01 玻璃上的微結(jié)構(gòu)

BOROFLOAT® 3是德國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。它在可見光和接近紅外和紫外波長下具有極高透明度，以及視覺質(zhì)量和光學清晰度、優(yōu)異的耐化學性和抗沖擊性，使其成為包括微流控在內(nèi)不同實驗室應用材料的理想選擇。

微流體學在許多研究分支中都很常見，例如：在物理學中，當通道寬度為幾個分子直徑時，研究流體的力學性質(zhì)；在化學中，研究皮升體積溶液的反應；在生物學中，分離和捕獲單個細胞，對生物體內(nèi)的化學過程進行生物化學研究。在這幾個分支中，共通的部分是針對極少量溶液的處理，通常以μL，nL或pL為單位進行測量，并且與亞毫米或亞微米尺寸的微流體回路密切相關(guān)。

如今市場上有很多芯片實驗室投入應用，例如自動血糖監(jiān)測、手持式快速血液或糞便生化檢測應用方向的各種可穿戴設備，僅需要在護理點就可以實現(xiàn)測試。

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)應用的不同，許多其他成本低廉的有機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，但傳統(tǒng)的濕法工藝：光刻和化學蝕刻有著明顯的缺點。得益于現(xiàn)在的皮秒激光，制作如同發(fā)絲寬度的微溝道無需任何化學反應，一個步驟即可完成，同樣，任何后處理清潔步驟也無需任何化學反應。

02 設備選擇

由于BOROFLOAT®33玻璃對紫外波長的激光的高透光率，因此需要使用短脈沖激光進行處理。實驗中，使用了LPKF ProtoLaser R4對BOROFLOAT®33玻璃進行加工（該設備配備了皮秒激光器，激光波長為515nm）。硼硅酸鹽玻璃的鉆孔和切割是常規(guī)加工，但玻璃開槽尚未進行過驗證。

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

圖2：LPKFProtoLaser R4 皮秒激光加工系統(tǒng)

03樣品設計以及準備工作

典型的微流控設計（如圖3）取自期刊文獻[i]，其中通過激光加工的微流控通道是實驗的一部分。該設計的整體尺寸為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設計

用戶可以通過LPKF軟件 CircuitPro PL直接進行微流控通道設計，也可以導入很多支持矢量設計的軟件數(shù)據(jù)。只需在 CircuitPro PL 軟件中輕松點擊幾下即可定義新材料，而新材料的激光參數(shù)通過測試過程即可定義。

圖4：計算出需要移除部分的填充軌跡

軟件默認設置將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，在要去除的部分進行激光軌跡填充。圖4中可看到放大的細節(jié)部分，需要去除的表面覆蓋了計算出的激光軌跡交叉陰影圖案（黃色線條）。

LPKF ProtoLaser R4通過調(diào)整激光束移動頻率、速度和功率，來定義不同的激光工具。對于我們將要測試的Borofloat®33深度刻蝕，將參數(shù)設置為300 kHz、1500 mm/s、3.9 W，產(chǎn)生的單脈沖能量為13μJ，通過連續(xù)8次重復，預計可加工出40μm的深度，加工時間為31分鐘。

圖5：加工Borofloat® 33的激光參數(shù)

為了便于測量，將樣品切割成75 x 25 mm的標準顯微鏡載玻片尺寸。對于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 實驗結(jié)果

整個加工過程持續(xù)了一段時間，非常順利。經(jīng)過測試，顯示深度為42μm。加工后的表面上可以看到一些碎屑（尤其是輪廓切割過程），將樣品放入去離子水內(nèi)并通過超聲波清洗，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VK軟件拼接在一起。

圖8：Borofloat® 33加工后的溝道細節(jié)

圖9：Borofloat® 33加工后的溝道細節(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的光學視圖

圖11：對（圖10）Borofloat® 33上的加工結(jié)構(gòu)細節(jié)進行3D分析

圖 12：所選區(qū)域的材料表面進行分析，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試中估算-未執(zhí)行測量。

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，通過我們的觀察發(fā)現(xiàn)與Borofloat® 33相同。我們發(fā)現(xiàn)這兩種材料都可以通過激光系統(tǒng)ProtoLaser R4進行加工。

此外，我們基于這兩種玻璃類型，我們還制作了一個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溝道細節(jié)

圖15：Mepax®上加工75 μm溝道細節(jié)

對于微流控應用，需要在蓋玻片上鉆孔作為溶液入口或作為機械安裝孔，都可以通過LPKF ProtoLaser R4輕松加工。

圖16：0.5 mm 厚Borofloat® 33 的鉆孔細節(jié)

圖17：Borofloat® 33鉆孔，深度0.5 mm

還有一些應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行直寫的應用（如圖18）也是LPKF ProtoLaser R4的另一種常見應用。

圖18：加工后的玻璃表面沉積桐

05 測試結(jié)論

LPKF ProtoLaser R4 實驗室系統(tǒng)，激光安全等級為一級，可以提高基于玻璃基材的微流控設計的處理速度和自由度，尤其是對于 SHOTT 的Boroflot® 33和Mepax®玻璃材料。對于大多數(shù)設計來說，通道結(jié)構(gòu)、鉆孔和切割均可以在一小時內(nèi)完成。ProtoLaser R4還可將電路結(jié)構(gòu)與玻璃基板應用相結(jié)合，為芯片實驗室和MEMS應用領(lǐng)域的創(chuàng)新開啟了更多可能性。

06 關(guān)于 LPKF ProtoLaser R4

LPKF ProtoLaser R4是專門為敏感材料的創(chuàng)新研究而開發(fā)的。利用皮秒短脈沖激光，它可以“冷”處理材料，進行柔性加工。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為實驗室全新材料的微加工開辟了新的可能性。ProtoLaser R4 是一款即用型、激光安全等級 1 級的實驗室系統(tǒng)，并且配有的CAM 軟件，直觀易操作。

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