宋春輝，劉歡麗，尹燕飛

（鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院醫(yī)學(xué)院 河南 鄭州 451150）

0 引言

微流控芯片是一種將要達(dá)到深度產(chǎn)業(yè)化的科學(xué)技術(shù)，其中微孔和微流道加工在很多的領(lǐng)域中都有重要的應(yīng)用價(jià)值[1-2]，如疾病診斷、藥物篩選、材料合成、司法鑒定、航空航天等。飛秒激光微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展十分迅速，特別是在小尺度和高精度的微流控中得到了突破[3]，因此本文應(yīng)用飛秒激光技術(shù)來(lái)加工PMMA微流控芯片的微孔和微流道。

本文針對(duì)飛秒激光在微流控芯片上對(duì)微孔和微流道的加工問(wèn)題，借助于西安交通大學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的飛秒激光加工平臺(tái)展開實(shí)驗(yàn)，觀察、分析并總結(jié)，最后探究飛秒激光加工參數(shù)對(duì)微孔的直徑、深度、圓度以及微流道的寬度、形貌的影響。

1 飛秒激光加工的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

飛秒激光微加工系統(tǒng)由兩部分組成：光學(xué)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。工作原理是通過(guò)放大系統(tǒng)產(chǎn)生脈沖，經(jīng)望遠(yuǎn)系統(tǒng)、衰減系統(tǒng)和光闌，最后通過(guò)物鏡聚焦在PMMA微流控芯片樣品表面進(jìn)行燒蝕加工[4]。本實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)輸出的激光波長(zhǎng)是800 nm、脈沖寬度是120 fs和重復(fù)頻率是1 kHz。

2 微流控芯片中微孔加工實(shí)驗(yàn)研究

飛秒激光的精確度可以達(dá)到±5 μm，瞬時(shí)功率特別高，可以達(dá)到百萬(wàn)億瓦以上。PMMA是一種高分子材料，具有化學(xué)穩(wěn)定性高和耐候性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。另外，飛秒激光與PMMA材料相互作用時(shí)，材料的熱影響區(qū)很小、加工的精度非常高[5-6]。因此，本文采用飛秒激光技術(shù)來(lái)加工PMMA微流控芯片，主要探究飛秒激光加工參數(shù)對(duì)微孔的直徑、深度、圓度以及微流道的寬度、形貌的影響。

2.1 加工參數(shù)對(duì)微孔直徑的影響

本實(shí)驗(yàn)主要研究加工參數(shù)（激光功率、脈沖個(gè)數(shù)）的變化對(duì)微孔直徑、深度及形貌的影響。其中激光功率在32～162 mW之間，激光脈沖個(gè)數(shù)在500～3 000個(gè)之間。

2.1.1 脈沖個(gè)數(shù)對(duì)直徑的影響

圖1是在激光功率162 mW一定的條件下，光學(xué)顯微鏡下觀察到的微孔的圖像，脈沖個(gè)數(shù)是（a）500個(gè)；（b）1 000個(gè)；（c）2 000個(gè)，測(cè)得直徑大小分別是154 μm、156 μm、159 μm。

圖1 162 mW功率下不同脈沖個(gè)數(shù)

圖2是在激光功率為162 mW的一定條件下，脈沖個(gè)數(shù)對(duì)微孔直徑的影響折線圖。結(jié)果分析：在激光功率一定的條件下，隨著脈沖個(gè)數(shù)的增大，微孔直徑增加（除個(gè)別微孔略有差異，即不符合這種規(guī)律）。因此，若需要加工直徑較大的微孔，可選擇增加飛秒激光的脈沖個(gè)數(shù)[7]。

圖2 脈沖數(shù)對(duì)微孔直徑的影響折線圖

2.1.2 激光功率對(duì)直徑的影響

圖3是在脈沖個(gè)數(shù)為500個(gè)的一定條件下，飛秒激光功率對(duì)微孔直徑的影響折線圖。結(jié)果分析：在脈沖個(gè)數(shù)一定的條件下，隨著激光功率的增大，微孔直徑大小呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。功率在32～85 mW、131～162 mW之間，微孔直徑大小上升的趨勢(shì)較快；功率在85～131 mW之間，直徑大小上升就比較平緩。因此，若需要加工直徑較大的微孔，可選擇增加飛秒激光的激光功率。

圖3 激光功率對(duì)微孔直徑的影響折線圖

2.2 加工參數(shù)對(duì)微孔深度的影響

本實(shí)驗(yàn)使用激光掃描共聚焦顯微鏡對(duì)樣品進(jìn)行斷層掃描和成像，無(wú)損傷觀察和分析樣品的三維空間結(jié)構(gòu)[8]。如圖4所示，選取加工參數(shù)為：脈沖個(gè)數(shù)為1 000個(gè)，激光功率150 mW，以此得出微孔三維圖像、微孔平面圖、內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，最后測(cè)量出微孔的深度和直徑。

圖4 微孔在激光共聚焦顯微鏡下的三維圖

圖5是在脈沖個(gè)數(shù)為1 000個(gè)的一定條件下，飛秒激光功率對(duì)微孔深度的影響折線圖。結(jié)果分析：在脈沖個(gè)數(shù)一定的條件下，隨著激光功率的增大，微孔深度也增加，特別在147 ～162 mW之間，深度的上升趨勢(shì)明顯增大。因此，若需要加工深度較大的微孔，可選擇增加飛秒激光的激光功率。

圖5 激光功率與深度的關(guān)系圖

圖6是在激光功率為150 mW的一定條件下，飛秒激光脈沖個(gè)數(shù)對(duì)微孔深度的影響折線圖。結(jié)果分析：在激光功率一定的條件下，隨著脈沖個(gè)數(shù)的增大，微孔深度也增加，特別在1 000～1 500個(gè)之間，深度的上升趨勢(shì)明顯增大。因此，若需要加工深度較大的微孔，可選擇增加飛秒激光的脈沖個(gè)數(shù)。

圖6 脈沖個(gè)數(shù)與深度的關(guān)系圖

2.3 微孔圓度誤差

本實(shí)驗(yàn)采用最小區(qū)域法判斷微孔圓度誤差[9]，如圖7所示，運(yùn)用繪圖軟件擬合顯示微孔兩個(gè)同心圓的邊緣，確定每個(gè)同心圓與邊緣有超過(guò)兩點(diǎn)的接觸（即為最小包容區(qū)域），最后測(cè)量出圓度誤差值（兩個(gè)同心圓的半徑差）。如圖8所示，（a）（b）采用最小區(qū)域法來(lái)測(cè)量微孔圓度誤差，結(jié)果分析：（b）圖中孔周圍的噴濺物較少，形貌良好，微孔圓度更大。因此，微孔的圓度誤差值越小，孔型越圓[10]。

圖7 評(píng)定圓度誤差的最小區(qū)域

圖8 飛秒激光加工微孔的形貌對(duì)比

3 飛秒激光在微流控上的應(yīng)用研究

3.1 微流道的工程圖

圖9是熒光檢測(cè)微流道的工程圖。熒光檢測(cè)單元的要求是：PMMA 厚度是 1.1×103μm、寬度是 2.0×104μm、長(zhǎng)度是 6.0×104μm，微孔半徑是 1.5×103μm，微流道的寬度是 0.1×103μm、長(zhǎng)度為 5.0×104μm 和 1.0×104μm，深度 0.5×102μm。

圖9 熒光檢測(cè)微流道工程圖

3.2 微流道的形成

微流道的形成是微孔的進(jìn)一步延伸。如圖10（a）所示，飛秒激光先聚焦在一個(gè)點(diǎn)上，進(jìn)行微孔的加工；接下來(lái)，提高飛秒激光的掃描速度，使微孔之間串聯(lián)起來(lái)，最后形成一條完整的流道，如圖10（b）所示，即實(shí)現(xiàn)熒光檢測(cè)工程圖的微流道加工。

圖10 微流道的形成

3.3 微流道與加工參數(shù)的關(guān)系

飛秒激光加工PMMA微流控的微流道與參數(shù)密不可分，如圖11所示，在一定條件下（脈沖波長(zhǎng)800 nm、脈沖寬度120 fs、重復(fù)頻率1 kHz、掃描速度1 000 mm/s、脈沖數(shù)2 000個(gè)），激光功率分別為53.7 mW、82 mW、130 mW、162 mW，加工出來(lái)流道寬度分別是（a）85 μm、（b）103 μm、（c）147 μm、（d）163 μm。結(jié)果分析：隨著激光功率的增大，微流道的寬度逐漸增加，形貌也較好。

圖11 飛秒激光加工的微流道

4 結(jié)論

本文主要研究了飛秒激光的加工參數(shù)（脈沖個(gè)數(shù)、激光功率）對(duì)PMMA微流控微孔和微流道的影響。在本實(shí)驗(yàn)中，一定條件下，隨著脈沖個(gè)數(shù)和激光功率的增加，微孔直徑、深度都呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，得出的最優(yōu)參數(shù)組合是：脈沖數(shù)3 000個(gè)、激光功率162 mW，直徑最大是168 μm，深度最大是160 μm。另外，初步完成了微流道的加工，實(shí)驗(yàn)加工參數(shù)：掃描速度為1 000 mm/s、激光功率32～162 mW，獲得了直徑小、深度大、孔形圓度規(guī)整且形貌特征較好的微流道。本實(shí)驗(yàn)提供了最佳飛秒激光加工參數(shù)（脈沖個(gè)數(shù)、激光功率），為使用飛秒激光加工微流控芯片提供理論參考和實(shí)際指導(dǎo)。