一种基于飞秒激光加工掩膜制备声波器件叉指换能器的系统及方法

1.本发明涉及一种基于飞秒激光加工掩膜制备声波器件叉指换能器的系统及方法，属于声波器件制备技术领域。


背景技术：

2.声表面波是一种沿着固体表面传播的弹性波，最早由英国科学家瑞利在研究地震波过程中发现，所以这种波又被称为瑞利波。但由于受到当时科学水平的限制，最初的声表面波研究主要集中在地震波领域，并未得到实际应用。直到1965年美国科学家怀特和沃特尔默利用叉指换能器在压电衬底上通过施加射频信号直接激励出了声表面波，叉指换能器的发明奠定了声表面波应用的基础。随着技术的进步，更多的声表面波相继被发现，包括：水平剪切波、乐甫波、西沙瓦波等，这些波一般都需要叉指换能器激励产生。目前，声表面波技术已广泛应用在通信、电子、量子声学、传感和微流体等领域。
3.在声表面波技术的诸多应用中，近年来声表面波在传感和微流体方面的应用尤为瞩目，且一般基于声波模态中的瑞利模态，即瑞利波，而瑞利波的激励一般只需在压电衬底上做上一层金属化的叉指换能器(叉指电极对)即可。一般来说，对于声波传感，往往需要声波器件工作在高频状态，而高频往往对应更小的波长，即更小的叉指电极宽度，所以在器件制备上常采用高精度、高分辨率的微电子光刻工艺。而对于声波器件用作微流体用途，如实现微流体驱动、微粒/细胞分离、富集等功能，往往需要声波器件工作在低频状态，所以叉指电极尺寸较大(百微米级)，无需高精度的微电子光刻工艺。
4.目前声波器件叉指换能器(叉指电极)的制备仍采用标准的微电子光刻工艺，这种工艺在制备过程中一般需要经过匀胶、烘干、光刻、显影、蒸镀、剥离等步骤，且需要在超净间内完成。对于匀胶过程，一般需要将压电衬底吸附于匀胶机上高速旋转，这对于一些柔性压电衬底(如压电薄膜生长于柔性衬底上)，不仅难以吸附于匀胶机上，且高速旋转会破坏衬底的平整性，从而影响光刻加工的精度。同时，由于需要匀胶机进行匀胶，所以该工艺一般仅应用于平面加工。对于烘干过程，往往需要将压电衬底上的光刻胶加热到100℃以上，这对于一些温度稳定性差的压电衬底，如pvdf，会破坏压电衬底的压电特性。此外，微电子光刻工艺中的显影与剥离过程，会产生化学废液污染环境。因此亟需一种低成本、高效率、工艺简单、绿色环保的叉指换能器制备方法。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种基于飞秒激光加工掩膜制备声波器件叉指换能器的系统及方法。飞秒激光加工技术具有加工精度高、热影响区小、加工速度快、操作简单、低成本的优点，尤其适用于大尺寸叉指换能器掩膜的快速制备。利用飞秒激光直写出叉指换能器掩膜，然后将掩膜图案转移到压电衬底上获得金属化的叉指电极结构为声波器件叉指换能器的快速制备提供了较好的解决途径。另外，由于掩膜的柔性，上述方法可实现曲面上金属图案
化的制备，且在制备过程中省去了匀胶、烘干、光刻、显影、剥离等工艺，不会在制备过程中产生任何化学废液污染环境，解决了现有微电子光刻工艺在制备大尺寸叉指换能器过程中成本高、过程繁琐、操作工艺复杂的问题。
6.一种基于飞秒激光加工掩膜制备声波器件叉指换能器的方法，包括：以薄膜为加工对象，利用飞秒激光加工出叉指换能器掩膜；然后将叉指换能器掩膜置于压电衬底上，进行镀膜加工；镀膜完成后，移去叉指换能器掩膜，获得叉指换能器的叉指电极结构。
7.作为优选，所述基于飞秒激光加工掩膜制备声波器件叉指换能器的方法，包括如下步骤：
8.s1：搭建飞秒激光直写系统，利用该系统在薄膜(比如可以为金属薄膜)上直写出叉指换能器图案，获得叉指换能器掩膜；
9.s2：将叉指换能器掩膜固定于压电衬底上并置于金属镀膜系统中蒸镀金属；
10.s3：待金属蒸镀完成后，从压电衬底上移去叉指换能器掩膜，获得叉指换能器结构。
11.作为优选，所述薄膜为金属薄膜。
12.作为进一步优选，所述金属薄膜为铝箔或钢箔，厚度为5～15μm。作为更进一步优选，所述金属薄膜为钢箔，厚度为10μm。
13.加工时，利用定位件(比如胶带、夹具等)将薄膜固定于三维定位机构上，所述三维定位机构由一个实现水平方向(xy)移动的二维电动位移台和一个实现纵向(z)方向移动的一维手动位移台组成，两者结合实现激光光束聚焦及叉指换能器图案化路径扫描。具体讲，通过调节一维手动位移台上金属薄膜到聚焦元件的距离使激光焦点处于(金属)薄膜顶面，利用位移台控制器(或者电脑)控制二维电动位移台依次完成图案化路径扫描，使飞秒激光在(金属)薄膜上直写出叉指换能器图案，获得掩膜；其中叉指换能器的叉指电极对应区域，薄膜材料在飞秒激光作用下去除。
14.作为优选，还包括用于控制二维电动位移台的位移台控制器。
15.作为优选，飞秒激光直写工艺中，所用飞秒激光器的中心波长为900～1100μm，脉冲宽度为120～140fs，加工过程中，激光脉冲重复频率为1～3khz，加工功率为60～100mw，与掩模相对移动速度为0.15～0.25mm/s(或者二维电动位移台的移动速度为0.15～0.25mm/s)。作为进一步优选，加工过程中所述飞秒激光器的中心波长为1030nm，脉冲重复频率为2khz，脉冲宽度为130fs，加工功率为80mw，样品移动速度为0.2mm/s。
16.作为优选，采用蒸镀工艺进行镀膜，镀膜厚度为50～150nm。作为进一步优选，金属薄膜蒸镀厚度为100nm。
17.作为优选，所述压电衬底可以选择现有的各种压电衬底材料，包括但不限于linbo3、litao3、pzt、pvdf、aln、zno等。
18.作为优选，所述镀膜用材料选自金、银、铜、铝、钼等。
19.实际加工时，利用胶带将叉指换能器掩膜固定于压电衬底上，比如所述的叉指换能器掩膜可通过聚酰亚胺胶带固定于压电衬底上。将上述固定有掩膜的压电衬底置于高真空蒸发镀膜系统中蒸镀金属，金属蒸镀厚度由镀膜时间控制，蒸镀速度为(进一步优选为)，镀膜厚度为50～100nm。待金属蒸镀完成后，撕去压电衬底和掩膜上的聚酰亚胺胶带，移除掩膜，获得叉指换能器的叉指电极结构。
20.作为优选，所述叉指换能器掩膜的最小波长为120μm，即叉指电极的宽度为30μm以上。
21.作为优选，所述叉指电极宽度为30～300微米，作为进一步优选，所述叉指电极宽度为30～150微米。
22.一种基于飞秒激光加工掩膜制备声波器件叉指换能器的系统，包括：
23.用于加工叉指换能器掩膜的飞秒激光直写装置；
24.对固定有叉指换能器掩膜的压电衬底进行镀膜加工的镀膜装置。
25.作为优选，所述飞秒激光直写装置包括：
26.提供飞秒激光的飞秒激光器；
27.控制激光光束通断的快门元件；
28.功率调节元件，对飞秒激光器出射激光进行功率调整；
29.光路准直元件，对飞秒激光光束进行准直调整；
30.扩束元件，对准直后的飞秒激光进行扩束；
31.光路导向调节装置，对扩束后的飞秒激光进行爬升及落下导向；
32.聚焦元件，对导向后的光束进行聚焦，经聚焦元件聚焦后的激光垂直照射至待加工薄膜表面进行述飞秒激光直写加工。
33.作为优选，所述快门元件选自电动快门或机械快门，用于控制激光光束通断；
34.作为优选，所述功率调节元件选自中性密度衰减片或半波片与偏振片的组合，用于调节激光功率；
35.作为优选，所述光路准直元件为两个平行放置的全反射镜，调节光路高低及左右使其平行于光学平台；
36.作为优选，所述扩束元件由两个共焦放置的凸透镜组成，两个凸透镜的焦距分别为40～80mm和100～200mm；作为进一步优选，所述两个凸透镜的焦距分别为50mm和150mm。
37.作为优选，所述光路导向调节装置由三个45度放置的全反射镜组成，利用两个45度放置的全反射镜实现光路高度的纵向爬升及水平导向；利用另一个45度放置的全反射镜使光路方向改变90度，垂直入射到金属薄膜顶面。
38.作为优选，所述聚焦元件为聚焦透镜(凸透镜)，焦距为10～30mm。作为进一步优选，聚焦透镜的焦距为20mm。
39.作为可以选择的方案，所述飞秒激光直写装置还包括如下元件中的一种或者多种组合：
40.一个或多个光路导向元件；
41.用于给样品打光的照明光源；
42.用于辅助调整样品位置、光学聚焦的ccd相机；
43.用于定位所述薄膜的三维定位机构；
44.用于控制飞秒激光器出射激光参数或三维定位机构移动路径的计算机或控制器。
45.作为具体的选择，所述照明光源为鹅颈灯，用于对金属薄膜打光，使ccd相机清晰观察激光聚焦及加工过程。
46.作为一种优选的方案，本发明用于制备叉指换能器掩膜的飞秒激光直写装置，包括：一台飞秒激光器，沿飞秒激光器出射激光方向依次设置有电动快门、半波片、偏振片、两
个平行全反射镜(第一全反射镜、第二全反射镜)、扩束元件(即两个共焦放置的凸透镜)、光路导向调节装置、聚焦透镜及固定有金属薄膜的三维定位机构。利用三维定位机构中的一维手动位移台调节激光在金属薄膜上的聚焦，位移台控制器控制二维电动位移台依次沿指定路径移动，完成激光烧蚀切割，获得叉指换能器掩膜。激光聚焦及直写过程由ccd相机实时记录，ccd相机通过信号线与计算机相连；二维电动位移台通过信号线与位移台控制器相连；飞秒激光器通过信号线与计算机相连，由计算机控制。
47.实际工作时，飞秒激光经快门元件、功率调节、光束准直、扩束、爬升、落下、聚焦，形成的聚焦光斑垂直照射至金属薄膜上，金属薄膜固定在安装于二维电动位移台上的一维手动位移台上，位移台控制器控制三维定位机构中的二维电动位移台依次沿指定路径移动，直写出叉指换能器掩膜。
48.初次加工时，所述飞秒激光器的出射激光能量通过调节激光器的脉冲重复频率实现初次调整，使其高于金属薄膜的烧蚀阈值。利用功率调节元件(半波片与偏振片组合)进一步调节激光功率。当然，当实验条件稳定后，可以省去调节步骤和调节元件，直接采用最后的工作参数进行自动化加工。也就是说，作为一种优化方案，功率调节元件可以被省略。
49.本发明提出的一种基于飞秒激光加工掩膜制备声波器件叉指换能器的系统及方法，其优点是：
50.(1)本发明利用聚焦飞秒激光在金属薄膜上直写出叉指换能器图案，可实现叉指换能器掩膜的低成本、快速、批量、高精度制备。
51.(2)本发明相比于传统微电子光刻工艺省去了匀胶、烘干、光刻、显影、剥离等工艺，工艺简单、灵活性高，最小加工波长达到了120μm，尤其适用于低频声波微流体器件的低成本、快速制备。同时避免了使用高温烘干过程，适用于热敏性压电衬底上金属化图案的制备，且避免产生化学废液污染环境。
52.(3)本发明所述掩膜具有较高的柔性，可实现柔性或曲面上金属化图案的制备。
附图说明
53.图1为本发明提出的飞秒激光加工叉指换能器掩膜装置的结构示意图，其中：1是飞秒激光器，2是电动快门，3是半波片，4是偏振片，5是全反射镜，6是全反射镜，7是凸透镜，8是凸透镜，9是全反射镜，10是全反射镜，11是全反射镜，12聚焦透镜，13是金属薄膜，14是一维手动位移台，15是二维电动位移台，16是位移台控制器，17是鹅颈灯，18是ccd相机，19是计算机。
54.图2为本发明加工出的不同波长叉指换能器掩膜实物图，其中(a)波长为400μm；(b)波长为300μm；(c)波长为200μm。
55.图3为本发明制备声波器件叉指换能器流程图。
56.图4为本发明在不同压电衬底上制备出的声波器件实物图，其中(a)linbo3衬底，器件波长400μm；(b)linbo3衬底，器件波长300μm；(c)pvdf衬底(500μm厚)，器件波长300μm；(d)pvdf衬底(200μm厚)，器件波长300μm。
57.图5为本发明在不同压电衬底上制备出的声波器件(波长为400μm)的信号传输与反射光谱，其中(a)linbo3衬底；(b)pvdf衬底。
具体实施方式
58.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
59.本发明提出了一种基于飞秒激光加工掩膜制备声波器件叉指换能器的系统及方法。在加工方式上，利用聚焦飞秒激光在金属薄膜上直写出叉指换能器掩膜，然后将掩膜置于压电衬底上蒸镀金属，获得叉指电极结构；在制备工艺上，相比于传统微电子光刻工艺，本发明省去了匀胶、烘干、光刻、显影、剥离等工艺，大大简化了制备流程，且制备的掩膜成本低、精度高、可实现重复使用。
60.本发明提出的一种基于飞秒激光加工掩膜制备声波器件叉指换能器的系统及方法，其飞秒激光直写装置光路结构如图1所示，包括：飞秒激光器1、电动快门2、半波片3、偏振片4、全反射镜5、全反射镜6、凸透镜7、凸透镜8、全反射镜9、全反射镜10、全反射镜11、聚焦透镜12、金属薄膜13、一维手动位移台14、二维电动位移台15、位移台控制器16、鹅颈灯17、ccd相机18和计算机19。
61.所述的电动快门2主要用于控制激光光束通断，设置的位置可根据实际需要进行调整。
62.所述的光学半波片3和偏振片4组合使用，主要用于调整激光功率，也可以替换为其他功率调节元件，如中性密度衰减片。
63.所述的全反射镜5和全反射镜6平行放置，主要调节激光光路俯仰及左右，起到光路准直作用，全反射镜5和全反射镜6可根据实际需要进行增减，设置的位置可在激光扩束前根据实际需要进行调整。
64.所述的凸透镜7和凸透镜8共焦放置，主要起到光束扩束作用。
65.所述的全反射镜9、全反射镜10、全反射镜11主要起到光路高度提升、落下等导向作用，全反射镜9将激光光路方向改变90度，由水平传播变为竖直爬升，全反射镜10将垂直爬升的激光光路方向改变90度变为水平传播，全反射镜11将水平传播的激光光路方向改变90度，竖直入射到聚焦透镜12中央。
66.所述的聚焦透镜12主要起到光束聚焦作用，聚焦后的激光垂直入射到待加工金属薄膜13表面。
67.所述的金属薄膜13通过胶带固定于三维定位机构上，所述的三维定位机构由一维手动位移台14和二维电动位移台15组成，一维手动位移台14安装于二维电动位移台15上，二维电动位移台15通过信号线与位移台控制器16相连，由位移台控制器16控制(当然在软件兼容和功能允许的情况下，也可以由计算机19统一控制)。一维手动位移台14主要用于调整聚焦透镜12到待加工金属薄膜13的距离，使激光焦点处于待加工金属薄膜13顶面，二维电动位移台15主要用于加工过程中实现待加工金属薄膜13的水平方向移动，形成图案化的切割路径。
68.所述的鹅颈灯17用于给金属薄膜13照明，以便在ccd相机18下观察聚焦透镜12对金属薄膜13的聚焦及对整个加工过程进行实时监测。
69.所述的ccd相机18通过信号线与计算机19相连，由计算机19屏幕实时成像，所述的飞秒激光器1通过信号线与计算机19相连，由计算机19控制。
70.加工前，首先将相关光学元件按照图1顺序依次置入光学平台，搭建飞秒激光直写光路。加工过程中，飞秒激光器1产生飞秒激光，飞秒激光先经电动快门2，再经半波片3和偏振片4调节至适当功率后，入射到全反射镜5上，经全反射镜5和全反射镜6对激光光路准直后，反射激光垂直入射到凸透镜7和凸透镜8组成的扩束系统，经扩束后，飞秒激光先经全反射镜9垂直爬升，再经全反射镜10水平传播，最后经全反射镜11垂直向下入射到聚焦透镜12上，调节一维手动位移台14上金属薄膜13到聚焦透镜12的距离，使激光焦点处于金属薄膜13顶面，位移台控制器16控制二维电动位移台15上的金属薄膜13依次沿指定路径移动完成扫描切割，获得叉指换能器掩膜。随后，经过镀膜、移除掩模即可得到叉指换能器的叉指电极结构。
71.实施例1：飞秒激光直写加工叉指换能器掩膜。
72.本发明实施例中，所用飞秒激光器为amplitude公司的掺镱飞秒光纤激光器(tangerine hp)，飞秒激光中心波长1030nm，脉冲宽度130fs，最高重复频率35mhz，单脉冲能量200μj，光场分布为高斯分布；所用金属薄膜为钢箔，厚度为10μm，大小为5cm
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5cm，作为一种替代的方案，钢箔亦可替换成铝箔或其他金属薄膜。
73.本实施例的具体加工步骤如下：
74.s1：计算机19上完成叉指换能器掩膜团案化移动路径编程，并通过sd内存卡将路径程序写入二维位移台控制器16；
75.s2：将钢箔13通过胶带固定于一维手动位移台14和二维电动位移台15组成的三维定位机构上；
76.s3：计算机19控制飞秒激光器1发出脉冲激光，将各光学元件按照图1顺序依次置入光学平台，调试光路使飞秒激光经电动快门2、半波片3、偏振片4、全反射镜5、全反射镜6、凸透镜7、凸透镜8、全反射镜9、全反射镜10、全反射镜11和聚焦透镜12后垂直入射到钢箔13表面，设定飞秒激光的脉冲重复重复频率为2khz，旋转偏振片使激光平均功率为80mw。
77.s4：打开鹅颈灯17给钢箔13照明，在ccd相机18下调节一维手动位移台14的纵向进给，使飞秒激光经聚焦透镜12聚焦后的焦点处于钢箔13顶面。
78.s5：设定二维电动位移台15的进给速度为0.2mm/s，位移台控制器16依次加载步骤s1所述程序，使二维电动位移台15带动其上的钢箔13依次沿指定路径移动完成扫描切割，获得叉指换能器掩膜。
79.图2为本发明加工出的不同波长叉指换能器掩膜实物图，其中(a)波长为400μm，叉指电极对数为15对，声孔经为6000μm；(b)波长为300μm，指电极对数为15对，声孔径为5000μm；(c)波长为200μm，指电极对数为5对，声孔径为3000μm。
80.实施例2：基于飞秒激光加工掩膜制备声波器件叉指换能器。
81.本发明实施例中，所用金属镀膜设备为爱发科真空技术(苏州)有限公司的高真空蒸发镀膜系统，镀膜过程中，腔体真空度为5
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pa，蒸镀速度为金属蒸镀厚度为100nm。作为一种替代的方案，金属蒸镀亦可通过真空溅射镀膜设备实现。
82.本实施例的具体加工步骤如下：
83.s1：将叉指换能器掩膜通过聚酰亚胺胶带固定于压电衬底上；
84.s2：将固定有叉指换能器掩膜的压电衬底置于高真空蒸发镀膜系统中蒸镀金膜，设置金属蒸镀速度蒸镀时间为33min，即镀膜厚度为100nm。
85.s3：蒸镀完成后，移除掩膜获得声波器件叉指换能器的叉指电极结构。
86.图3为本发明制备声波器件叉指换能器流程图，首先利用聚焦飞秒激光直写出掩膜，然后将掩膜固定于压电衬底上，接着将压电衬底和掩膜置于高真空蒸发镀膜系统中蒸镀金属，最后移除掩膜获得叉指换能器结构。
87.图4为本发明在不同压电衬底上制备出的声波器件实物图，其中(a)linbo3衬底，叉指电极对数为15对，波长400μm，声孔径为6000μm；(b)linbo3衬底，叉指电极对数为15对，波长300μm，声孔径为5000μm；(c)pvdf衬底(500μm厚)，叉指电极对数为15对，波长300μm，声孔径为5000μm；(d)pvdf衬底(200μm厚)，叉指电极对数为15对，波长300μm，声孔径为5000μm。
88.图5为本发明在不同压电衬底上制备出的声波器件(波长为400μm)的信号传输与反射光谱，其中(a)linbo3衬底，声波激励出的模态为瑞利(r0)模态；(b)pvdf衬底，声波激励出的模态为零阶反对称(a0)模态。
89.以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。