CN1616180A - 一种基于co2激光器的三维微管道加工设备 - Google Patents
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Abstract
一种基于CO2激光器的三维微管道加工设备，属于先进制造与自动化技术领域。该设备由激光汇聚系统、三维精密平台及温度压力自动调节装置三大部分组成。激光汇聚系统采用自主研制的CO2高功率激光器并进行相应的光学系统设计，实现能够刻蚀微管道的高能量激光束的汇聚。三维精密平台以高精度步进电机驱动，采用高分辨率的增量编码盘作为反馈装置组成闭环控制系统。通过控制激光汇聚系统的激光束及三维精密平台的移动可以实现任意形状三维微管道的制作。这种基于CO2激光器的三维微管道加工设备造价低，工艺简单，并可实现大的深宽比。
Description
技术领域：
本发明为一种基于CO2激光的三维微管道加工设备，属于微机电加工和先进制造与自动化技术领域，该设备将为三维微管道的刻蚀提供一种新的技术途径。
背景技术：
目前，生物芯片技术已成为高效地大规模获取相关生物信息的主要手段。具有三维微纳米级管道的集成生物芯片，在临床疾病诊断、药物筛选和新药开发、环境保护等各个领域起着越来越重要的作用。作为制作生物芯片关键技术之一的微管道加工技术，近年来成为了国内外的研究热点。当前，微管道加工主要有硅微机械加工、LIGA以及一些超微精密机械加工等技术。但是这些技术都存在着以下一些问题：
1、价格昂贵：硅微机械加工技术源于集成电路加工技术，此类加工虽然为较成熟的工艺，但是步骤多，控制复杂，造价比较高。LIGA技术是应用X射线进行暴光并辅以电铸成型的一种崭新的微机械加工方法，其特点是能加工出深宽比较大的微结构，并且使用的材料非常广泛，但是它需要专用的同步辐射光源，加工成本昂贵，与微电子工艺的兼容性差。其他特种超微精密机械加工技术，如能束加工技术、电化学加工技术、电火花加工技术、超声加工技术、光成型加工技术、扫描隧道显微镜加工技术等都存在工艺复杂加工设备昂贵的问题。
2、深宽比小、形状单一：硅微机械加工技术采用的是化学腐蚀、离子刻蚀、薄膜生成技术、牺牲层技术，这些技术都无法制造出高深宽比的微结构且形状比较单一；LIGA技术的局限性是，只能制作没有活动件的三维微结构。
发明内容：
为了降低微管道的制作成本，制造三维形状的微管道，本发明提供了一种CO2激光三维微管道刻蚀的加工系统。该设备主要由激光汇聚系统、三维精密平台及计算机系统等组成。通过控制激光汇聚系统的激光束及三维精密平台的移动可以实现任意形状三维微管道的制作。该系统容易实现多种形状三维管道，且深宽比大，成本较低。
本发明采用的技术方案如下：
整个集成系统主要由激光和汇聚系统、三维精密移动平台和计算机控制系统三大部分组成。计算机系统控制激光器和汇聚系统，同时控制精密移动平台的移动，激光对三维移动平台上的材料进行直接的刻蚀，按照计算机输出的指令对材料进行加工，制造出三维微管道。
激光系统是三维管道加工的能源，由二氧化碳激光管，二级储能脉冲电源、激光汇聚系统三大部分组成。其工作原理为，原始二氧化碳激光管为单管，由于起辉电压为几千伏，我们需要电源提供较高的能量。二级储能脉冲电源根据激光管所需的能量进行设计，其工作峰值能达到几万伏，以保证激光关的正常工作。同时，为了提高光束质量，获得较小光斑汇聚的半径，我们设计了光学扩速系统，最后用汇聚透镜进行汇聚，由于光束质量的改善，我们利用汇聚系统得到了微米级的激光光斑。
三维精密平台适用于X、Y、Z三方向的线性平移精密调节，采用线性轴承导轨、精密滚珠丝杠副。由三个高精度步进电机驱动，分别用以带动平台做X、Y、Z三个方向的运动。其重复定位精度可以达到微米级，满足高精度刻蚀的需要。本发明的有益效果是：
1.造价低。本发明采用CO2激光直接刻蚀材料生成三维微管道的方法，价格仅为国外制造同类三维微管道的其他技术的几分之一甚至几十分之一。
2.工艺简单。本发明采用激光直接刻蚀材料的方法，具有操作简单的特点，不需要复杂的工艺过程，而制作过程容易控制。
3.可实现深宽比较大的微管道。本发明采用的是高能量的激光束，同时因为激光通过汇聚系统后的光斑较小，因此能制作出深宽比较大的微管道。
附图说明
图1是本发明的系统构成图，主要由激光汇聚系统，三维精密移动平台和计算机控制系统构成：
图2是激光汇聚系统的示意图，主要包括激光发光管和光学汇聚系统；
图3是三维精密平台的结构示意图，A为正视图，B为左视图；
图4是步进电机控制电路示意图；
图5是精密移动平台驱动器示意图；
图6是刻蚀控制程序流程图。
图1中：计算机采用的是通用的8051单片机，键盘为4×4小键盘，LCD为16×2点阵式液晶显示器，三维平台步进电机的驱动器ST4HB3YB采用PWM恒流双极性细分驱动技术。
具体实施方式：
在图1中，整个系统主要由2(计算机控制系统)，5(三维精密移动平台)和6、8(汇聚系统、激光器)构成。其中各个部分为：
1为电源系统，2为计算机控制系统，3为输入键盘，4为LCD显示器，5为三维精密移动平台，6为汇聚系统，7为冷却系统，8为激光单元，9为无氧铜反射镜，10为扩速系统，11为凹透镜，12为凸透镜，13为汇聚凸透镜，14为Z向步进电机、15为Y向步进电机、16为X向步进电机，17为单片机，18为8255，19为驱动器。
激光单元8在电源系统1的激励下产生原始激光光束，同时冷却系统7进行冷却，光束经过汇聚系统6的汇聚得到微米级的光束，同时提高了单位面积的激光能量，用于微米级管道的刻蚀。其方法是原始激光光束经无氧铜反射镜改变方向向下垂直照射，再利用望远镜系统(即凹透镜11在前，凸透镜12在后)作为光学系统的扩速系统10，将光束扩速四到五倍，然后经过汇聚凸透镜13，将最后的光斑汇聚为在汇聚透镜13焦点处的光斑直径为150微米以下。扩速系统10的凹透镜11焦距为100mm，凸透镜12焦距为300mm。汇聚透镜13焦距为100mm。其中扩速系统10的镜片间距离为300mm，而扩速系统10距离汇聚凸透镜13为10mm。同时，三维精密移动平台5由计算机控制系统2进行控制，通过16、15、14三个步进电机的驱动实现了X、Y、Z三个方向的运动。
如图4所示，8051单片机17接收从输入键盘3输入的控制命令，通过扩展的8255并行接口18，将脉冲、方向、脱机信号输出到步进电机驱动器19，Z向步进电机14、Y向步进电机15、X向步进电机16将按控制命令预定的轨迹运动。通过控制脉冲的频率和正负，可以控制电机的正反转，速度以及移动的精度，从而控制平台的三维精密移动。运动过程中相应参数的变化将由LCD显示器4实时显示。计算机控制系统控制精密移动平台的三维运动同时也控制激光汇聚系统同步动作，使得激光对固定在三维移动平台上的材料进行直接刻蚀，最终刻蚀出任意形状的三维管道。
图5为步进电机驱动器的接口端口分配示意图。电源从+36V接入，另外一端接地，其为直流电源。给步进电机输入端B+，B-，A+，A-电信号驱动电机的工作。DIP电流细分为拨片结构，控制电机运动的分辨率为1/2到1/256可调整。细分控制需要向COM口输入+5伏的电压保证其工作，DI，DM，DH分别控制细分为从低到高的精度。脱机表示可以电机可以脱机工作，脉冲可以控制单位时间输入脉冲的多少，从而控制电机运动的速度，方向则控制电机运动的正反转。驱动器的上述接口都接入单片机进行控制，从而控制了电机的正反和各种速度精度的运动，最终驱动整个平台的任意图形和速度的运动。
如图6所示，计算机的控制整个刻蚀的过程。首先电源上电，复位到零位，零位校准以后意见也随之初始化。整个系统进入等待工作状态。这时候根据需要输入数据，设置脉冲数，激光脉冲时间等参数，以控制系统刻蚀的方向速度等要求。在参数输入以后执行操作，此时激光刻蚀，配合平台三维运动，实现对材料的三维刻蚀。在脉冲数执行到零，程序停止运行，断开电源，结束刻蚀过程。
本发明设计的CO2激光器的三维微管道刻蚀设备在微管道刻蚀技术领域中尚属首次，我们利用此加工设备不但可以在有机材料上进行三维微管道的加工，而且可以在一些金属、金属氧化物和非金属材料上进行三维微结构的加工。由于激光加工的特点，我们能够得到高深宽比，内壁光洁的微管道。
本加工系统可以用于三维任意形状微管道的加工，同时也可以用于微点、微孔或者微通道的加工，理论上任意三维微结构的加工都可以通过激光的直接刻蚀实现。
Claims (3)
1.一种基于CO2激光器的三维微管道加工设备，其特征在于：它包括激光汇聚系统(6)、三维精密移动平台(5)和计算机控制系统(2)三大部分；计算机控制系统(2)控制精密移动平台(5)和激光汇聚系统(6)的协调动作，实现三维微米级管道的刻蚀。
2.如权利要求1所述的基于CO2激光器的三维微管道加工设备，其特征在于：计算机控制系统(2)中的8051单片机(17)接收从输入键盘(3)输入的控制命令，通过扩展的8255并行接口(18)，将脉冲、方向、脱机信号输出到步进电机驱动器(19)，Z向步进电机(14)、Y向步进电机(15)、X向步进电机(16)将按控制命令预定的轨迹和精度运动；计算机控制系统(2)同时也控制激光汇聚系统(6)的脉宽和能量，从而控制了三维精密移动平台(5)和激光汇聚系统(6)的同步动作，实现了微管道的三维刻蚀。
3.如权利要求1所述的基于CO2激光器的三维微管道加工设备，其特征在于：激光汇聚系统(6)包括CO2激光单元(8)，无氧铜反射镜(9)，汇聚凸透镜(13)和扩速系统(10)，扩速系统由凹透镜(11)和凸透镜(12)组成，其中凹透镜(11)在前，凸透镜(12)在后，由二氧化碳激光单元(8)产生的原始激光光束，经过无氧铜反射镜(9)反射改变方向，向下垂直照射，再经扩速系统(10)进行扩速，最后经过汇聚凸透镜(13)汇聚，将最后的激光汇聚到光斑直径为150微米以下；扩速系统(10)的凹透镜(11)焦距为100mm，凸透镜(12)焦距为300mm；汇聚透镜(13)焦距为100mm；其中扩速系统(10)的镜片间距离为300mm，而扩速系统(10)距离汇聚凸透镜(13)为10mm。
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Cited By (3)
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| CN105479756A (zh) * | 2016-01-08 | 2016-04-13 | 中国石油大学(北京) | 一种3d打印岩石孔隙结构模型的装置和方法 |
| CN105683808A (zh) * | 2013-11-11 | 2016-06-15 | 罗伯特·博世有限公司 | 用于引导激光束的设备和方法 |
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