飞秒激光在PMMA微流控芯片中的加工实验研究_宋春辉.pdf

61材料：实验与研究信息记录材料 2022年12月 第23卷第12期 0 引言微流控芯片是一种将要达到深度产业化的科学技术，其中微孔和微流道加工在很多的领域中都有重要的应用价值1-2，如疾病诊断、药物筛选、材料合成、司法鉴定、航空航天等。飞秒激光微细加工技术的发展十分迅速，特别是在小尺度和高精度的微流控中得到了突破3，因此本文应用飞秒激光技术来加工 PMMA 微流控芯片的微孔和微流道。本文针对飞秒激光在微流控芯片上对微孔和微流道的加工问题，借助于西安交通大学重点实验室的飞秒激光加工平台展开实验，观察、分析并总结，最后探究飞秒激光加工参数对微孔的直径、深度、圆度以及微流道的宽度、形貌的影响。1 飞秒激光加工的实验系统飞秒激光微加工系统由两部分组成：光学系统和运动控制系统。工作原理是通过放大系统产生脉冲，经望远系统、衰减系统和光阑，最后通过物镜聚焦在 PMMA 微流控芯片样品表面进行烧蚀加工4。本实验中系统输出的激光波长是 800 nm、脉冲宽度是 120 fs 和重复频率是1 kHz。2 微流控芯片中微孔加工实验研究飞秒激光的精确度可以达到5 m，瞬时功率特别高，可以达到百万亿瓦以上。PMMA 是一种高分子材料，具有化学稳定性高和耐候性强的优点。另外，飞秒激光与 PMMA材料相互作用时，材料的热影响区很小、加工的精度非常高5-6。因此，本文采用飞秒激光技术来加工 PMMA 微流控芯片，主要探究飞秒激光加工参数对微孔的直径、深度、圆度以及微流道的宽度、形貌的影响。2.1 加工参数对微孔直径的影响本实验主要研究加工参数（激光功率、脉冲个数）的变化对微孔直径、深度及形貌的影响。其中激光功率在 32 162 mW 之间，激光脉冲个数在 500 3 000 个之间。2.1.1 脉冲个数对直径的影响图 1 是在激光功率 162 mW 一定的条件下，光学显微镜下观察到的微孔的图像，脉冲个数是（a）500个；（b）1 000 个；（c）2 000 个，测得直径大小分别是154 m、156 m、159 m。图 1 162 mW 功率下不同脉冲个数图 2 脉冲数对微孔直径的影响折线图飞秒激光在 PMMA 微流控芯片中的加工实验研究宋春辉，刘欢丽，尹燕飞（郑州工业应用技术学院医学院 河南 郑州 451150）【摘要】微流控芯片研究已经在众多领域中具有重要的应用价值，如疾病诊断、药物筛选、材料合成、司法鉴定、航空航天等。飞秒激光微细加工技术在小尺度和高精度的微流控中得到了突破，采用飞秒激光技术对微孔和微流道的加工有较好的作用效果。本文选用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为实验材料，研究飞秒激光的脉冲个数和激光功率对加工微孔的直径、深度、圆度以及微流道的宽度、形貌的影响。结果表明，随着脉冲个数和激光功率的增加，微孔直径、深度都呈现上升的趋势。最优参数组合：脉冲数 3 000 个、激光功率 162 mW，直径最大是 168 m，深度最大是 160 m，以此获得了直径小、深度大、孔形圆度规整且形貌特征较好的微流道，为确定微流控芯片的飞秒激光加工技术参数提供借鉴。【关键词】微流控；微孔；微流道；飞秒激光；PMMA；超疏水【中图分类号】TQ31 【文献标识码】A 【文章编号】1009-5624（2022）12-0061-04DOI:10.16009/13-1295/tq.2022.12.05862 材料：实验与研究信息记录材料 2022年12月 第23卷第12期 图 2 是在激光功率为 162 mW 的一定条件下，脉冲个数对微孔直径的影响折线图。结果分析：在激光功率一定的条件下，随着脉冲个数的增大，微孔直径增加（除个别微孔略有差异，即不符合这种规律）。因此，若需要加工直径较大的微孔，可选择增加飞秒激光的脉冲个数7。2.1.2 激光功率对直径的影响 图 3 激光功率对微孔直径的影响折线图图 3 是在脉冲个数为 500 个的一定条件下，飞秒激光功率对微孔直径的影响折线图。结果分析：在脉冲个数一定的条件下，随着激光功率的增大，微孔直径大小呈现上升的趋势。功率在 32 85 mW、131 162 mW 之间，微孔直径大小上升的趋势较快；功率在 85 131 mW 之间，直径大小上升就比较平缓。因此，若需要加工直径较大的微孔，可选择增加飞秒激光的激光功率。2.2 加工参数对微孔深度的影响本实验使用激光扫描共聚焦显微镜对样品进行断层扫描和成像，无损伤观察和分析样品的三维空间结构8。如图 4 所示，选取加工参数为：脉冲个数为 1 000 个，激光功率 150 mW，以此得出微孔三维图像、微孔平面图、内部结构图，最后测量出微孔的深度和直径。图 4 微孔在激光共聚焦显微镜下的三维图 图 5 是在脉冲个数为 1 000 个的一定条件下，飞秒激光功率对微孔深度的影响折线图。结果分析：在脉冲个数一定的条件下，随着激光功率的增大，微孔深度也增加，特别在 147 162 mW 之间，深度的上升趋势明显增大。因此，若需要加工深度较大的微孔，可选择增加飞秒激光的激光功率。图 6 是在激光功率为 150 mW 的一定条件下，飞秒激光脉冲个数对微孔深度的影响折线图。结果分析：在激光功率一定的条件下，随着脉冲个数的增大，微孔深度也增加，特别在1 0001 500个之间，深度的上升趋势明显增大。因此，若需要加工深度较大的微孔，可选择增加飞秒激光的脉冲个数。图 5 激光功率与深度的关系图图 6 脉冲个数与深度的关系图2.3 微孔圆度误差本实验采用最小区域法判断微孔圆度误差9，如图7 所示，运用绘图软件拟合显示微孔两个同心圆的边缘，63材料：实验与研究信息记录材料 2022年12月 第23卷第12期 确定每个同心圆与边缘有超过两点的接触（即为最小包容区域），最后测量出圆度误差值（两个同心圆的半径差）。如图 8 所示，（a）（b）采用最小区域法来测量微孔圆度误差，结果分析：（b）图中孔周围的喷溅物较少，形貌良好，微孔圆度更大。因此，微孔的圆度误差值越小，孔型越圆10。图 7 评定圆度误差的最小区域图 8 飞秒激光加工微孔的形貌对比3 飞秒激光在微流控上的应用研究3.1 微流道的工程图图 9 是荧光检测微流道的工程图。荧光检测单元的要求是：PMMA 厚度是 1.1103 m、宽度是 2.0104 m、长度是 6.0104 m，微孔半径是 1.5103 m，微流道的宽度是 0.1103 m、长度为 5.0104 m 和 1.0104 m，深度 0.5102 m。图 9 荧光检测微流道工程图3.2 微流道的形成微流道的形成是微孔的进一步延伸。如图10（a）所示，飞秒激光先聚焦在一个点上，进行微孔的加工；接下来，提高飞秒激光的扫描速度，使微孔之间串联起来，最后形成一条完整的流道，如图 10（b）所示，即实现荧光检测工程图的微流道加工。图 10 微流道的形成3.3 微流道与加工参数的关系飞秒激光加工 PMMA 微流控的微流道与参数密不可分，如图 11 所示，在一定条件下（脉冲波长 800 nm、脉冲宽度 120 fs、重复频率 1 kHz、扫描速度 1 000 mm/s、脉冲数 2 000 个），激光功率分别为 53.7 mW、82 mW、130 mW、162 mW，加工出来流道宽度分别是（a）85 m、（b）103 m、（c）147 m、（d）163 m。结果分析：随着激光功率的增大，微流道的宽度逐渐增加，形貌也较好。（下转第 67 页）67材料：实验与研究信息记录材料 2022年12月 第23卷第12期 析 J.机电工程技术，2022，51(6):131-133，184.2 陈哲明，陶军，庄威洋，等.改进单神经元网络 PID 算法下的车用轮毂电机控制系统仿真 J.重庆理工大学学报(自然科学)，2022，36(5):13-19.3 梁天，董绍江，朱孙科，等.质量放大系数对三代轮毂轴承旋压铆合仿真的影响 J.机床与液压，2022，50(4):115-119.4 高庆福，吴鹏州，李光，等.抗低温碎石冲击性能良好的汽车铝轮毂底粉粉末涂料的研制 J.现代涂料与涂装，2021，24(5):1-4.5 兰青，刘俊.轮毂锻造液压机垫板隔热保温结构优化 J.机械设计，2020，37(S1):223-225.6张丽娟.A356.2低压铸造铝合金轮毂缩松分析及改善措施J.内燃机与配件，2020(4):86-87.7ZHU Y Y,YANG C T,YUE Y,et al.Design and optimisation of an In-wheel switched reluctance motor for electric vehiclesJ.IET Intell Transp Syst,2019,13(1):175-182.8 白飞，李国东，王琼雅.固溶时效工艺对 A356 铝合金轮毂组织与性能的影响 J.内燃机与配件，2018(9):32-33.9FEMANDEZ M,RODRIGUEZ C,BELZUNCE F J,et al.Use of small punch test to estimate the mechanical properties of sintered products and application to synchronizer hubsJ.Met Powder Rep,2017,72(5):355-360.作者简介：张聚涛（1980），男，河北高邑，硕士，实验师，研究方向：机械设计。图 11 飞秒激光加工的微流道4 结论本文主要研究了飞秒激光的加工参数（脉冲个数、激光功率）对PMMA微流控微孔和微流道的影响。在本实验中，一定条件下，随着脉冲个数和激光功率的增加，微孔直径、深度都呈现上升的趋势，得出的最优参数组合是：脉冲数3 000 个、激光功率 162 mW，直径最大是 168 m，深度最大是 160 m。另外，初步完成了微流道的加工，实验加工参数：扫描速度为 1 000 mm/s、激光功率 32 162 mW，获得了直径小、深度大、孔形圆度规整且形貌特征较好的微流道。本实验提供了最佳飞秒激光加工参数（脉冲个数、激光功率），为使用飞秒激光加工微流控芯片提供理论参考和实际指导。【参考文献】1CHEN Y,ZHANG L Y,CHEN G.Fabrication,modification,and application of poly(methyl methacrylate)microfluidic chipsJ.Electrophoresis,2008,29(9):1801-1814.2 曹凤国.激光加工 M.北京:化学工业出版社，2015：1.3 史杨，许兵，吴东，等.飞秒激光直写技术制备功能化微流控芯片研究进展 J.中国激光，2019，46(10):9-28.4FU L M,TSAI C H,LIN C H.A high-discernment microflow cytometer with microweir structureJ.Electrophoresis,2008,29(9):1874-1880.5林炳承，秦建华.微流控芯片实验室M.北京:科学出版社，2006:1.6 任春艳，于曙光，马圆圆，等.微流控芯片应用的科技创新性实验 J.实验室科学，2022，25(1):7-10，14.7 冯波，程正学，陈华，等.Q33 微流控芯片制作中的激光技术 J.激光杂志，2006，27(2):11-13.8 李安一，吕雪飞，邓玉林，等.基于微流控芯片的核酸提取技术研究进展 J.分析试验室，2021，40(7):761-771.9HASHIDA M,MISHIMA H,TOKITA S,et al.Non-thermal ablation of expanded polytetrafluoroethylene with an intense femtosecond-pulse laserJ.Opt Express,2009,17(15):13116-13121.10 杨海峰.飞秒激光微纳