待制备的微结构中沿毛细管径向方向的线条进行相应的补偿变化，得出矫正后的线条尺寸并将其代入待制备的微结构中；(4)打开飞秒激光器，将飞秒激光器锁模后导入到微加工工作台中，进行对焦；(5)完成对焦后，进行光刻。本发明能矫正毛细管中制备微结构视场上所发生的变形现象，矫正了在毛细管加工微结构视场上产生的变形误差，矫正方法简单有效，易操作，实现了在玻璃毛细管中精确地制备各种所需的微结构，扩大了毛细管的应用领域。

Description

一种玻璃毛细管中加工微结构的变形矫正方法
技术领域
本发明涉及微结构加工领域，尤其涉及一种玻璃毛细管中加工微结构的变形矫正方法。
背景技术
飞秒激光的产生使人类实现了在实验室条件下获得超短脉冲，相比于长脉冲激光，飞秒激光具有的阈值效应明显、热影响区极小、重铸层极小、可控性高等优点，使其在微细加工中占有极其重要的地位。随着毛细管电泳与质谱、激光诱导荧光检测等联用技术的飞速发展，玻璃毛细管在生命科学、环境保护、食品检测等领域得到广泛应用。普通的玻璃毛细管一般内部中空且内壁光滑，因而限制了其在特殊领域的使用。因此，某些情况下需要在玻璃毛细内部设置阵列图案来研究其光学特性，以及用物理或化学方法对毛细管内壁进行涂层改性来改善毛细管的电泳特性等等，这些应用都需要在玻璃毛细管内壁不同位置制备具有特定分布的微结构。
然而，在玻璃毛细管中制备微结构过程中，由于毛细管曲面管壁以及光刻胶对飞秒激光光束造成的影响，同时还包括光刻胶自身特性的影响，当在内径较小的毛细管中制作体积较大的微结构时会出现变形现象，在视场上，无论是通过CCD还是显微镜，都可以看到飞秒激光沿毛细管径向经曲面折射呈一个横向放大，沿毛细管径向光刻刻痕被拉长。因此在玻璃毛细管内光刻微结构亟需一种可以矫正光刻过程中视场上微结构出现的变形的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术而提供一种操作简单且矫正精度高的玻璃毛细管中加工微结构的变形矫正方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种玻璃毛细管中加工微结构的变形矫正方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)打开微加工工作台，设计待制备的微结构的形状和尺寸并保存至结构库中；
(2)通过仿真软件对上述设计的微结构进行实际建模并仿真，同时仿真出飞秒激光光束聚焦位置以及微结构的尺寸；
(3)将步骤(2)中测得的仿真微结构的尺寸与待制备的微结构进行比较，拟合出微结构沿毛细管径向的变形趋势，根据该变形趋势将待制备的微结构中沿毛细管径向方向的线条进行相应的补偿变化，得出矫正后的线条尺寸，将经矫正后的线条尺寸代入待制备的微结构中；
(4)打开飞秒激光器，将飞秒激光器锁模后导入到微加工工作台中，将内部注满光刻胶的玻璃毛细管横向固定于微加工工作台的三维移动平台上并进行对焦；
(5)完成对焦后，提取控制软件设计并保存矫正好的微结构，用飞秒激光器对该微结构进行光刻。
作为优选，所述步骤(2)中的实际建模和仿真具体包括以下步骤：根据所述毛细管的实际尺寸、上述微结构的实际尺寸及飞秒激光器发射的飞秒激光双光子光束参数，利用上述仿真软件的几何光学模块依据光束入射球形截面进行实际建模并仿真。
作为优选，所述步骤(4)的对焦包括以下过程：控制三维移动平台水平移动而调节玻璃毛细管的高度和位置，并通过正上方的CCD摄像机观察直到发现明暗突变的边界位置，将玻璃毛细管往延伸较深的方向水平移动，直至发现另一明暗突变的边界，取该水平移动的距离的一半，使玻璃毛细管从另一明暗边界处往中间水平移动，此时飞秒激光的焦点落在玻璃毛细管的水平宽度的正中心位置；移动三维移动平台调节玻璃毛细管的高度，使玻璃毛细管升高或降低，运行软件进行光刻，使光刻刻痕刚好出现在毛细管内径的上表面，完成对焦。
作为优选，所述步骤(5)中的光刻时，在毛细管管壁中央，从毛细管内上管壁开始进行光刻。
与现有技术相比，本发明的优点在于：玻璃毛细管的管壁是一个曲面，只考虑玻璃毛细管径向方向相当于球面的一个截面，根据球面折射成像理论，曲面折射成像有一个横向放大率，因此飞秒激光入射沿玻璃毛细管径向所刻线条会发生变形，微结构中所有沿玻璃毛细管径向的线条尺寸均会发生变形。本发明中通过仿真软件仿真待制备的微结构，拟合出微结构沿毛细管径向的变形趋势，从而获得矫正后的尺寸并将该尺寸代入待制备的微结构中，可见本发明能矫正玻璃毛细管中制备微结构视场上所发生的变形现象，矫正了在玻璃毛细管加工微结构视场上产生的变形误差，矫正方法简单有效，易操作，矫正精度高，操作灵活性强，实现了在玻璃毛细管中精确地制备各种所需的微结构，扩大了玻璃毛细管的应用领域。
附图说明
图1为本发明实施例中未矫正的待制备的微结构的示意图；
图2为本发明实施例中矫正后的微结构的示意图；
图3为本发明实施例中未矫正与矫正后微结构光刻图样对比图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1～3所示，一种玻璃毛细管中加工微结构的变形矫正方法，其包括以下步骤：
(1)打开微加工工作台，设计待制备的微结构的形状和尺寸并保存至结构库中。
(2)通过仿真软件对上述设计的微结构进行实际建模并仿真，同时仿真出飞秒激光光束聚焦位置以及微结构的尺寸。
(3)将步骤(2)中测得的仿真的微结构的尺寸与待制备的微结构进行比较，拟合出微结构沿毛细管径向的变形趋势，根据该变形趋势将待制备的微结构中沿毛细管径向方向的线条进行相应的补偿变化，得出矫正后的线条尺寸，将经矫正后的线条尺寸代入待制备的微结构中。
(4)打开飞秒激光器，将飞秒激光器锁模后导入到微加工工作台中，将内部注满光刻胶的玻璃毛细管横向固定于微加工工作台的三维移动平台上并进行对焦。
(5)完成对焦后，提取控制软件设计并保存矫正好的微结构，用飞秒激光器对该微结构进行光刻。
本发明所用的设备包括飞秒激光器及飞秒激光微加工工作台，其中飞秒激光微加工工作台包括配套的uFAB微结构设计及微加工台控制软件。本实施例以在内径为100μm、外径为370μm的玻璃毛细管中制备一个边长为10μm的立方体结构为例对本发明中的变形矫正方法进行具体说明，具体如下：
首先，打开飞秒激光器和微加工工作台及uFAB微加工台配套的控制软件，利用uFAB微加工台配套的控制软件中的Polygon模块设计出边长10μm，边长三层厚度每层间隔1um，高10μm的空心立方体结构并保存到结构库中，如图1所示。
接着，根据玻璃毛细管实际尺寸、上述待制备的微结构实际尺寸及飞秒激光器发射的飞秒激光双光子光束参数，利用仿真软件的几何光学模块依据光束入射球形截面进行实际建模并仿真，通过软件仿真出飞秒激光双光子光束聚焦位置，同时计算仿真的微结构的尺寸。
然后，将上述仿真的微结构的尺寸与uFAB微加工台配套控制软件所设计的待制备的微结构尺寸相对比，拟合出微结构沿毛细管径向的变形趋势，依据此变形趋势将原微结构中沿玻璃毛细管径向方向的线条尺寸进行等比率缩小，得出矫正换算后的线条尺寸，将经过矫正换算的线条尺寸代入原微结构(即待制备的微结构)中，利用uFAB微加工台配套控制软件设计出矫正后的微结构保存到结构库中，如图2所示。
最后，打开飞秒激光器，将飞秒激光器锁模之后导入到微加工工作台，将内部注满光刻胶的玻璃毛细管横向固定于微加工工作台的三维移动平台上并进行对焦，对焦过程如下：控制三维移动平台水平移动而调节玻璃毛细管的高度和位置，并通过正上方的CCD摄像机观察直到发现明暗突变的边界位置，将玻璃毛细管往延伸较深的方向水平移动，直至发现另一明暗突变的边界，取该水平移动的距离的一半，使玻璃毛细管从另一明暗边界处往中间水平移动，此时飞秒激光的焦点落在玻璃毛细管的水平宽度的正中心位置；移动三维移动平台调节玻璃毛细管的高度，使玻璃毛细管升高或降低，运行软件进行光刻，使光刻刻痕刚好出现在玻璃毛细管内径的上表面，完成对焦。依次运行设计并保存好未矫正与矫正好的微结构的bmp格式文件，在毛细管管壁中央，从玻璃毛细管内上管壁开始进行光刻。通过微加工台三维移动平台正上方的CCD摄像机观察的实际光刻图样俯视图，未矫正的微结构出现变形，沿玻璃毛细管径向方向光刻刻痕被拉长，矫正后的微结构未变形，光刻出了我们所要的方形立体结构,如图3所示。
由上可见，玻璃毛细管管壁是一个曲面，只考虑玻璃毛细管管壁径向方向相当于球面的一个截面，因此根据球面折射成像理论，物体的高为y，像的高为y′，由折射定律可得曲面折射成像有一横向放大率m＝y′/y。因此飞秒激光入射沿毛细管径向所刻线条会发生变形，所以微结构中所有沿毛细管径向的线条尺寸均会发生变形。本发明中通过仿真软件仿真待制备的微结构，利用上述原理拟合出微结构沿毛细管径向的变形趋势，从而获得矫正后的尺寸并将该尺寸代入待制备的微结构中，可见本发明能矫正毛细管中制备微结构视场上所发生的变形现象，矫正了在毛细管加工微结构视场上产生的变形误差，矫正方法简单有效，易操作，成本低，矫正精度高，灵活性强，实现了在玻璃毛细管中精确地制备各种所需的微结构，扩大了玻璃毛细管的应用领域。
本实施例中的飞秒激光器选用美国相干公司生产的飞秒激光器，型号为Mari-f900，出射波长设定为780nm。当然也可以选用其他飞秒激光器，只需该飞秒激光器能出射780nm波长的红外激光并能锁模即可。本实施例中的飞秒激光微加工工作台选用为美国Newport公司产生的uFAB型微加工台，其工作波长为780nm，并配套有所述的控制模块，该uFAB微加工台配套控制软件是用来操控微加工工作台上的控制模块的相关软件，并带有图案设计功能，利用该控制软件，可以全局操控微加工工作台上的所有配件的移动，且可设计各种形状、大小的微结构。本实施例中的仿真软件选用COMSOL Multiphysics5.0，COMSOLMultiphysics5.0是一款大型的高级数值仿真软件，广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算，模拟科学和工程领域的各种物理过程。

Claims (1)

1.一种玻璃毛细管中加工微结构的变形矫正方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)打开微加工工作台，设计待制备的微结构的形状和尺寸并保存至结构库中；
(2)通过仿真软件对上述设计的微结构进行实际建模并仿真，同时仿真出飞秒激光光束聚焦位置并计算仿真的微结构的尺寸，具体包括以下步骤：根据所述毛细管的实际尺寸、上述微结构的实际尺寸及飞秒激光器发射的飞秒激光双光子光束参数，利用上述仿真软件的几何光学模块依据光束入射球形截面进行实际建模并仿真；
(3)将步骤(2)中测得的仿真微结构的尺寸与待制备的微结构进行比较，拟合出微结构沿毛细管径向的变形趋势，根据该变形趋势将待制备的微结构中沿毛细管径向方向的线条进行相应的补偿变化，得出矫正后的线条尺寸，将经矫正后的线条尺寸代入待制备的微结构中；
(4)打开飞秒激光器，将飞秒激光器锁模后导入到微加工工作台中，将内部注满光刻胶的玻璃毛细管横向固定于微加工工作台的三维移动平台上并进行对焦，该对焦包括以下过程：控制三维移动平台水平移动而调节玻璃毛细管的高度和位置，并通过正上方的CCD摄像机观察直到发现明暗突变的边界位置，将玻璃毛细管往延伸较深的方向水平移动，直至发现另一明暗突变的边界，取该水平移动的距离的一半，使玻璃毛细管从另一明暗边界处往中间水平移动，此时飞秒激光的焦点落在玻璃毛细管的水平宽度的正中心位置；移动三维移动平台调节玻璃毛细管的高度，使玻璃毛细管升高或降低，运行软件进行光刻，使光刻刻痕刚好出现在毛细管内径的上表面，完成对焦；
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