CN113478088A - 一种改善激光烧蚀微孔、槽内表面粗糙度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微纳米技术领域，具体涉及一种改善激光烧蚀微孔、槽内表面粗糙度的方法，包括以下步骤，S1:使用激光雕刻机对聚合物PMMA基板进行雕刻烧蚀处理，制备所需要的烧蚀孔和烧蚀槽；S2:将雕刻完成的聚合物PMMA基板放置于三氯甲烷溶液；S3:将带有三氯甲烷溶液的聚合物PMMA基板置于超声场；S4:将聚合物PMMA基板从超声场中取出，进行光照处理；S5:待三氯甲烷挥发充分后，使用乙醇溶液清洗聚合物PMMA基板。本发明能够有效改善聚合物PMMA基板微孔、槽表面的粗糙度，提高聚合物PMMA基板微孔、槽内表面的光滑度。

Description

一种改善激光烧蚀微孔、槽内表面粗糙度的方法
技术领域
本发明属于微纳米技术领域，具体涉及一种改善激光烧蚀微孔、槽内表面粗糙度的方法。
背景技术
近些年来，在聚合物PMMA基板上的激光烧蚀微纳米孔、槽等结构的技术，成为了国际上的研究热点，目前已经广泛应用于微流控芯片等领域。它将高分辨率的激光束与数控技术、CAD/CAM技术有机地结合，可直接通过CAD软件绘制切割路径，然后在材料上烧蚀雕刻出微型孔、槽等结构。这与通常使用的化学湿法刻蚀相比，工序大大减小，成本也得到了降低，效率提高了不少，尤其适合于微纳结构的制作、从而引起了人们的关注。激光烧蚀加工聚合物PMMA材料时主要是光热作用为主导，当激光照射在聚合物PMMA板上时，聚合物吸收的光能迅速转化为热能，继而导致材料融化和气化，从而形成了微米尺度的孔、槽等结构。虽然现在的激光烧蚀制备微结构的工艺已经日渐完善，并且十分的便捷、高效。但是当对孔、槽等微结构的粗糙度有了较高的要求之后，往往不经过处理的激光烧蚀微结构已经满足不了需求，需要烧蚀后的内表面要足够的光滑、平整。
综上，本发明提出一种超声波辅助下的改善聚合物PMMA基板微孔、槽内表面粗糙度的新方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，提出了一种改善激光烧蚀微孔、槽内表面粗糙度的方法。
为实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案：
一种改善激光烧蚀微孔、槽内表面粗糙度的方法，包括以下步骤，
S1：使用激光雕刻机对聚合物PMMA基板进行雕刻烧蚀处理，制备所需要的烧蚀孔和烧蚀槽；
S2：将雕刻完成的聚合物PMMA基板放置于三氯甲烷溶液中；以便溶解烧蚀孔和烧蚀槽因激光烧蚀而产生的内表面粗糙颗粒及毛刺等杂质。
S3：将带有三氯甲烷溶液的聚合物PMMA基板置于超声场；利用超声波的振动清洗以及声辐射力作用给三氯甲烷溶液提供压力和振动，让三氯甲烷溶液更加充分溶解烧蚀内壁的颗粒、毛刺等。
S4：等充分溶解之后，将聚合物PMMA基板从超声场中取出，进行光照处理；三氯甲烷易挥发且有毒，应远离人群操作。
S5：待三氯甲烷挥发充分后，使用乙醇溶液清洗聚合物PMMA基板，去除聚合物PMMA基板表面残余的三氯甲烷溶液。
进一步地，步骤S1中，运用机械设计软件CAD绘制出激光雕刻路径，将绘制好的CAD图纸导入激光雕刻机配套软件中。使用CAD绘制出激光雕刻路径，使用激光雕刻机对聚合物PMMA板进行雕刻烧蚀处理，可以高效的制备聚合物微孔、槽等结构，同时还保证了微孔、槽等的直线度。
进一步地，步骤S2中，将雕刻完成的聚合物PMMA基板避光放置在玻璃器皿容器之中，避免在光照条件下，有毒的三氯甲烷溶液挥发。
进一步地，步骤S2中，三氯甲烷溶液的浓度为90％。浓度适当的情况下在保证溶解烧蚀产生的毛刺、颗粒等微小杂质的情况下不会损伤内壁结构。过高的浓度会腐蚀内壁，反而会使内表面产生不平滑的凹坑。
进一步地，步骤S2中，使用针管吸取融于甲醇的三氯甲烷溶液滴在聚合物PMMA基板上。
进一步地，步骤S3中，超声场使用频率为28kHz的超声波发生器。将表面滴有融于甲醇的三氯甲烷溶液的聚合物PMMA基板的玻璃器皿放置在超声波发生器之下，调节超声换能器端，使之对准聚合物PMMA基板，利用超声波的振动以及产生的声辐射力，可以帮助甲醇中三氯甲烷溶液更好流入微孔、槽中，以此提高溶解的效果，大大提高聚合物PMMA内表面的平整性。
进一步地，步骤S5中，待聚合物PMMA基板表面溶液充分挥发之后，取回聚合物PMMA基板，用75％-95％浓度的工业乙醇溶液清洗基板，清除表面残余的融于甲醇的三氯甲烷溶液。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：
(1)利用聚合物PMMA基板易被三氯甲烷溶解的特性，处理激光烧蚀后的聚合物PMMA基板微孔、槽内表面因激光烧蚀产生的微小颗粒与毛刺，大大改善聚合物PMMA基板微孔、槽表面的粗糙度。且三氯甲烷易挥发，便于清洗。
(2)利用超声波的清洗作用和产生的声辐射力。不仅可以辅助溶液进入狭小的微孔、槽之中，还能促使溶液振动，促进溶液对聚合物PMMA基板微孔、槽内表面的溶解，提高表面的光滑度。
(3)采用浓度适当的三氯甲烷，保证溶解烧蚀产生的毛刺、颗粒等微小杂质的情况下不会损伤聚合物PMMA基板内壁结构。
(4)针对在聚合物PMMA基板微孔、槽结构制备过程中，通过激光烧蚀制备的聚合物PMMA微孔、槽结构常存在形变、颗粒、毛刺等一系列的粗糙度问题。本发明基于超声波清洗提出一种改善聚合物PMMA基板微孔、槽结构粗糙度的方法，从而实现制备内表面光滑性能完善的聚合物PMMA基板的微孔、槽结构，为提高聚合物PMMA内部微孔、槽结构表面粗糙度提供新的方案。
附图说明
图1为三氯甲烷溶液的浓度控制为90％并在超声波辅助下，溶解聚合物PMMA基板微孔、槽内表面颗粒、毛刺等杂质的过程示意图。
图2为三氯甲烷溶液的浓度控制为80％并在超声波辅助下，溶解聚合物PMMA基板微孔、槽内表面颗粒、毛刺等杂质的过程示意图。
图3为三氯甲烷溶液的浓度控制为99％并在超声波辅助下，溶解聚合物PMMA基板微孔、槽内表面颗粒、毛刺等杂质的过程示意图。
图4为本实施例聚合物PMMA基板利用激光雕刻机烧蚀孔、槽等微结构过程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步地描述，但本发明的保护范围并不仅仅限于此。
实施例一
如图1所示，一种改善激光烧蚀微孔、槽内表面粗糙度的方法，包括以下步骤，
S1：运用机械设计软件CAD绘制一个10mm*10mm的矩形，作为聚合物PMMA基板，在矩形中间雕刻直径500μm的微孔3-7个，并绘制2-5条不超过矩形长宽的直线。将绘制好的CAD图纸导入激光雕刻机配套软件之中。将3-5mm厚的聚合物PMMA基板放入激光雕刻机之中，然后进行对刀，最后调节激光雕刻机雕刻功率后开始雕刻所需要的烧蚀孔和烧蚀槽；
S2：将雕刻好的具有烧蚀孔和烧蚀槽的聚合物PMMA基板避光放置于玻璃器皿容器之中后，使用针管吸取融于甲醇的三氯甲烷溶液滴在聚合物PMMA基板上。三氯甲烷溶液的浓度控制为90％；
S3：将带有聚合物PMMA基板的玻璃器皿放置在超声波发生器之下。使用频率为28kHz的超声波发生器，调节超声换能器端，使之对准聚合物PMMA基板，利用超声波的振动以及产生的声辐射力，使三氯甲烷溶液流入烧蚀孔、烧蚀槽内；
S4：等聚合物PMMA基板上的烧蚀孔、烧蚀槽内表面充分溶解之后，取出聚合物PMMA基板，置于光照条件下；
S5：待聚合物PMMA基板表面的溶液充分挥发之后，用75％-95％浓度的工业乙醇溶液清洗聚合物PMMA基板，清除聚合物PMMA基板表面残余的三氯甲烷溶液。
实施例二
如图2所示，一种改善激光烧蚀微孔、槽内表面粗糙度的方法，包括以下步骤，
S1：运用机械设计软件CAD绘制一个10mm*10mm的矩形，作为聚合物PMMA基板，在矩形中间雕刻直径500μm的微孔3-7个，并绘制2-5条不超过矩形长宽的直线。将绘制好的CAD图纸导入激光雕刻机配套软件之中。将3-5mm厚的聚合物PMMA基板放入激光雕刻机之中，然后进行对刀，最后调节激光雕刻机雕刻功率后开始雕刻所需要的烧蚀孔和烧蚀槽；
S2：将雕刻好的具有烧蚀孔和烧蚀槽的聚合物PMMA基板避光放置于玻璃器皿容器之中后，使用针管吸取融于甲醇的三氯甲烷溶液滴在聚合物PMMA基板上。三氯甲烷溶液的浓度控制为80％；
S3：将带有聚合物PMMA基板的玻璃器皿放置在超声波发生器之下。使用频率为28kHz的超声波发生器，调节超声换能器端，使之对准聚合物PMMA基板，利用超声波的振动以及产生的声辐射力，使三氯甲烷溶液流入烧蚀孔、烧蚀槽内。
S4：等聚合物PMMA基板上的烧蚀孔、烧蚀槽内表面充分溶解之后，取出聚合物PMMA基板，置于光照条件下。
S5：待聚合物PMMA基板表面的溶液充分挥发之后，用75％-95％浓度的工业乙醇溶液清洗聚合物PMMA基板，清除聚合物PMMA基板表面残余的三氯甲烷溶液。
实施例三
如图3所示，一种改善激光烧蚀微孔、槽内表面粗糙度的方法，包括以下步骤，
S1：运用机械设计软件CAD绘制一个10mm*10mm的矩形，作为聚合物PMMA基板，在矩形中间雕刻直径500μm的微孔3-7个，并绘制2-5条不超过矩形长宽的直线。将绘制好的CAD图纸导入激光雕刻机配套软件之中。将3-5mm厚的聚合物PMMA基板放入激光雕刻机之中，然后进行对刀，最后调节激光雕刻机雕刻功率后开始雕刻所需要的烧蚀孔和烧蚀槽；
S2：将雕刻好的具有烧蚀孔和烧蚀槽的聚合物PMMA基板避光放置于玻璃器皿容器之中后，使用针管吸取融于甲醇的三氯甲烷溶液滴在聚合物PMMA基板上。三氯甲烷溶液的浓度控制为99％；
S3：将带有聚合物PMMA基板的玻璃器皿放置在超声波发生器之下。使用频率为28kHz的超声波发生器，调节超声换能器端，使之对准聚合物PMMA基板，利用超声波的振动以及产生的声辐射力，使三氯甲烷溶液流入烧蚀孔、烧蚀槽内；
S4：等聚合物PMMA基板上的烧蚀孔、烧蚀槽内表面充分溶解之后，取出聚合物PMMA基板，置于光照条件下；
S5：待聚合物PMMA基板表面的溶液充分挥发之后，用75％-95％浓度的工业乙醇溶液清洗聚合物PMMA基板，清除聚合物PMMA基板表面残余的三氯甲烷溶液。
对比例
如图4所示，运用机械设计软件CAD绘制一个10mm*10mm的矩形，作为聚合物PMMA基板，在矩形中间雕刻直径500μm的微孔3-7个，并绘制2-5条不超过矩形长宽的直线，以此雕刻聚合物PMMA基板用于实验。将绘制好的CAD图纸导入激光雕刻机配套软件之中。将3-5mm厚的聚合物PMMA基板放入激光雕刻机之中，然后进行对刀，最后调节激光雕刻机雕刻功率后开始雕刻所需要的烧蚀孔和烧蚀槽。
检测结果分析
三氯甲烷溶液能溶解聚合物PMMA基板的烧蚀孔和烧蚀槽因激光烧蚀而产生的内表面粗糙颗粒及毛刺等杂质。从图1可知，适当浓度的三氯甲烷溶液可以保证溶解烧蚀产生的毛刺、颗粒等微小杂质的情况下不会损伤PMMA基板激光烧蚀微孔、槽内表面结构。从图2可知，三氯甲烷溶液浓度过低又会产生所示溶解不完全的情况，影响光滑度。从图3可知，,三氯甲烷溶液浓度过高时不仅会溶解掉烧蚀毛刺、颗粒等还会腐蚀内表面，反而会使激光烧蚀微孔、槽内表面产生不平滑的凹坑等。从图4可知，不采用三氯甲烷溶液，聚合物PMMA基板的烧蚀孔和烧蚀槽因激光烧蚀，内表面会产生粗糙颗粒及毛刺等杂质。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种改善激光烧蚀微孔、槽内表面粗糙度的方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1:使用激光雕刻机对聚合物PMMA基板进行雕刻烧蚀处理，制备所需要的烧蚀孔和烧蚀槽；
S2:将雕刻完成的聚合物PMMA基板放置于三氯甲烷溶液；
S3:将带有三氯甲烷溶液的聚合物PMMA基板置于超声场；
S4:将聚合物PMMA基板从超声场中取出，进行光照处理；
S5:待三氯甲烷挥发充分后，使用乙醇溶液清洗聚合物PMMA基板。
2.根据权利要求1所述的改善激光烧蚀微孔、槽内表面粗糙度的方法，其特征在于：步骤S1中，运用机械设计软件CAD绘制出激光雕刻路径，将绘制好的CAD图纸导入激光雕刻机配套软件中。
3.根据权利要求1所述的改善激光烧蚀微孔、槽内表面粗糙度的方法，其特征在于：步骤S2中，将雕刻完成的聚合物PMMA基板避光放置在玻璃器皿容器之中。
4.根据权利要求1所述的改善激光烧蚀微孔、槽内表面粗糙度的方法，其特征在于：步骤S2中，三氯甲烷溶液的浓度为90％。
5.根据权利要求1所述的改善激光烧蚀微孔、槽内表面粗糙度的方法，其特征在于：步骤S2中，使用针管吸取融于甲醇的三氯甲烷溶液滴在聚合物PMMA基板上。
6.根据权利要求1所述的改善激光烧蚀微孔、槽内表面粗糙度的方法，其特征在于：步骤S3中，超声场使用频率为28kHz的超声波发生器。
7.根据权利要求1所述的改善激光烧蚀微孔、槽内表面粗糙度的方法，其特征在于：步骤S5中，乙醇溶液为75％-95％浓度的工业乙醇。
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