飛秒激光在PMMA微流控芯片中的加工實驗研究

宋春輝，劉歡麗，尹燕飛

（鄭州工業應用技術學院醫學院 河南 鄭州 451150）

0 引言

微流控芯片是一種將要達到深度產業化的科學技術，其中微孔和微流道加工在很多的領域中都有重要的應用價值[1-2]，如疾病診斷、藥物篩選、材料合成、司法鑒定、航空航天等。飛秒激光微細加工技術的發展十分迅速，特別是在小尺度和高精度的微流控中得到了突破[3]，因此本文應用飛秒激光技術來加工PMMA微流控芯片的微孔和微流道。

本文針對飛秒激光在微流控芯片上對微孔和微流道的加工問題，借助于西安交通大學重點實驗室的飛秒激光加工平臺展開實驗，觀察、分析并總結，最后探究飛秒激光加工參數對微孔的直徑、深度、圓度以及微流道的寬度、形貌的影響。

1 飛秒激光加工的實驗系統

飛秒激光微加工系統由兩部分組成：光學系統和運動控制系統。工作原理是通過放大系統產生脈沖，經望遠系統、衰減系統和光闌，最后通過物鏡聚焦在PMMA微流控芯片樣品表面進行燒蝕加工[4]。本實驗中系統輸出的激光波長是800 nm、脈沖寬度是120 fs和重復頻率是1 kHz。

2 微流控芯片中微孔加工實驗研究

飛秒激光的精確度可以達到±5 μm，瞬時功率特別高，可以達到百萬億瓦以上。PMMA是一種高分子材料，具有化學穩定性高和耐候性強的優點。另外，飛秒激光與PMMA材料相互作用時，材料的熱影響區很小、加工的精度非常高[5-6]。因此，本文采用飛秒激光技術來加工PMMA微流控芯片，主要探究飛秒激光加工參數對微孔的直徑、深度、圓度以及微流道的寬度、形貌的影響。

2.1 加工參數對微孔直徑的影響

本實驗主要研究加工參數（激光功率、脈沖個數）的變化對微孔直徑、深度及形貌的影響。其中激光功率在32～162 mW之間，激光脈沖個數在500～3 000個之間。

2.1.1 脈沖個數對直徑的影響

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

圖1 162 mW功率下不同脈沖個數

圖2是在激光功率為162 mW的一定條件下，脈沖個數對微孔直徑的影響折線圖。結果分析：在激光功率一定的條件下，隨著脈沖個數的增大，微孔直徑增加（除個別微孔略有差異，即不符合這種規律）。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數[7]。

圖2 脈沖數對微孔直徑的影響折線圖

2.1.2 激光功率對直徑的影響

圖3是在脈沖個數為500個的一定條件下，飛秒激光功率對微孔直徑的影響折線圖。結果分析：在脈沖個數一定的條件下，隨著激光功率的增大，微孔直徑大小呈現上升的趨勢。功率在32～85 mW、131～162 mW之間，微孔直徑大小上升的趨勢較快；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 激光功率對微孔直徑的影響折線圖

2.2 加工參數對微孔深度的影響

本實驗使用激光掃描共聚焦顯微鏡對樣品進行斷層掃描和成像，無損傷觀察和分析樣品的三維空間結構[8]。如圖4所示，選取加工參數為：脈沖個數為1 000個，激光功率150 mW，以此得出微孔三維圖像、微孔平面圖、內部結構圖，最后測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是在脈沖個數為1 000個的一定條件下，飛秒激光功率對微孔深度的影響折線圖。結果分析：在脈沖個數一定的條件下，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，飛秒激光脈沖個數對微孔深度的影響折線圖。結果分析：在激光功率一定的條件下，隨著脈沖個數的增大，微孔深度也增加，特別在1 000～1 500個之間，深度的上升趨勢明顯增大。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數。

圖6 脈沖個數與深度的關系圖

2.3 微孔圓度誤差

本實驗采用最小區域法判斷微孔圓度誤差[9]，如圖7所示，運用繪圖軟件擬合顯示微孔兩個同心圓的邊緣，確定每個同心圓與邊緣有超過兩點的接觸（即為最小包容區域），最后測量出圓度誤差值（兩個同心圓的半徑差）。如圖8所示，（a）（b）采用最小區域法來測量微孔圓度誤差，結果分析：（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 評定圓度誤差的最小區域

圖8 飛秒激光加工微孔的形貌對比

3 飛秒激光在微流控上的應用研究

3.1 微流道的工程圖

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

圖9 熒光檢測微流道工程圖

3.2 微流道的形成

微流道的形成是微孔的進一步延伸。如圖10（a）所示，飛秒激光先聚焦在一個點上，進行微孔的加工；接下來，提高飛秒激光的掃描速度，使微孔之間串聯起來，最后形成一條完整的流道，如圖10（b）所示，即實現熒光檢測工程圖的微流道加工。

圖10 微流道的形成

3.3 微流道與加工參數的關系

飛秒激光加工PMMA微流控的微流道與參數密不可分，如圖11所示，在一定條件下（脈沖波長800 nm、脈沖寬度120 fs、重復頻率1 kHz、掃描速度1 000 mm/s、脈沖數2 000個），激光功率分別為53.7 mW、82 mW、130 mW、162 mW，加工出來流道寬度分別是（a）85 μm、（b）103 μm、（c）147 μm、（d）163 μm。結果分析：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 結論

本文主要研究了飛秒激光的加工參數（脈沖個數、激光功率）對PMMA微流控微孔和微流道的影響。在本實驗中，一定條件下，隨著脈沖個數和激光功率的增加，微孔直徑、深度都呈現上升的趨勢，得出的最優參數組合是：脈沖數3 000個、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，實驗加工參數：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、孔形圓度規整且形貌特征較好的微流道。本實驗提供了最佳飛秒激光加工參數（脈沖個數、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際指導。