專利名稱：微孔過濾器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微孔過濾器，且尤其涉及一種具有可靠尺寸并處于已知位置的小直徑孔的微孔過濾器。
背景技術：
微孔過濾器目前是以固有的略微多孔的材料如紡織棉纖維、紙、及紡織合成纖維制成的。這類過濾器在以下領域得到應用藥物藥品的生產；工業(yè)燃料電池；以及分離體液、化學顆粒、及不同材料以進行分析。形成過濾微孔的孔的尺寸和位置隨過濾器的材料結構而改變。
需要這樣一種微孔過濾器，它是由非常小、具有可預計直徑的孔構成的，所述孔位于已知位置，且因此是以已知總體密度設置的。

發(fā)明內容
本發(fā)明要求在襯底中形成階梯孔的陣列，每個所述階梯孔處在已知位置上，具有非常小、可預計的最后直徑。所述陣列包括最后孔階梯，該孔階梯是由紫外(UV)波長的激光形成的，該波長短于400nm。所述陣列的其余孔階梯或階梯是通過使用激光或壓印圖案化技術形成的?？椎淖詈罂纂A梯直徑和總體密度限定由膜所形成的微孔過濾器的孔隙度。
在第一優(yōu)選實施例中，發(fā)射355nm或266nm光的UV激光器從聚合物基的柔軟的膜上燒蝕材料以形成從中穿過的孔，所述膜例如為聚酰亞胺、聚碳酸酯、或聚四氟乙烯(PTFE)膜。所述UV激光器燒蝕并由此而斷開有機材料化學鍵，從而在厚度介于約50μm和約250μm之間的膜材中，形成最后或出口直徑介于約1.0μm和約5.0μm之間的孔。(這與形成于200μm厚有機封裝材料中的20μm至100μm的孔形成對照。)所述孔是以梯級或階梯的方式形成的，所述孔具有在穿過膜的厚度的深度方向上的減小的直徑，以給出所需縱橫比，從而減小等離子體及碎片效應，上述效應會抑制或妨礙形成大縱橫比、小直徑的孔。大縱橫比孔是一種長度與寬度之比大于5∶1的孔。這種技術通過以下方法實現(xiàn)隨著激光束在深度方向上燒蝕靶材而改變所述激光束的光斑尺寸，并使燒蝕過程中產生的等離子氣體和碎片能夠逸出或排出。被俘獲在大縱橫比孔底部的氣體和碎片會妨礙穿鉆小直徑最后孔階梯的加工。
階梯孔是有利的，因為它們導致壓力降減小，這使得所需尺寸的材料能夠穿過最后的最小直徑孔。
在第二優(yōu)選實施例中，壓印圖案化工具膜被推壓到柔軟的膜內，以在該膜內中形成凹槽陣列，該工具膜是帶有凸出形態(tài)結構陣列的薄層金屬。UV激光器形成穿過所述陣列內多個凹槽中每個凹槽的底部的最后孔階梯。壓印圖案化打開了預定孔位置的周圍區(qū)域，且由此而使氣體和碎片能夠逸出或排出。此方案能夠形成小縱橫比的最后孔階梯。
所述階梯孔的中心軸不必垂直于所述膜的上、下主表面。為了能夠濾去由不同旋轉方向的螺旋狀分子結構組成的顆粒，傾斜孔可能是有利的。
根據以下參考附圖進行的對優(yōu)選實施例的詳細描述，本發(fā)明的其它方面及優(yōu)點將更加清楚。


圖1是根據本發(fā)明的微孔過濾器的局部放大的橫斷面視圖，其中形成有一階梯孔，該階梯孔的中心軸被設定成垂直于柔軟高分子膜的上、下主表面。
圖2是根據本發(fā)明的可選微孔過濾器的局部放大的橫斷面視圖，其中形成有一階梯孔，該階梯孔的中心軸以相對于柔軟高分子膜的上、下部主表面的不垂直傾角而傾斜。
圖3和圖4是包含圓柱狀凸起圖案的工具膜(toolfoil)的局部放大圖，其中圓柱狀凸起分別具有均勻直徑以及不同直徑的縱向部分。
具體實施例方式圖1顯示微孔過濾器10的橫斷面視圖，該過濾器是以柔軟的高分子膜12制成的；膜12具有基本平行的上部主表面14和下部主表面16，且上下主表面之間限定膜厚18。高分子膜12優(yōu)選是由聚酰亞胺、聚碳酸酯、PTFE、或其它有機膜材料制成的。過濾器10的孔隙度或多孔性是通過形成多個階梯孔30(圖1中僅顯示一孔)來取得的，階梯孔30在深度方向上穿過膜厚18而形成過濾微孔。過濾器10的優(yōu)選實施例是用形成有兩個或更多個孔階梯或階梯的孔30構造的。以下是優(yōu)選的孔30的描述，孔30形成有三個孔階梯，所述孔階梯具有逐梯級減小的尺寸，即平行于上部主表面14和下部主表面16所測得的截面積逐梯級減小。因為在優(yōu)選實施例中，孔30的橫截面可以為圓形或橢圓形，為方便起見，在這里孔的尺寸指的是其長軸尺寸。
優(yōu)選孔30具有約100μm的總長，總長是由膜厚18限定的。典型膜厚18且因而也就是孔長的范圍在50μm與250μm之間?？?0被形成具有入口孔階梯32、中間孔階梯38、及出口孔階梯44，該入口孔階梯具有約為40μm的寬度34以及約為70μm的深度36，該中間孔階梯具有約為15μm的寬度40以及約為25μm的深度42，而出口孔階梯44具有介于約1μm和約5μm之間的寬度46以及約為5μm的深度48。孔30有中心軸50，孔階梯32和38不必軸向對準該中心軸，這取決于它們各自的寬度34和40，并與孔階梯44的跨距寬度46相關。
圖2顯示兩個傾斜孔30′，傾斜孔30′與孔30相同，但區(qū)別在于，孔30′的中心軸50′相對于上部主表面14和下部主表面16以不垂直角度傾斜。
使用激光束是形成孔30的第一優(yōu)選方法。圖1顯示，激光器60發(fā)射光束62，該光束沿著與中心軸50共線的傳播路徑傳播。激光器60優(yōu)選發(fā)射紫外(UV)光，紫外(UV)光代表波長短于400nm的光，其中優(yōu)選波長為355nm和266nm。一可編程透鏡系統(tǒng)(圖中未示)與激光器60光學相關，完成對光束62的光斑尺寸的設定，以確定孔階梯32、38、及44的長軸尺寸。功率級控制器(圖中未示)將光束62的功率調整到適用于要形成的孔階梯尺寸的水平，用來形成孔階梯38的功率小于用來形成孔階梯32的功率。優(yōu)選用具有均勻形狀的光束62來形成孔階梯32和38，且優(yōu)選用具有高斯形狀的光束62來形成孔階梯44。
目前可用的設備中，便具備提供具有所需形狀、光斑尺寸、及功率級的光束62從而形成孔30的能力。例如，孔階梯32和38可通過由5330型通孔鉆孔系統(tǒng)(Model 5330 Via Drilling System)所產生的激光束來形成，而孔階梯44可通過由4220型微機械加工系統(tǒng)(Model4420 Micromachining System)所產生的激光束來形成，上述兩種系統(tǒng)均由美國俄勒岡州Portland的電子科學工業(yè)公司生產，該公司是本專利申請的受讓人。Model 5330產生具有均勻形狀的UV激光束，而Model 4420產生具有高斯形狀、帶有非常小光斑尺寸的UV激光束。
實例 如下面所述，在200μm厚聚碳酸酯膜中形成通孔陣列，每個通孔有兩個孔階梯。針對在該聚碳酸酯膜中的每個孔，形成通過2X光束擴展器傳播的355nm激光輸出為聚碳酸酯膜中的每個膜形成圓形的第一孔階梯，該孔階梯具有的直徑為50μm而深度為180μm至190μm。該激光束具有均勻的功率分布，在2kHz Q開關速率的功率級為220mW。工件定位器以60mm/s掃描速度工作，重復地相對于膜移動激光束，順序地掃描孔的位置。在順序掃描過程期間，激光束從孔的位置除去深度方向的部分膜材，從而部分地形成第一孔階梯。順序地除去部分膜材，使孔階梯鉆孔過程中產生的等離子氣體能夠逸出，并由此而確保形成高質量的孔。重復執(zhí)行若干次掃描處理工序以完成第一孔階梯的形成。本領域技術人員將認識到，可選擇激光處理參數以實現(xiàn)孔階梯的完全形成，而無需重返部分鉆成孔階梯的行程。
通過20X高斯透鏡傳播的355nm激光輸出穿過所述陣列中每個孔的第一孔階梯的底面，形成具有5μm直徑及10μm到20μm深度的出口孔階梯。在每個孔的位置，通過連續(xù)應用脈沖激光束以進行沖孔操作，來形成出口孔階梯。以10kHz脈動的600mW或950mW高斯形狀激光束的十個脈沖在孔的陣列中形成出口孔階梯，所述出口孔階梯具有可重復的高質量。
與激光束結合使用壓印圖案化工具膜是形成孔30的第二優(yōu)選方法。圖3是包含圖案的金屬工具膜80的局部放大視圖，該圖案是由標稱相同的圓柱狀凸起82的規(guī)則陣列形成的，圓柱狀凸起82相互以預定距離84間隔開。按照壓印圖案化(imprint patterning)技術，凸起82形成膜12中的孔階梯。這是通過將工具膜80和膜12設置在常規(guī)的層壓裝置(未示)中并操作它將凸起82壓到上部主表面14內，且由此而在膜12中壓印出互補的凹槽而完成的。凸起82具有指定的直徑86和長度88，它們分別對應于孔階梯的長軸(直徑)尺寸和深度。在圖1中，凹槽對應于孔階梯32或孔階梯38之一。優(yōu)選用高斯形狀的激光束62來形成出口孔階梯，如圖1中的孔階梯44。
雖然圖3中的凸起82具有均勻直徑，圖4所示凸起90卻被構造成具有不同長軸尺寸或直徑的縱向部分，凸起90可被用來以一個層壓循環(huán)形成膜12的每個孔中的多個孔階梯。因為多個階梯孔具有減小的長軸尺寸，使用多個階梯孔就部分避免了由于使用激光器60產生的等離子體效應，使用壓印圖案化便無需在激光燒蝕出口孔階梯之前，形成多階梯凹槽或孔。
對本領域技術人員而言，顯然可對上述實施例的細節(jié)進行許多修改而不偏離本發(fā)明的根本原理。例如，高分子膜12可由兩個層壓薄片組成，其中上層薄片形成具有較大直徑孔階梯的微孔，而下層薄片形成具有較小直徑的微孔，且以激光鉆出出口孔階梯。因此本發(fā)明的范圍應當僅由所附權利要求確定。
權利要求書(按照條約第19條的修改)1.一種微孔過濾器，包括一柔軟高分子膜，其具有大致平行的第一和第二主表面，這些主表面之間定義膜厚；及多個孔，所述孔在深度方向穿過所述膜厚而形成所述膜的微孔，從所述第一主表面到所述第二主表面以多個分立的階梯形式構造所述多個孔的每個孔，所述多個階梯具有減小的長軸尺寸。
2.根據權利要求1所述的微孔過濾器，其中所述多個孔中的每個孔包括第一和第二孔階梯，所述第一和第二孔階梯具有各自的第一和第二長軸，所述第一孔階梯是穿過所述第一主表面形成的，而所述第二孔階梯是穿過所述第二主表面形成的，且所述第一長軸大于所述第二長軸。
3.根據權利要求2所述的微孔過濾器，進一步包括中間孔階梯，該中間孔階梯位于所述多個孔中每個孔的第一和第二孔階梯之間，所述中間孔階梯具有的長軸小于所述第一長軸而大于所述第二長軸。
4.根據權利要求3所述的微孔過濾器，其中所述第一、第二、及中間孔階梯具有各自的第一、第二、及中間深度，該中間深度小于所述第一深度而大于所述第二深度。
5.根據權利要求1所述的微孔過濾器，其中所述多個孔中的每個孔包括通過所述膜厚延伸的中心軸，該中心軸相對于所述第一和第二主表面以不垂直傾角傾斜。
6.根據權利要求1所述的微孔過濾器，其中所述膜是以有機材料制成的。
7.根據權利要求6所述的微孔過濾器，其中所述有機材料包括聚酰亞胺、聚碳酸酯、或PTFE其中之一。
8.一種形成微孔過濾器的方法，包括提供一柔軟高分子膜，其具有大致平行的第一和第二主表面，這些主表面之間定義膜厚；且引導激光束入射到所述膜上，以在多個位置形成多個分立的階梯孔，所述激光束的特征在于其波長可為所述膜所吸收，且在于其第一和第二組光束參數包括光斑尺寸和功率級，對于所述多個分立的階梯孔中的每個孔，所述第一組光束參數使所述光束穿過所述第一主表面而形成第一孔階梯，該第一孔階梯具有第一深度且具有第一長軸，且所述第二組光束參數使所述光束穿過所述第二主表面而形成第二孔階梯，該第二孔階梯具有第二深度且具有第二長軸，所述第一長軸大于所述第二長軸。
9.根據權利要求8所述的方法，其中所述激光束具有可變的光束形狀并具有均勻的光束形狀以形成所述第一孔階梯，且具有高斯光束形狀以形成所述第二孔階梯。
10.根據權利要求8所述的方法，其中所述激光束特征還在于其中間組光束參數包括光斑尺寸和功率級，對于所述多個分立的階梯孔中的每個孔，所述中間組光束參數使所述光束形成具有中間深度且具有中間長軸的中間孔階梯，該中間孔階梯位于所述第一和第二孔階梯之間，且所述中間長軸小于所述第一長軸而大于所述第二長軸。
11.根據權利要求10所述的方法，其中所述激光束具有均勻的光束形狀以形成所述中間孔階梯。
12.根據權利要求8所述的方法，其中所述激光束的波長短于約400nm。
13.根據權利要求12所述的方法，其中所述膜是以有機材料制成的。
14.根據權利要求13所述的方法，其中所述有機材料包括聚酰亞胺、聚碳酸酯、或PTFE其中之一。
15.一種形成微孔過濾器的方法，包括設置一柔軟高分子膜，其具有大致平行的第一和第二主表面，這些主表面之間定義膜厚；在多個位置形成多個分立的階梯孔，其中每個階梯孔包括穿過所述第一主表面的第一孔階梯，該第一孔階梯具有第一深度且具有第一長軸；以及穿過所述第二主表面的第二孔階梯，該第二孔階梯具有第二深度且具有第二長軸；且在所述多個分立的階梯孔的每個孔中形成所述第二孔階梯包括引導激光束入射到所述膜上，該激光束特征在于其波長可為所述膜吸收，且在于其光束參數使所述激光束形成具有第二長軸的所述第二孔階梯，其中所述第二長軸小于所述第一長軸。
16.根據權利要求15所述的方法，其中所述激光束具有高斯光束形狀以形成所述第二孔階梯。
17.根據權利要求15所述的方法，其中所述激光束波長短于約400nm。
18.根據權利要求17所述的方法，其中所述膜是以聚碳酸酯或PTFE制成的。
19.根據權利要求15所述的方法，其中在所述多個分立的階梯孔中形成所述第一孔階梯包括將具有凹槽的圖案壓印到所述第一主表面內，所述凹槽位于與所述階梯孔位置對應的位置，所述凹槽所具有的深度基本等于所述第一孔階梯的第一深度。
20.根據權利要求19所述的方法，其中壓印具有所述凹槽的圖案包括提供一工具膜，該工具膜有圖案化的表面，該圖案化的表面具有凸起，所述凸起具有的長度對應于所述第一孔階梯的第一深度；且彼此相對地推壓所述工具膜與所述膜的第一主表面，以將凹槽壓印到所述膜內，且由此形成所述第一孔階梯。
權利要求
1.一種微孔過濾器，包括一柔軟高分子膜，其具有大致平行的第一和第二主表面，這些主表面之間定義膜厚；及多個孔，所述孔在深度方向穿過所述膜厚而形成所述膜的微孔，從所述第一主表面到所述第二主表面以多個階梯的形式構造所述多個孔的每個孔，所述多個階梯具有減小的長軸尺寸。
2.根據權利要求1所述的微孔過濾器，其中所述多個孔中的每個孔包括第一和第二孔階梯，所述第一和第二孔階梯具有各自的第一和第二長軸，所述第一孔階梯是穿過所述第一主表面形成的，而所述第二孔階梯是穿過所述第二主表面形成的，且所述第一長軸大于所述第二長軸。
3.根據權利要求2所述的微孔過濾器，進一步包括中間孔階梯，該中間孔階梯位于所述多個孔中每個孔的第一和第二孔階梯之間，所述中間孔階梯具有的長軸小于所述第一長軸而大于所述第二長軸。
4.根據權利要求3所述的微孔過濾器，其中所述第一、第二、及中間孔階梯具有各自的第一、第二、及中間深度，該中間深度小于所述第一深度而大于所述第二深度。
5.根據權利要求1所述的微孔過濾器，其中所述多個孔中的每個孔包括通過所述膜厚延伸的中心軸，該中心軸相對于所述第一和第二主表面以不垂直傾角傾斜。
6.根據權利要求1所述的微孔過濾器，其中所述膜是以有機材料制成的。
7.根據權利要求6所述的微孔過濾器，其中所述有機材料包括聚酰亞胺、聚碳酸酯、或PTFE其中之一。
8.一種形成微孔過濾器的方法，包括提供一柔軟高分子膜，其具有大致平行的第一和第二主表面，這些主表面之間定義膜厚；且引導激光束入射到所述膜上，以在多個位置形成多個階梯孔，所述激光束的特征在于其波長可為所述膜所吸收，且在于其第一和第二組光束參數包括光斑尺寸和功率級，對于所述多個階梯孔中的每個孔，所述第一組光束參數使所述光束穿過所述第一主表面而形成第一孔階梯，該第一孔階梯具有第一深度且具有第一長軸，且所述第二組光束參數使所述光束穿過所述第二主表面而形成第二孔階梯，該第二孔階梯具有第二深度且具有第二長軸，所述第一長軸大于所述第二長軸。
9.根據權利要求8所述的方法，其中所述激光束具有可變的光束形狀并具有均勻的光束形狀以形成所述第一孔階梯，且具有高斯光束形狀以形成所述第二孔階梯。
10.根據權利要求8所述的方法，其中所述激光束特征還在于其中間組光束參數包括光斑尺寸和功率級，對于所述多個階梯孔中的每個孔，所述中間組光束參數使所述光束形成具有中間深度且具有中間長軸的中間孔階梯，該中間孔階梯位于所述第一和第二孔階梯之間，且所述中間長軸小于所述第一長軸而大于所述第二長軸。
11.根據權利要求10所述的方法，其中所述激光束具有均勻的光束形狀以形成所述中間孔階梯。
12.根據權利要求8所述的方法，其中所述激光束的波長短于約400nm。
13.根據權利要求12所述的方法，其中所述膜是以有機材料制成的。
14.根據權利要求13所述的微孔過濾器，其中所述有機材料包括聚酰亞胺、聚碳酸酯、或PTFE其中之一。
15.一種形成微孔過濾器的方法，包括設置一柔軟高分子膜，其具有大致平行的第一和第二主表面，這些主表面之間定義膜厚；在多個位置形成多個階梯孔，其中每個階梯孔包括穿過所述第一主表面的第一孔階梯，該第一孔階梯具有第一深度且具有第一長軸；以及穿過所述第二主表面的第二孔階梯，該第二孔階梯具有第二深度且具有第二長軸；且在所述多個階梯孔的每個孔中形成所述第二孔階梯包括引導激光束入射到所述膜上，該激光束特征在于其波長可為所述膜吸收，且在于其光束參數使所述激光束形成具有第二長軸的所述第二孔階梯，其中所述第二長軸小于所述第一長軸。
16.根據權利要求15所述的方法，其中所述激光束具有高斯光束形狀以形成所述第二孔階梯。
17.根據權利要求15所述的方法，其中所述激光束波長短于約400nm。
18.根據權利要求17所述的方法，其中所述膜是以聚碳酸酯或PTFE制成的。
19.根據權利要求15所述的方法，其中在所述多個階梯孔中形成所述第一孔階梯包括將具有凹槽的圖案壓印到所述第一主表面內，所述凹槽位于與所述階梯孔位置對應的位置，所述凹槽所具有的深度基本等于所述第一孔階梯的第一深度。
20.根據權利要求19所述的方法，其中壓印具有所述凹槽的圖案包括提供一工具膜，該工具膜有圖案化的表面，該圖案化的表面具有凸起，所述凸起所具有的長度對應于所述第一孔階梯的第一深度；且彼此相對地推壓所述工具膜與所述膜的第一主表面，以將凹槽壓印到所述膜內，且由此形成所述第一孔階梯。
全文摘要
一種基于激光的提供微孔過濾器(10)的鉆孔技術，該微孔過濾器具有非常小的直徑和位置已知的孔(30，30′)。該技術的一個實施例要求使用具有一個或多個均勻光斑尺寸的激光束(62)來形成每一個孔。該激光束在深度方向上燒蝕材料，進入襯底(12)相應的已知距離，從而在每個孔內形成所需數目的孔階梯(32，38，44)。所述技術的另一實施例要求用壓印圖案化工具膜(80)，在對應于孔階梯的具有指定直徑和距離的襯底凹槽(32，38)進行壓印。在這兩個實施例中，具有高斯形狀的激光束除去最后一部分材料，從而形成具有非常小直徑的最后孔階梯(44)。
文檔編號B01D39/14GK1867387SQ200480029855
公開日2006年11月22日 申請日期2004年8月31日 優(yōu)先權日2003年10月15日
發(fā)明者E·J·斯溫森 申請人:電子科學工業(yè)公司