一种玻璃微流道的激光复合加工装置的制作方法

本实用新型用于激光加工硬脆透明材料的技术领域，具体涉及一种玻璃微流道的激光复合加工装置。

背景技术：

微流道是微反应器和微流系统的重要组成部分，集成微流道系统被广泛应用于化学、光学、生物医疗和军事等领域。玻璃和硅材料因其化学性能稳定性、可靠性和抗高压高温好、利于电渗流驱动等优点，是制备微流道的高性能材料。但玻璃材料的脆性大使其微加工困难，若采用特殊的工艺制备微流控组件成本高昂，制约了玻璃在微流体领域大规模使用。

近年来，微流道加工工艺取得了快速发展，常用的玻璃微加工工艺包括：化学刻蚀，机械加工，超声加工，玻璃热成型，激光加工等。1)化学刻蚀微流道是目前主要采用的加工方式，需经过表面处理、涂光刻胶、光学曝光、显影等工艺获得所需图形作为掩模板再经过HF腐蚀环境得到成形的微流道，工艺过程繁琐成本高且不环保；2)机械加工玻璃微流道需要使用特定的刀具磨具，加工时需要控制玻璃应力，难度较大；3)超声加工在工作过程中需要添加不同尺寸的研磨料，当工件尺寸在um级别时加工难度将急剧增加；4)玻璃热成型常分为压制成型、吹制成型、扎制成型，是利用玻璃的黏度随温度降低而连续的快速增加的性质，随着黏度的变化，可以流动的玻璃逐渐硬化为固体，而微流控领域需要大面积精细的流道结构，若采用这一方法，将使得过程更加复杂，成本更高；5)激光加工微流道是通过高能激光束聚焦到材料代加工区表面产生高温熔化或气化加工形成加工形貌，该方式工艺简单、图案直写不需要掩模、环保高效。目前普遍认为激光是微纳加工的强有力的工具之一，但由于玻璃材料透过性好，普通红外波段激光在玻璃表面很难聚焦，而采用蓝紫波段或超快激光加工微结构，加工成本较高。

激光背向刻蚀大多采用低能量、短波长和激光较高吸收率的基板，激光穿透代加工材料入射到材料背面的基板，基板吸收激光后温度升高达到代加工物的熔化或气化温度实现材料的去除。该方法可利用低成本的红外激光对透明材料进行微细加工节约设备投入成本，但由于红外激光背向刻蚀微流道存在排屑困难和热应力大等问题，易在沟槽内部产生传统清洗方式难以清除的熔渣堆积和沉积基板微颗粒，为了克服上述问题需选择合适的吸收率的基板以及微沟槽内部熔渣清理方式。激光清洗技术是一种“绿色”清洗方式，无需化学试剂和清洗溶液，除污能力强能适用的基材范围广泛，可实现无损伤清洗。激光清洗设备柔性和适应性高，便于实现自动化操作其运行成本低。

因此，有必要提供一种既能够降低制备成本又能保障加工质量的玻璃微流道的制备方法和装置。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于考虑上述问题而提供一种操作简单，方便实用，成本较低，具有高效环保的激光制备微流道方法。

本实用新型的玻璃微流道的激光复合加工装置由激光背刻和激光清洗两大模块组成。其中激光背刻模块通过切割头透镜组、侧轴进气口、可控移动平台、石墨基板和玻璃基片构成，其功能是以石墨为基底背刻制备初步成形的玻璃微流道样件；激光清洗模块通过激光清洗光束整形系统、X/Y扫描振镜、聚焦镜、背刻初步成形样件、激光清洗夹具构成，其功能是以整形后的激光束为清洗工具对初步成形玻璃微流道样件表面的石墨颗粒沉积物以及熔渣溅射物进行清洗；光路切换组件可对两大模块的光路进行切换，实现激光背刻与激光清洗的集成。

上述背刻模块中石墨基板放置于可控移动平台上且经过表面抛光处理，便于玻璃基片接触紧密形成良好的背刻条件；通过控制切割头Z轴的移动使焦点聚焦于玻璃与石墨的结合面处，背刻过程中切割头侧轴进气口不断的吹入压缩空气，减少背刻过程的热累积。

上述激光清洗模块经过光学整形系统将光束进行空间整形使能量分布更加均匀，并通过扫描振镜和聚焦场镜使激光输出并作用在背刻成形的微流道样件上，附着样件表面的石墨颗粒沉积物以及熔渣溅射物在激光的烧蚀冲击下被清除，样件被清洗干净时激光直接穿透样件清洗自动截止。

本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型采用激光背刻与激光清洗相复合方式实现了微流道的激光复合加工，充分利用了低成本红外波段激光的优势实现微流道的背刻初步成形以及微流道激光清洗修复；本实用新型的玻璃微流道的激光复合加工装置便于集成，是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的加工装置。

附图说明

图1是激光复合制备微流道的加工装置示意图。

图2是激光背刻微流道的局部放大示意图。

图3是激光干式清洗微流道的局部放大示意图。

图4是激光背刻玻璃微流道初步成形示意图。

图5是激光复合制备法成形微流道示意图。

在图1中：1.石墨基板，2.玻璃基片，3.侧轴进气口，4.切割头透镜组，5.光路切换组件，6.激光清洗光束整形系统，7.X/Y扫描振镜，8.聚焦镜，9.背刻初步成形样件，10.激光清洗夹具，11.2工位可控移动平台。

具体实施方式

实施例：

本实用新型的装置示意图如图1、2、3、4、5所示，本实用新型的玻璃微流道的激光复合加工装置由激光背刻模块和激光清洗模块组成。

本实施例中，工位1为激光背刻模块由石墨基板1、玻璃基片2、侧轴进气口3、切割头透镜组4构成以及可控移动平台11构成。

本实施例中，工位2为激光清洗模块由光路切换组件5、激光清洗光束整形系统6、X/Y扫描振镜7、聚焦振镜8、背刻初步成形样件9、激光清洗夹具10以及可控移动平台11构成。

本实施例中，进气侧轴进气口3不断通入0.1MPa压缩空气，减少背刻过程产生的热应力。

本实施例中，上述石墨基板1表面经抛光处理表面粗糙度为Ra 0.04～0.1，利于玻璃基片与石墨基板紧密贴合成形良好的背刻条件。

本实施例中，上述所用激光束为脉冲红外激光；上述激光波长范围700～1400nm；上述激光脉宽范围为0～200ns；上述激光能量密度范围0～500J/cm²；上述激光频率范围0～100KHz；上述激光振镜扫描速度范围1～2000mm/s；上述激光切割头背刻划切次数为1～10次，激光清洗扫描次数1～20次。本实例中，用于背刻激光束的激光器的波长为1064nm、脉宽为100ns、能量密度为198.4J/cm²、频率为40KHz、划切次数2次。用于激光清洗修复初步成形微流道的脉宽为100ns、能量密度为88.16J/cm²、扫描速度为1000mm/s、频率为40KHz、扫面次数3次。

本实用新型激光成形切割蓝宝石基片的加工装置的加工方法，包括以下步骤：

1)将石墨基板1固定在工位1可控移动台11上，并将玻璃基片2紧贴于石墨基板1；

2)调节切割头使出射的激光焦点聚焦于石墨基板1与玻璃基片2的接触面处，同时保证加工切割头侧轴进气口3不断通入压缩空气，气压为5Mpa，减少激光加工过程中热应力；

3)控制工位1可控平台11在X/Y平面的移动，实现微流道背刻初步成形；

4)将初步成形的微流道样件9置于工位2可控平台11的激光清洗夹具10上；

5)通过控制光路切换组件5将光路切换至激光清洗光束整形系统6内进行光束整形再通过X/Y扫描振镜7和聚焦镜8输出；

6)将激光焦点聚焦于初步成形微流道样件9下表面，控制X/Y振镜7的运动对初步成 形玻璃微流道进行激光清洗直至激光完全穿过玻璃，激光清洗完成；

最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对本实用新型保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本实用新型的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。