激光微加工纳米孔Al2O3陶瓷膜的方法及分析

1、激光微加工纳米孔Al2O3陶瓷膜的方法及分析第37卷增刊12021年1月稀有金属材料与工程RAREMETALMATERIALSANDENGINEERINGVo1.37,Supp1.1January2021激光微加工纳米孔Al2o3陶瓷膜的方法及分析施云波,郭建英,张洪泉,时强f哈尔滨理工大学,黑龙江哈尔滨150080)摘要:针对超薄型A12O3易碎加工难的问题,提出激光微加工的方法.阐述了激光微加工的原理,通过声光调节激光器的品质因子Q值获取激光巨脉冲.论述了纳米孔A1zO,膜的电化学定向生长及其微加工过程,扫描电镜揭示了纳米孔A1:O,膜易碎易断的内在原因,加工区域略有灼烧现象.分析了激光输

2、出脉冲频率和电流对陶瓷膜的刻槽深度和宽度的关系,影响区最小时,调Q频率在9kHz左右,电流应控制在10-20A.关键词:激光微加工;纳米孔陶瓷膜;声光调Q频率中图法分类号:TN248.1;TM281文献标识码:A文章编号:1002185X(2021)S1817041引言随着空间技术开展和精密控制技术的需求,各种系统配套对器件尺寸,重量和功能的要求也越来越高,出现了微纳器件研究热潮,但传统加工和制造方法已经不能实现质的提高,限制它的开展.在上个世纪六十年代激光器的诞生,引发激光微加工技术兴起,已成为MEMS技术领域中重要组成局部.激光微加工技术是依靠激光焦点附近的高能量,将器件基体待加工区域熔化

3、或气化,形成所需要的图样,与传统加工比较,它具有聚焦光斑小,工件受热范围小,加工精度高,定位准确,热影响区小等特点【1】.由于激光MEMS微加工是非接触加工,不存在机械损害问题,特别适用于高熔点,高强度的合金材料以及如陶瓷,金刚石之类非金属脆硬材料以及其他的一些常规工艺难以加工的材料.Al2O3陶瓷是目前各类器件中最常有的基体材料,传统的陶瓷工艺极限尺寸在0.2mm以上,很难适用于微纳器件.利用阳极氧化形成纳米级多孔氧化铝陶瓷的出现,除了保持原有高强,高硬,耐热,耐蚀性能外,它的超薄性和纳米孔可组装性等特性有望在催化,磁,光,电,敏感等微纳器件方面得以应用,但存在着超薄易碎而造成加工困难问题引

4、.而激光微加工的特征尺寸都在几十微米到几微米,采用激光微加工纳米级多孔氧化铝陶瓷或其他超薄结构体是最理想的手段之一钔.本文概述了激光微加工的根本原理,阐述了纳米Al2O3陶瓷膜的电化学定向生长工艺和激光MEMS微加工工艺过程,分析了加工工艺参数与加工效果关系,讨论了控制最正确工艺的方法.2激光微加工根本原理2.1声光调Q控制原理高光束质量的YAG激光器加工陶瓷基片,是利用连续调Q激光器和精密加工工作台在控制系统的协调对材料进行加工.未加控制的脉冲激光器输出的激光脉冲是由一系列杂乱不等的小尖峰脉冲所组成,对于一个光脉冲,假设脉冲能量越高,宽度越窄,那么可望获得的脉冲峰值功率越强.因此,必须设法控

5、制激光器,使分散在数百个小尖峰脉冲中辐射出来的能量集中在时间极短的一个脉冲内释放出来,使之成为功率达兆瓦级以上的巨脉冲输出.获得激光巨脉冲通常采取能量的贮存及快速释放的根本途径,其实质是首先使能量以一定的形式贮存起来,当能量贮存得足够多时,使之快速释放.其原理是基于谐振腔Q值的突变,Q值是激光器的采用品质因子,即Q:2兀一:2rmL(1)c/儿其中,为激光中心频率,为激光在真空中波长,E为储存能量,),为腔内传播一个单程时能量损耗率,为腔长,为腔内折射率,C为光速.显然,Q值与谐振腔的损耗成反比,Q值越高,那么光在谐振腔内传播时容易产生激光震荡.因此,通收稿日期:2007.09.18基金工程:

6、重大根底(973)前期研究专项"新型陶瓷膜电化学腐蚀生长及其微加工技术根底研究"资助(2003CCC01100)作者简介:施云波,男,1966年生,博士,教授,哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院,黑龙江哈尔滨150080, :0451.86390840?8l8?稀有金属材料与工程第37卷过调节Q值的方法就可获得高质量的激光输出.其中,声光调Q技术是最先进的调节Q值的方法.当声波在某些介质中传播时,该介质会产生与声波信号相应的,随时间和空间周期变化的弹性形变,从而导致介质折射率的周期变化,形成等效的位相光栅,其光栅常数等于声波波长.光束射到此介质时发生衍射,一局部光偏离原来

7、方向,折射率变化是换能器长度的位相光栅后光波相位变化的幅度,即,'一一J=卵.d=(2)(2).式中,是介质折射率变化副值,d与分别为换能器的长度与宽度,是声光介质的品质因素,P是超声驱动功率.声光调Q布拉格衍射的声光Q开关由一块激光波长透明的声光介质及换能器组成,常用的声光介质有熔融石英,铝酸铅及重火石玻璃等.声光介质外表粘接有由铌酸锂,石英等压电材料薄片制成的换能器,其作用是将高频信号转换为超声波.声光开关置于激光器中,在超生场作用下发生衍射,由于一级衍射光偏离谐振腔而导致损耗增加,从而使激光振荡难以形成,激光高能级大量积累粒子.假设这时突然撤除超声场,那么衍射效应即刻消失,谐振腔

8、损耗突然下降,激光巨脉冲随即形成.2.2工作原理声光调Q激光微加工系统工作原理.激光器提供激光光源后,经扩束装置将光源扩束后传播,再经过聚焦后,经反射镜对光源发出的有用光高反,对于其他波长的光高透,物镜将有用光聚焦,光斑聚焦于工件上,工件固定于XY二维平台上,通过工件与光源的相对运动到达预期的加工轨迹和加工效果.CCD摄像机和计算机视频采集卡接口,对工件的图像采集,处理和工件的观察,以PC计算机的基代码程序编写和调用对所要加工的工件进行图形设计,并与电控系统双向通讯完成XY平台的运动控制,电控系统与PC计算机双向通讯,确定加工的路径,计算机指令调Q激光的开关完成加工.3实验3.1纳米级多孔Al

9、2o3陶瓷A12O,陶瓷是采用电化学定向生长工艺制作的50200m厚度的纳米A12O3陶瓷膜,铝的化学定向腐蚀生长所用的电解液为酸性溶液,铝,铅作为阴极,仅起导电作用.铝在化学定向腐蚀生长时,在阳极发生氧化复原反响生成氧化膜,当膜的生成速度大于溶解速度,膜的厚度不断增加;随着厚度的增加,其电阻也增大,结果使膜的生长速度减慢,一直到与膜溶解速度相等时,膜的厚度到达一定值.其工艺过程:铝箔外表处理(去污,去脂)一化学抛光一超声波清洗一电化学定向生长一膜剥离一清洗残留物一热处理一纳米级Al2O3陶瓷膜3.2激光MEMS微加工虽然形成的Al2O3陶瓷膜保存传统陶瓷的根本特性,但存在着超薄易碎而造成加工

10、困难问题,采用激光加工是此类陶瓷加工的最正确选择,具体过程如下:图形设计一加工软件编程一激光加工参数调整一通N2保护一激光加工一切割一加工面处理4结果与讨论4.1加工件微观分析图l和图2分别是纳米孔Al2O3陶瓷基板的端面和正面扫描电镜照片.端面照片说明加工选择的基板厚度为4050um,由密排竖立的柱状晶体生长而成,决定了基板在纵向受到剪切力后,易发生折断.正面照片说明膜结构的多孔性,具有多孔的六边形蜂窝状结构,可使膜层对各种有机物,无机物等表现良好的吸附能力.但其强度就远不如传统陶瓷,受到横向压力后,易发生断裂.图1A12O3基板端面SEM照片Fig.1SEMimageoftheheadof

11、A1203baseplate图2A12O3基板正面SEM照片Fig.2SEMimageofthefacadeofA1203baseplate增刊1施云波等:激光微加工纳垒l2O3堡堕鲨坌堑一一一:图3和图4分别是激光微加工后的A12O3陶瓷基板的端面和正面微观扫描电镜照片.由图3及图4可知,激光对其加工区域略有灼烧现象.图3激光微加工后的Al2O基板端面灼烧扫描电镜照片Fig.3SEMmicrographoftheheadoflasermicroprocessingA1203baseplateburnt图4激光微加工后的A1203基板正面灼烧SEM照片Fig.4SEMimageofthefac

12、adeoflasermicroprocessingA1203baseplateburnt4.2加工条件分析4.2.1脉冲频率的影响图5和图6分别是激光加工脉冲频率对Al2O3陶瓷基板的刻槽深度和宽度的关系.当激光调Q频率从最小值逐渐增大,刻槽深度随之增大,但增大趋势减小,当激光调Q频率增大到一定值时,大约在8kHz,再增大激光调Q频率时,刻槽深度就逐渐减小.当达到l5kHz以上后,刻槽深度几乎不受激光调Q频率变化的影响.而随着激光调Q频率的增加,能量更加集中,刻槽宽度开始慢慢变窄,当调Q频率继续增大,激光平均输出功率增大,而影响区变大,从而刻槽宽度变大,影响区最小时,调Q频率在9kHz左右.4

13、.2.1输出电流的影响图7和图8分别是激光加工输出电流对Al2O3陶瓷基板的刻槽深度和宽度的关系.激光器输出的电流范围为822A,刻槽深度和宽度都随输出电流的增大而增大,这是由于随着激光输出电流的增大,单位时间内试样材料所吸收的激光束能量增加造成的.吕i苞0凸.g暑?0凸图5激光加工脉冲频率与刻槽深度关系Fig.5TherelationoflaserprocessingpulsefrequencyanddevillingdepthPulseFrequency/kHz图6激光加工脉冲频率与刻槽宽度关系Fig.6Therelationbetweenlaserprocessingpulsefrequ

14、encyanddevillingwidthCurrentOutput/A图7刻槽深度与激光输出电流关系Fig.7Therelationbetweenlaseroutputcurrentanddevillingdepth理论上刻槽深度对激光输出电流呈线性关系,但由于气化后材料吸收了局部激光能量和凝结增多,刻槽深度随激光输出能量增加而增加的梯度在减小,而刻槽宽度还跟激光的热影响区有关,热影响区的增大?820?稀有金属材料与工程第37卷随激光增大的变化越来越小.所以,其随激光输出电流的增大变化越来越不明显,但其变化比深度变化要明显.因此,输出电流应控制在1020A之问.CurrentOutput/A

15、图8刻槽宽度与激光输出电流关系Fig.8Therelationoflaseroutputcurrentanddevillingwidth5结论Al2O3陶瓷膜厚度为几十微米,外表孔径为约100nm多孔网状结构,激光微加工时Al2O3陶瓷膜加工面有灼烧痕迹,激光输出电流和脉冲频率影响着加工面的刻槽深度和宽度,根据需要确定加工参数.参考文献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