01 玻璃上的微結(jié)構(gòu)

BOROFLOAT® 3是德國(guó)耶拿肖特公司的一種高性能硼硅酸鹽玻璃，采用肖特特有的微浮法工藝的生產(chǎn)而成。它在可見(jiàn)光和接近紅外和紫外波長(zhǎng)下具有極高透明度，以及視覺(jué)質(zhì)量和光學(xué)清晰度、優(yōu)異的耐化學(xué)性和抗沖擊性，使其成為包括微流控在內(nèi)不同實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用材料的理想選擇。

微流體學(xué)在許多研究分支中都很常見(jiàn)，例如：在物理學(xué)中，當(dāng)通道寬度為幾個(gè)分子直徑時(shí)，研究流體的力學(xué)性質(zhì)；在化學(xué)中，研究皮升體積溶液的反應(yīng)；在生物學(xué)中，分離和捕獲單個(gè)細(xì)胞，對(duì)生物體內(nèi)的化學(xué)過(guò)程進(jìn)行生物化學(xué)研究。在這幾個(gè)分支中，共通的部分是針對(duì)極少量溶液的處理，通常以μL，nL或pL為單位進(jìn)行測(cè)量，并且與亞毫米或亞微米尺寸的微流體回路密切相關(guān)。

如今市場(chǎng)上有很多芯片實(shí)驗(yàn)室投入應(yīng)用，例如自動(dòng)血糖監(jiān)測(cè)、手持式快速血液或糞便生化檢測(cè)應(yīng)用方向的各種可穿戴設(shè)備，僅需要在護(hù)理點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試。

用于微流控的材料各不相同，常用的材料有PDMS、PMMA、COC、LTCC和玻璃，這些也同樣適用于樣品制作。根據(jù)應(yīng)用的不同，許多其他成本低廉的有機(jī)透明材料也可用于大規(guī)模生產(chǎn)。

與上述其他微流控材料相比，玻璃具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但傳統(tǒng)的濕法工藝：光刻和化學(xué)蝕刻有著明顯的缺點(diǎn)。得益于現(xiàn)在的皮秒激光，制作如同發(fā)絲寬度的微溝道無(wú)需任何化學(xué)反應(yīng)，一個(gè)步驟即可完成，同樣，任何后處理清潔步驟也無(wú)需任何化學(xué)反應(yīng)。

02 設(shè)備選擇

由于BOROFLOAT®33玻璃對(duì)紫外波長(zhǎng)的激光的高透光率，因此需要使用短脈沖激光進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)中，使用了LPKF ProtoLaser R4對(duì)BOROFLOAT®33玻璃進(jìn)行加工（該設(shè)備配備了皮秒激光器，激光波長(zhǎng)為515nm）。硼硅酸鹽玻璃的鉆孔和切割是常規(guī)加工，但玻璃開(kāi)槽尚未進(jìn)行過(guò)驗(yàn)證。

圖1:  不同厚度BOROFLOAT®33玻璃對(duì)紫外激光的透光率（肖特特性）

圖2：LPKFProtoLaser R4 皮秒激光加工系統(tǒng)

03樣品設(shè)計(jì)以及準(zhǔn)備工作

典型的微流控設(shè)計(jì)（如圖3）取自期刊文獻(xiàn)[i]，其中通過(guò)激光加工的微流控通道是實(shí)驗(yàn)的一部分。該設(shè)計(jì)的整體尺寸為46 x 10mm，通道寬度150μm。

[i] Wlodarczyk, K.L., Hand, D.P. & MarotoValer, M.M. Maskless, rapid manufacturing of glass microfluidic devices using a picosecond pulsed laser. Sci Rep 9, 20215 (2019).

圖3：微流控通道的二維CAD設(shè)計(jì)

用戶(hù)可以通過(guò)LPKF軟件 CircuitPro PL直接進(jìn)行微流控通道設(shè)計(jì)，也可以導(dǎo)入很多支持矢量設(shè)計(jì)的軟件數(shù)據(jù)。只需在 CircuitPro PL 軟件中輕松點(diǎn)擊幾下即可定義新材料，而新材料的激光參數(shù)通過(guò)測(cè)試過(guò)程即可定義。

圖4：計(jì)算出需要移除部分的填充軌跡

軟件默認(rèn)設(shè)置將7μm（約激光光斑直徑的一半）作為激光軌跡間距，使用X/Y交叉算法，在要去除的部分進(jìn)行激光軌跡填充。圖4中可看到放大的細(xì)節(jié)部分，需要去除的表面覆蓋了計(jì)算出的激光軌跡交叉陰影圖案（黃色線條）。

LPKF ProtoLaser R4通過(guò)調(diào)整激光束移動(dòng)頻率、速度和功率，來(lái)定義不同的激光工具。對(duì)于我們將要測(cè)試的Borofloat®33深度刻蝕，將參數(shù)設(shè)置為300 kHz、1500 mm/s、3.9 W，產(chǎn)生的單脈沖能量為13μJ，通過(guò)連續(xù)8次重復(fù)，預(yù)計(jì)可加工出40μm的深度，加工時(shí)間為31分鐘。

圖5：加工Borofloat® 33的激光參數(shù)

為了便于測(cè)量，將樣品切割成75 x 25 mm的標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡載玻片尺寸。對(duì)于0.5mm厚的玻璃，切割需要15分鐘或0.22 mm/s。

圖6：清潔前的激光刻蝕和切割后的玻璃表面，外部尺寸75 x 25 mm

04 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

整個(gè)加工過(guò)程持續(xù)了一段時(shí)間，非常順利。經(jīng)過(guò)測(cè)試，顯示深度為42μm。加工后的表面上可以看到一些碎屑（尤其是輪廓切割過(guò)程），將樣品放入去離子水內(nèi)并通過(guò)超聲波清洗，成功地將其洗掉。圖7展示了顯微鏡下拍攝的樣品圖片（進(jìn)行了拼接）。

圖7：清潔后的樣品，由Keyence VK-X210激光顯微鏡拍攝樣品的部分照片，并通過(guò)VK軟件拼接在一起。

圖8：Borofloat® 33加工后的溝道細(xì)節(jié)

圖9：Borofloat® 33加工后的溝道細(xì)節(jié)

Keyence VK-X210 激光顯微鏡的 3D 分析顯示，激光加工后的玻璃邊緣質(zhì)量完美（圖 10 和圖 11）以及表面光滑度 – Ra = 0.6 μm。詳情如圖 12。

圖10：清潔之前加工后的Borofloat® 33的光學(xué)視圖

圖11：對(duì)（圖10）Borofloat® 33上的加工結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行3D分析

圖 12：所選區(qū)域的材料表面進(jìn)行分析，顯示的平均粗糙度為 0.6 μm

Borofloat® 33在加工區(qū)域中的透明度略有降低。不透明度程度可以在下面的測(cè)試中估算-未執(zhí)行測(cè)量。

圖 13：加工后樣品的透明度

在加工肖特0.3毫米厚的Mepax®玻璃時(shí)，通過(guò)我們的觀察發(fā)現(xiàn)與Borofloat® 33相同。我們發(fā)現(xiàn)這兩種材料都可以通過(guò)激光系統(tǒng)ProtoLaser R4進(jìn)行加工。

此外，我們基于這兩種玻璃類(lèi)型，我們還制作了一個(gè)75μm的溝道。Borofloat® 33 以及Mepax®的圖片如下圖14和15所示。

圖14：Borofloat® 33上加工75 μm溝道細(xì)節(jié)

圖15：Mepax®上加工75 μm溝道細(xì)節(jié)

對(duì)于微流控應(yīng)用，需要在蓋玻片上鉆孔作為溶液入口或作為機(jī)械安裝孔，都可以通過(guò)LPKF ProtoLaser R4輕松加工。

圖16：0.5 mm 厚Borofloat® 33 的鉆孔細(xì)節(jié)

圖17：Borofloat® 33鉆孔，深度0.5 mm

還有一些應(yīng)用涉及到基于玻璃微流控器件上加置電傳感器或加熱器。這種將玻璃表面濺射或氣相沉積的金屬進(jìn)行直寫(xiě)的應(yīng)用（如圖18）也是LPKF ProtoLaser R4的另一種常見(jiàn)應(yīng)用。

圖18：加工后的玻璃表面沉積桐

05 測(cè)試結(jié)論

LPKF ProtoLaser R4 實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，激光安全等級(jí)為一級(jí)，可以提高基于玻璃基材的微流控設(shè)計(jì)的處理速度和自由度，尤其是對(duì)于 SHOTT 的Boroflot® 33和Mepax®玻璃材料。對(duì)于大多數(shù)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，通道結(jié)構(gòu)、鉆孔和切割均可以在一小時(shí)內(nèi)完成。ProtoLaser R4還可將電路結(jié)構(gòu)與玻璃基板應(yīng)用相結(jié)合，為芯片實(shí)驗(yàn)室和MEMS應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新開(kāi)啟了更多可能性。

06 關(guān)于 LPKF ProtoLaser R4

LPKF ProtoLaser R4是專(zhuān)門(mén)為敏感材料的創(chuàng)新研究而開(kāi)發(fā)的。利用皮秒短脈沖激光，它可以“冷”處理材料，進(jìn)行柔性加工。尤其適合敏感材料以及切割硬質(zhì)或燒結(jié)的基材。因此，ProtoLaser R4為實(shí)驗(yàn)室全新材料的微加工開(kāi)辟了新的可能性。ProtoLaser R4 是一款即用型、激光安全等級(jí) 1 級(jí)的實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，并且配有的CAM 軟件，直觀易操作。

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