激光微加工納米孔Al2O3陶瓷膜的方法及分析

1、激光微加工納米孔Al2O3陶瓷膜的方法及分析第37卷增刊12021年1月稀有金屬材料與工程RAREMETALMATERIALSANDENGINEERINGVo1.37,Supp1.1January2021激光微加工納米孔Al2o3陶瓷膜的方法及分析施云波,郭建英,張洪泉,時(shí)強(qiáng)f哈爾濱理工大學(xué),黑龍江哈爾濱150080)摘要:針對(duì)超薄型A12O3易碎加工難的問(wèn)題,提出激光微加工的方法.闡述了激光微加工的原理,通過(guò)聲光調(diào)節(jié)激光器的品質(zhì)因子Q值獲取激光巨脈沖.論述了納米孔A1zO,膜的電化學(xué)定向生長(zhǎng)及其微加工過(guò)程,掃描電鏡揭示了納米孔A1:O,膜易碎易斷的內(nèi)在原因,加工區(qū)域略有灼燒現(xiàn)象.分析了激光輸

2、出脈沖頻率和電流對(duì)陶瓷膜的刻槽深度和寬度的關(guān)系,影響區(qū)最小時(shí),調(diào)Q頻率在9kHz左右,電流應(yīng)控制在10-20A.關(guān)鍵詞:激光微加工;納米孔陶瓷膜;聲光調(diào)Q頻率中圖法分類(lèi)號(hào):TN248.1;TM281文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1002185X(2021)S1817041引言隨著空間技術(shù)開(kāi)展和精密控制技術(shù)的需求,各種系統(tǒng)配套對(duì)器件尺寸,重量和功能的要求也越來(lái)越高,出現(xiàn)了微納器件研究熱潮,但傳統(tǒng)加工和制造方法已經(jīng)不能實(shí)現(xiàn)質(zhì)的提高,限制它的開(kāi)展.在上個(gè)世紀(jì)六十年代激光器的誕生,引發(fā)激光微加工技術(shù)興起,已成為MEMS技術(shù)領(lǐng)域中重要組成局部.激光微加工技術(shù)是依靠激光焦點(diǎn)附近的高能量,將器件基體待加工區(qū)域熔化

3、或氣化,形成所需要的圖樣,與傳統(tǒng)加工比較,它具有聚焦光斑小,工件受熱范圍小,加工精度高,定位準(zhǔn)確,熱影響區(qū)小等特點(diǎn)【1】.由于激光MEMS微加工是非接觸加工,不存在機(jī)械損害問(wèn)題,特別適用于高熔點(diǎn),高強(qiáng)度的合金材料以及如陶瓷,金剛石之類(lèi)非金屬脆硬材料以及其他的一些常規(guī)工藝難以加工的材料.Al2O3陶瓷是目前各類(lèi)器件中最常有的基體材料,傳統(tǒng)的陶瓷工藝極限尺寸在0.2mm以上,很難適用于微納器件.利用陽(yáng)極氧化形成納米級(jí)多孔氧化鋁陶瓷的出現(xiàn),除了保持原有高強(qiáng),高硬,耐熱,耐蝕性能外,它的超薄性和納米孔可組裝性等特性有望在催化,磁,光,電,敏感等微納器件方面得以應(yīng)用,但存在著超薄易碎而造成加工困難問(wèn)題引

4、.而激光微加工的特征尺寸都在幾十微米到幾微米,采用激光微加工納米級(jí)多孔氧化鋁陶瓷或其他超薄結(jié)構(gòu)體是最理想的手段之一鍆.本文概述了激光微加工的根本原理,闡述了納米Al2O3陶瓷膜的電化學(xué)定向生長(zhǎng)工藝和激光MEMS微加工工藝過(guò)程,分析了加工工藝參數(shù)與加工效果關(guān)系,討論了控制最正確工藝的方法.2激光微加工根本原理2.1聲光調(diào)Q控制原理高光束質(zhì)量的YAG激光器加工陶瓷基片,是利用連續(xù)調(diào)Q激光器和精密加工工作臺(tái)在控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)對(duì)材料進(jìn)行加工.未加控制的脈沖激光器輸出的激光脈沖是由一系列雜亂不等的小尖峰脈沖所組成,對(duì)于一個(gè)光脈沖,假設(shè)脈沖能量越高,寬度越窄,那么可望獲得的脈沖峰值功率越強(qiáng).因此,必須設(shè)法控

5、制激光器,使分散在數(shù)百個(gè)小尖峰脈沖中輻射出來(lái)的能量集中在時(shí)間極短的一個(gè)脈沖內(nèi)釋放出來(lái),使之成為功率達(dá)兆瓦級(jí)以上的巨脈沖輸出.獲得激光巨脈沖通常采取能量的貯存及快速釋放的根本途徑,其實(shí)質(zhì)是首先使能量以一定的形式貯存起來(lái),當(dāng)能量貯存得足夠多時(shí),使之快速釋放.其原理是基于諧振腔Q值的突變,Q值是激光器的采用品質(zhì)因子,即Q:2兀一:2rmL(1)c/兒其中,為激光中心頻率,為激光在真空中波長(zhǎng),E為儲(chǔ)存能量,),為腔內(nèi)傳播一個(gè)單程時(shí)能量損耗率,為腔長(zhǎng),為腔內(nèi)折射率,C為光速.顯然,Q值與諧振腔的損耗成反比,Q值越高,那么光在諧振腔內(nèi)傳播時(shí)容易產(chǎn)生激光震蕩.因此,通收稿日期:2007.09.18基金工程:

6、重大根底(973)前期研究專(zhuān)項(xiàng)"新型陶瓷膜電化學(xué)腐蝕生長(zhǎng)及其微加工技術(shù)根底研究"資助(2003CCC01100)作者簡(jiǎn)介:施云波,男,1966年生,博士,教授,哈爾濱理工大學(xué)測(cè)控技術(shù)與通信工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150080, :0451.86390840?8l8?稀有金屬材料與工程第37卷過(guò)調(diào)節(jié)Q值的方法就可獲得高質(zhì)量的激光輸出.其中,聲光調(diào)Q技術(shù)是最先進(jìn)的調(diào)節(jié)Q值的方法.當(dāng)聲波在某些介質(zhì)中傳播時(shí),該介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生與聲波信號(hào)相應(yīng)的,隨時(shí)間和空間周期變化的彈性形變,從而導(dǎo)致介質(zhì)折射率的周期變化,形成等效的位相光柵,其光柵常數(shù)等于聲波波長(zhǎng).光束射到此介質(zhì)時(shí)發(fā)生衍射,一局部光偏離原來(lái)

7、方向,折射率變化是換能器長(zhǎng)度的位相光柵后光波相位變化的幅度,即,'一一J=卵.d=(2)(2).式中,是介質(zhì)折射率變化副值,d與分別為換能器的長(zhǎng)度與寬度,是聲光介質(zhì)的品質(zhì)因素,P是超聲驅(qū)動(dòng)功率.聲光調(diào)Q布拉格衍射的聲光Q開(kāi)關(guān)由一塊激光波長(zhǎng)透明的聲光介質(zhì)及換能器組成,常用的聲光介質(zhì)有熔融石英,鋁酸鉛及重火石玻璃等.聲光介質(zhì)外表粘接有由鈮酸鋰,石英等壓電材料薄片制成的換能器,其作用是將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波.聲光開(kāi)關(guān)置于激光器中,在超生場(chǎng)作用下發(fā)生衍射,由于一級(jí)衍射光偏離諧振腔而導(dǎo)致?lián)p耗增加,從而使激光振蕩難以形成,激光高能級(jí)大量積累粒子.假設(shè)這時(shí)突然撤除超聲場(chǎng),那么衍射效應(yīng)即刻消失,諧振腔

8、損耗突然下降,激光巨脈沖隨即形成.2.2工作原理聲光調(diào)Q激光微加工系統(tǒng)工作原理.激光器提供激光光源后,經(jīng)擴(kuò)束裝置將光源擴(kuò)束后傳播,再經(jīng)過(guò)聚焦后,經(jīng)反射鏡對(duì)光源發(fā)出的有用光高反,對(duì)于其他波長(zhǎng)的光高透,物鏡將有用光聚焦,光斑聚焦于工件上,工件固定于XY二維平臺(tái)上,通過(guò)工件與光源的相對(duì)運(yùn)動(dòng)到達(dá)預(yù)期的加工軌跡和加工效果.CCD攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)視頻采集卡接口,對(duì)工件的圖像采集,處理和工件的觀(guān)察,以PC計(jì)算機(jī)的基代碼程序編寫(xiě)和調(diào)用對(duì)所要加工的工件進(jìn)行圖形設(shè)計(jì),并與電控系統(tǒng)雙向通訊完成XY平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制,電控系統(tǒng)與PC計(jì)算機(jī)雙向通訊,確定加工的路徑,計(jì)算機(jī)指令調(diào)Q激光的開(kāi)關(guān)完成加工.3實(shí)驗(yàn)3.1納米級(jí)多孔Al

9、2o3陶瓷A12O,陶瓷是采用電化學(xué)定向生長(zhǎng)工藝制作的50200m厚度的納米A12O3陶瓷膜,鋁的化學(xué)定向腐蝕生長(zhǎng)所用的電解液為酸性溶液,鋁,鉛作為陰極,僅起導(dǎo)電作用.鋁在化學(xué)定向腐蝕生長(zhǎng)時(shí),在陽(yáng)極發(fā)生氧化復(fù)原反響生成氧化膜,當(dāng)膜的生成速度大于溶解速度,膜的厚度不斷增加;隨著厚度的增加,其電阻也增大,結(jié)果使膜的生長(zhǎng)速度減慢,一直到與膜溶解速度相等時(shí),膜的厚度到達(dá)一定值.其工藝過(guò)程:鋁箔外表處理(去污,去脂)一化學(xué)拋光一超聲波清洗一電化學(xué)定向生長(zhǎng)一膜剝離一清洗殘留物一熱處理一納米級(jí)Al2O3陶瓷膜3.2激光MEMS微加工雖然形成的Al2O3陶瓷膜保存?zhèn)鹘y(tǒng)陶瓷的根本特性,但存在著超薄易碎而造成加工

10、困難問(wèn)題,采用激光加工是此類(lèi)陶瓷加工的最正確選擇,具體過(guò)程如下:圖形設(shè)計(jì)一加工軟件編程一激光加工參數(shù)調(diào)整一通N2保護(hù)一激光加工一切割一加工面處理4結(jié)果與討論4.1加工件微觀(guān)分析圖l和圖2分別是納米孔Al2O3陶瓷基板的端面和正面掃描電鏡照片.端面照片說(shuō)明加工選擇的基板厚度為4050um,由密排豎立的柱狀晶體生長(zhǎng)而成,決定了基板在縱向受到剪切力后,易發(fā)生折斷.正面照片說(shuō)明膜結(jié)構(gòu)的多孔性,具有多孔的六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu),可使膜層對(duì)各種有機(jī)物,無(wú)機(jī)物等表現(xiàn)良好的吸附能力.但其強(qiáng)度就遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)陶瓷,受到橫向壓力后,易發(fā)生斷裂.圖1A12O3基板端面SEM照片F(xiàn)ig.1SEMimageoftheheadof

11、A1203baseplate圖2A12O3基板正面SEM照片F(xiàn)ig.2SEMimageofthefacadeofA1203baseplate增刊1施云波等:激光微加工納壘l2O3堡墮鯊坌塹一一一:圖3和圖4分別是激光微加工后的A12O3陶瓷基板的端面和正面微觀(guān)掃描電鏡照片.由圖3及圖4可知,激光對(duì)其加工區(qū)域略有灼燒現(xiàn)象.圖3激光微加工后的Al2O基板端面灼燒掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3SEMmicrographoftheheadoflasermicroprocessingA1203baseplateburnt圖4激光微加工后的A1203基板正面灼燒SEM照片F(xiàn)ig.4SEMimageofthefac

12、adeoflasermicroprocessingA1203baseplateburnt4.2加工條件分析4.2.1脈沖頻率的影響圖5和圖6分別是激光加工脈沖頻率對(duì)Al2O3陶瓷基板的刻槽深度和寬度的關(guān)系.當(dāng)激光調(diào)Q頻率從最小值逐漸增大,刻槽深度隨之增大,但增大趨勢(shì)減小,當(dāng)激光調(diào)Q頻率增大到一定值時(shí),大約在8kHz,再增大激光調(diào)Q頻率時(shí),刻槽深度就逐漸減小.當(dāng)達(dá)到l5kHz以上后,刻槽深度幾乎不受激光調(diào)Q頻率變化的影響.而隨著激光調(diào)Q頻率的增加,能量更加集中,刻槽寬度開(kāi)始慢慢變窄,當(dāng)調(diào)Q頻率繼續(xù)增大,激光平均輸出功率增大,而影響區(qū)變大,從而刻槽寬度變大,影響區(qū)最小時(shí),調(diào)Q頻率在9kHz左右.4

13、.2.1輸出電流的影響圖7和圖8分別是激光加工輸出電流對(duì)Al2O3陶瓷基板的刻槽深度和寬度的關(guān)系.激光器輸出的電流范圍為822A,刻槽深度和寬度都隨輸出電流的增大而增大,這是由于隨著激光輸出電流的增大,單位時(shí)間內(nèi)試樣材料所吸收的激光束能量增加造成的.呂i苞0凸.g暑?0凸圖5激光加工脈沖頻率與刻槽深度關(guān)系Fig.5TherelationoflaserprocessingpulsefrequencyanddevillingdepthPulseFrequency/kHz圖6激光加工脈沖頻率與刻槽寬度關(guān)系Fig.6Therelationbetweenlaserprocessingpulsefrequ

14、encyanddevillingwidthCurrentOutput/A圖7刻槽深度與激光輸出電流關(guān)系Fig.7Therelationbetweenlaseroutputcurrentanddevillingdepth理論上刻槽深度對(duì)激光輸出電流呈線(xiàn)性關(guān)系,但由于氣化后材料吸收了局部激光能量和凝結(jié)增多,刻槽深度隨激光輸出能量增加而增加的梯度在減小,而刻槽寬度還跟激光的熱影響區(qū)有關(guān),熱影響區(qū)的增大?820?稀有金屬材料與工程第37卷隨激光增大的變化越來(lái)越小.所以,其隨激光輸出電流的增大變化越來(lái)越不明顯,但其變化比深度變化要明顯.因此,輸出電流應(yīng)控制在1020A之問(wèn).CurrentOutput/A

15、圖8刻槽寬度與激光輸出電流關(guān)系Fig.8Therelationoflaseroutputcurrentanddevillingwidth5結(jié)論Al2O3陶瓷膜厚度為幾十微米,外表孔徑為約100nm多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),激光微加工時(shí)Al2O3陶瓷膜加工面有灼燒痕跡,激光輸出電流和脈沖頻率影響著加工面的刻槽深度和寬度,根據(jù)需要確定加工參數(shù).參考文獻(xiàn)References【1】JohnsonKL.ProcIntPowerBeamCenAC.SanDiego:IntPowerBeanSocing,2002【2】DomackS,BaughmanFM.ApirdRototypingAvraalJ,2005,11(1

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17、0,China)Abstract:AmethodoflasermicroprocessingisdevelopedtargetingtheproblemoffragilenessanddifficultprocessingofultrathinA1203Basedontheprincipleoflasermicroprocessing,lasergiantpulsewasobtainedthroughthequalityfactorQvalueofacoustoopticadjustedlaser.Theelectrochemistryorientatedgrowthandmicroproce

18、ssingofnanometerporousA1203filmwerediscussed.ScanningElectronMicroscope(SEM)revealedthereasonwhynanometerporousA1203filmwasfragileandbrokeneasily.Burningintheprocessingareawasobserved.Therelationshipbetweenthelaseroutputpulsefrequencyandcurrentandceramicfilmdevillingdepthandwidthwasdiscussed.TheQ-switchedfrequencywasabout9kHzforsmallinfluenceareas,andthecurrentwasintherangeof10-20A.Keywor