CN1986387A - 激光加载实现微纳尺度三维成形的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

激光加载实现微纳尺度三维成形的方法及其装置，属于微机电系统(MEMS)加工技术和激光微加工领域，其先将靶材双面研磨抛光，在靶材上压附一层微米尺度厚的铝膜和一块透明光学介质，分别作为吸收层和约束层。通过压板将约束层，吸收层，靶材和模版固紧在专用靶材装夹器上。开启纳秒脉冲激光器，调节好光路，使由纳秒脉冲激光器输出的激光经凸透镜聚焦到靶材表面，然后对纳秒脉冲激光进行单次发射操作，从而实现靶材的单脉冲激光冲击，进而实现靶材与模版贴合。经本发明冲击形成表面的硬度，耐腐蚀性，耐磨损性，疲劳强度等比普通方法有很大的提高。可广泛的应用于微机电系统的重要结构的零部件，整个加工系统具有易于控制、加工柔性高、无污染的优点。

Description

激光加载实现微纳尺度三维成形的方法及其装置

技术领域

本发明属于微机电系统(MEMS)加工技术和激光微加工领域，特指激光加载实现微纳尺度三维成形的方法及其装置，采用纳秒脉冲激光辐射固体吸收层材料表面，使其表面层气化后形成高温高压的等离子体，等离子体急剧膨胀爆炸产生冲击波冲击固体靶材使其发生微纳尺度的塑性变形。

背景技术

自从1987年在美国举行的IEEE Micro Robot sand Tele operators研讨会首次提出了微机电系统(micro-electromechanical system，MEMS)一词，MEMS技术经过几十年的发展，目前在设计工具与设计方法、制造工艺与相关设备、测试与封装技术、新材料的开发等方面取得了长足的进步。

目前制造MEMS的加工技术主要有三种，第一种是以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件；第二种是以日本为代表的利用传统机械加工手段，即利用大机器制造出小机器，在利用小机器制造出微机器；第三种是以德国为代表的LIGA(德文Lithograpie-光刻，Galvanoformung-电铸的，Abformung注塑三个词的缩写)技术，它是利用X射线光刻技术，通过电铸成型与注塑形成深层微结构的方法。

但是微型化产业所要求的大批量、高效率、高精度、高密集、短周期、低成本、无污染、净成形等固有特点制约了上述微细加工技术的广泛应用。因此面向微细制造的微成形技术(Microforming Technology)在短短十年内得到了迅速发展。面向微细制造的微成形技术研究势在必行，且已成为研究领域和业界的新热点。尤其是大面积的微纳尺度三维成形，一直存在许多技术上的难点。比如要求制造的快速性，制造的可重复性，对周围环境的无污染等方面的要求。本发明提出的激光加载微纳三维成形技术比较好地克服了以上的一些难题。

发明内容

本发明的目的是提供光加载实现微纳尺度三维成形的方法及其装置，其采用纳秒脉冲激光辐射固体吸收层材料，产生冲击波冲击固体靶材，使其发生微纳尺度的塑性变形。是基于纳秒脉冲激光驱动产生的超高应变率(10⁶～10⁷s^-1)和大于材料动态屈服强度应力波的基础上实现的。

本发明按照如下的步骤实现：

先将实验所用的靶材双面研磨抛光。在靶材上压附一层微米尺度厚的铝膜和一块透明光学介质，分别作为吸收层和约束层。通过压板将约束层，吸收层，靶材和模版固紧在专用靶材装夹器上。开启纳秒脉冲激光器，调节好光路，使由纳秒脉冲激光器输出的激光经凸透镜聚焦到靶材表面，然后对纳秒脉冲激光进行单次发射操作，从而实现靶材的单脉冲激光冲击，由于等离子体爆炸瞬时产生的冲量驱动靶材与模版贴合。当激光诱导的峰值压力大于材料的动态屈服强度时，靶材将会产生弹性变形和塑性变形。激光的工作状态参数，材料的物理参数，以及模版的结构参数共同影响，将决定靶材表面复形模版的表面微纳米结构的匹配程度。

激光的工作状态由光斑直径、激光脉宽以及激光单脉冲能量决定，这些参数可通过对纳秒脉冲激光器进行调节来确定，应保证激光诱导峰值压力大于靶材的动态屈服强度，又不能太大，防止破坏模版表面结构。

实现本发明的装置由激光加载系统和靶材装夹系统连接组成。激光加载系统由纳秒脉冲激光器和凸透镜组成，由纳秒脉冲激光器发出的激光光束经过凸透镜聚焦后直接进入靶材装夹系统，其中激光光束采用纳秒脉冲激光器的二倍频输出(波长532nm)或者基波输出(波长1064nm)。靶材装夹系统由压板、光学介质、吸收层、靶材、模版、靶材装夹器组成，压板带有螺旋机构，可旋入靶材装夹器的凹腔。压板紧压光学介质和吸收层，吸收层与靶材之间留有一定间隙，模版固定在靶材装夹器内部，另外应尽量减少光学介质和吸收层的间隙。如有必要，使用真空润滑油脂进行密封。

采用纳秒脉冲激光冲击波冲击材料使其发生微纳尺度的塑性变形，与普通的MEMS加工技术相比，由于应变率极高，成形加工的速度很高，而且表面受到的冲击形成表面残余应力层，使得其表面硬度，耐腐蚀性，耐磨损性，疲劳强度等比普通方法有很大的提高。尤其在微机电系统的重要结构的零部件将会有广泛的应用。此外整个加工系统易于控制、加工柔性高、无污染等优点也是其他普通方法不具备的。

附图说明

图1激光加载实现微纳尺度三维成形的装置示意图

图2激光加载实现微纳尺度三维成形靶材成形加载示意图

图3激光加载实现微纳尺度三维成形靶材表面形貌

1纳秒脉冲激光器，2激光光束，3凸透镜，4压板，5光学玻璃，6吸收层，7靶材，8模版，9靶材装夹器

具体实施方式

图1所示为激光加载实现微纳尺度三维成形的装置示意图，对其细节和实施情况说明如下：

激光加载实现微纳尺度三维成形的装置由激光加载系统和靶材装夹系统组成。激光加载系统由纳秒脉冲激光器1和凸透镜3组成，由纳秒脉冲激光器1发出的激光光束2经过凸透镜聚焦后直接进入靶材装夹系统。靶材装夹系统由压板4、光学玻璃5、吸收层6、靶材7、模版8、靶材装夹器9组成，压板4带有螺旋机构，可旋入靶材装夹器9的凹腔，从而可以并压附光学玻璃5、靶材7固紧于靶材装夹器9的凹腔内。

激光加载实现微纳尺度三维成形的靶材加载如图2所示。在靶材7的表面覆盖一层微米厚度的铝箔作为吸收层，吸收层的作用有二个：一是形成高压等离子体产生冲击波；二是保护靶材表面，使之免受激光光束的热损伤。吸收层上面加以对激光不吸收的光学玻璃5，当经聚焦后的激光光束2穿过透明约束层后，吸收层因吸收激光能量而被部分汽化，继而形成等离子体，由于约束层的存在，等离子体的压力达到GPa级。高压等离子体向外喷射并在靶材内部形成冲击波，从而诱发材料的微纳米塑性形变。另外选择铝箔作为表面吸收层，是由于铝的表面气化能较低，表面易于高压等离子体。

图3是实验得到的激光加载实现微纳尺度三维成形靶材表面形貌。其中图3(a)是DVD-R模版的SEM表面形貌图，线宽约为200nm～250nm；图3(b)脉冲激光加载三维成形后，靶材SEM表面形貌图。

对于某一特定的靶材，激光加载的参数是能否实现微纳尺度三维成形的关键，按如下公式及说明来确定：

(1)激光功率密度I的计算

其中α为吸收层对激光能量吸收系数，通常取0.8，E为单脉冲激光能量，τ为激光脉宽，为激光束光斑直径。

(2)激光诱导峰值压力Pmax的计算

激光诱导峰值压力P户的大小由上述公式中的E、τ、和Z确定。峰值压力太小，若低于靶材动态屈服强度，不能使靶材产生塑性变形，太大则会破坏模版。

$L\left(t\right)={\∫}_0^f[u_1\left(t\right)+u_2\left(t\right)]\mathrm{dt}$

$\frac{\mathrm{dL}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{2}{Z}P\left(t\right),\frac{2}{Z}=\frac{1}{Z_1}+\frac{1}{Z_2}$

$I\left(t\right)=P\left(t\right)\frac{\mathrm{dL}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\frac{3}{2\mathrm{\β}}\frac{d\left[P\left(t\right)L\left(t\right)\right]}{\mathrm{dt}}$

$P\max \left(\mathrm{GPa}\right)=0.01\sqrt{\frac{\mathrm{\β}}{2\mathrm{\β}+3}}\sqrt{Z(g\·{\mathrm{cm}}^{-2}{s}^{-1})}\sqrt{I_0(\mathrm{GW}\·{\mathrm{cm}}^{-2})}$

在方程式中，靶材及约束层对冲击波的阻抗Z_i＝ρ_iD_i(i为材料序号)，ρ_i、D_i代表密度及冲击波传播速率，Z代表约束层与靶材的联合阻抗，L(t)表示t时刻等离子体的厚度，u(t)表示等离子膨胀速度，I₀表示激光峰值功率密度；内能的热能转换系数(0＜β＜1)典型值常取为常数0.1。

(3)靶材动态屈服强度的σ_Y计算

${\mathrm{\σ}}_Y=\frac{1-2v}{1-v}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{HEL}}$

σ_HEL为靶材的Hugonoit弹性极限，v为材料的泊松比。

Claims (4)

1.激光加载实现微纳尺度三维成形的方法，其特征是先将靶材双面研磨抛光，在靶材上压附一层微米尺度厚的铝膜和一块透明光学介质，分别作为吸收层和约束层，通过压板将约束层，吸收层，靶材和模版固紧在专用靶材装夹器上；开启纳秒脉冲激光器，调节好光路，使由纳秒脉冲激光器输出的激光经凸透镜聚焦到靶材表面，然后对纳秒脉冲激光进行单次发射操作，实现靶材的单脉冲激光冲击，进而驱动靶材与模版贴合。

2.根据权利要求1所述的激光加载实现微纳尺度三维成形的方法，其特征是激光的工作状态由光斑直径、激光脉宽以及激光单脉冲能量决定，其中激光诱导峰值压力大于靶材的动态屈服强度：

${\mathrm{\σ}}_Y=\frac{1-2v}{1-v}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{HEL}}$

σ_HEL为靶材的Hugonoit弹性极限，ν为材料的泊松比；但最大压力为

$P\max \left(\mathrm{GP\α}\right)=0.01\sqrt{\frac{\mathrm{\β}}{2\mathrm{\β}+3}}\sqrt{Z(g\·{\mathrm{cm}}^{-2}{s}^{-1})}\sqrt{I_0(\mathrm{GW}\·{\mathrm{cm}}^{-2})}$

靶材及约束层对冲击波的阻抗Z_i＝ρ_iD_i，i为材料序号，ρ_i、D_i代表密度及冲击波传播速率，Z代表约束层与靶材的联合阻抗，L(t)表示t时刻等离子体的厚度，u(t)表示等离子膨胀速度，I₀表示激光峰值功率密度；内能的热能转换系数0＜β＜1典型值常取为常数0.1。

3.激光加载实现微纳尺度三维成形的装置，其特征是由激光加载系统和靶材装夹系统组成，激光加载系统由纳秒脉冲激光器(1)和凸透镜(3)组成，由纳秒脉冲激光器(1)发出的激光光束(2)经过凸透镜聚焦后直接进入靶材装夹系统；靶材装夹系统由压板(4)、光学玻璃(5)、吸收层(6)、靶材(7)、模版(8)、靶材装夹器(9)组成，压板(4)压附光学玻璃(5)、靶材(7)固紧于靶材装夹器(9)的凹腔内。

4.根据权利要求3所述的激光加载实现微纳尺度三维成形的装置，其特征是压板(4)带有螺旋机构。

Images