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）

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 μm，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 μm、156 μm、159 μm。

图1 162 mW功率下不同脉冲个数

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]。

图2 脉冲数对微孔直径的影响折线图

2.1.2 激光功率对直径的影响

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。

图3 激光功率对微孔直径的影响折线图

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5 激光功率与深度的关系图

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1 000～1 500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，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 1.1×103μm、宽度是 2.0×104μm、长度是 6.0×104μm，微孔半径是 1.5×103μm，微流道的宽度是 0.1×103μm、长度为 5.0×104μm 和 1.0×104μm，深度 0.5×102μm。

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 μm、（b）103 μm、（c）147 μm、（d）163 μm。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。

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 μm，深度最大是160 μm。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。