微机械的激光三维微成型技术

　　1引言

　　目前，微机械加工技术还微处于微米、亚微米微细加工阶段，大多只能在平面内进行，不能制作连续三维结构;激光由于与物质相互作用的独特方式，能获得很高的加工精度及结构深度比，不仅能加工硅等晶体材料，还能加工有机物、陶瓷和金属，并且易与现代CAD/CAM技术、快速成型技术相结合构成柔性加工系统，它在MEMS的三维加工领域中倍受关注，利用激光技术进行三维微成型显示出巨大的发展潜力。

　　2激光三维微成型的方法

　　目前，利用激光进行三维微成型主要有以下几种方法:

　　2. 1激光掩模投影刻蚀技术

　　准分子激光采取与传统光刻的掩模投影曝光类似的并行加工技术直刻有机物、陶瓷和金属。常用的准分子激光的波长为248nm ( KrF)和193nm (ArF)的紫外光。由于这种波长的光子能量约5eV，而有机物的许多主要化学键如C-H , O-H等结合能均小于5eV，因此248nm或193nm紫外激光足以导致光解。另外，准分子激光脉冲持续时间很短(一般约为20ns)，打到工件　　上的单个脉冲瞬时功率密度达几百MW/cmz，激光照射区域里的化学键迅速断裂而致使区域性压力激增，光解的物质以微爆炸的方式喷射出去。这个过程发生得很迅速，工件上的热传导时间很短，属于冷加工，故对加工侧壁和周围结构的热损伤很小;又由于大多数物质包括的有机物、陶瓷和金属材料对紫外光有着很高的吸收率，激光能量被很薄一层材料所吸收，从而在深度方向可获得很高的加工精度。通过光学系统的优化设计，直刻有机物、陶瓷等材料的横向分辨率可达1 um或更小;加工出来的微结构深度在100即m级。图1为北京工业大学激光工程研究院用准分子激光掩膜投影刻蚀技术在PMMA上加工的微型齿轮及微孔阵列。

　　2.2聚焦激光束光栅扫描立体光刻技术

　　在快速激光扫描微加工系统中，光束通过一个平场物镜聚焦为直径约1.0拼m或更小的微光斑，对成型材料进行光栅式扫描。将三维CAD/CAM软件与数控声光激光扫描工具结合，并沿袭新近发展起来的高聚物溶液激光固化的宏观零件快速成型技术，逐层扫描，使高聚物溶液固化堆积成三维工件，以制作三维微结构。用这种方式进行微成型时，一个激光斑点照射在光敏树脂上所固化的树脂体积越小，成型分辨率越高「2〕。一般经过精细聚焦后，分辨率可达2拜m，且具有加工自由度大，零件可为任意复杂形状等特点。

　　2.3激光辅助化学气相沉积(LCVD)制作三维微结构

　　该方法是将聚焦激光微光束通过定域加热基片，启动并维持CVD过程，在沉积过程中通过移动基片或激光束，将固体结构沉积塑型。塑造几何形状时不受平面投影和平面扫描的局限，能制作出复杂几何形状立体微结构。如图2所示的生长过程中，以所需的方式运动工件台并使激光焦斑运动速度始终与晶体生长速度相同，即可做出所需的微结构〔3」。