CN106695119B - 一种玻璃微流道的制备系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种玻璃微流道的制备系统，包括第一移动平台和切割头透镜组，第一移动平台，用于依据计算机发出的控制指令在x/y平面上移动；还包括红外激光器以及固定在第一移动平台上的基板，其中：红外激光器，用于发射红外激光；切割头透镜组，用于接收红外激光并使红外激光聚焦在基板的上表面上，以便对放置在基板的上表面的玻璃基片进行微流道背刻得到玻璃微流道基片。本发明实现了利用红外激光制备玻璃微流道，降低了整体成本。

Description

一种玻璃微流道的制备系统

技术领域

本发明涉及微流道制备技术领域，特别是涉及一种玻璃微流道的制备系统。

背景技术

微流道是微反应器和集成微流道系统的重要组成部分，其中，微反应器也就是微通道反应器，它利用精密加工技术制造的特征尺寸在10到300微米(或者1000微米)之间的微型反应器，微反应器的“微”表示工艺流体的通道在微米级别，而不是指微反应设备的外形尺寸小或产品的产量小。微反应器中可以包含有成百万上千万的微型通道(即微流道)；集成微流道系统被广泛的应用于化学、光学、生物医疗以及军事等领域，在使用过程中能实现很高的产量。玻璃和硅材料是制备微流道的高性能材料，主要是因其具有化学性能稳定、可靠性高、对高温高压的抗性好以及利于电渗流驱动等优点。

目前，常用的微流道加工方式是采用激光加工微流道，该方式具有工艺简单、环保高效的优点，在利用激光对玻璃进行微流道加工时，由于玻璃材料的透过性好，能量较低的红外波段的激光很难在玻璃表面聚焦，因此现有技术中需要采用能量较高的蓝紫波段或者超快激光对玻璃进行微流道加工，但是，由于蓝紫波段或者超快激光的能量较高，则相应的玻璃微流道的制备系统中所采用的激光器和各个光学元件的成本较高，使得现有技术中的玻璃微流道的制备系统的整体成本较高。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的玻璃微流道的制备系统成为本领域的技术人员需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种玻璃微流道的制备系统，在使用过程中实现了利用红外激光制备玻璃微流道，降低了整体成本。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种玻璃微流道的制备系统，包括第一移动平台和切割头透镜组，所述第一移动平台，用于依据计算机发出的控制指令在x/y平面上移动；还包括红外激光器以及固定在第一移动平台上的基板，其中：

红外激光器，用于发射红外激光；

切割头透镜组，用于接收所述红外激光并使所述红外激光聚焦在所述基板的上表面上，以便对放置在所述基板的上表面的玻璃基片进行微流道背刻得到玻璃微流道基片。

可选的，所述装置还包括激光清洗装置，用于接收所述红外激光并利用所述红外激光对所述玻璃微流道基片进行激光清洗，以祛除微流道中的残渣。

可选的，所述系统还包括光路切换器件，用于改变所述红外激光的光路方向，使所述红外激光射入至所述激光清洗装置的接收端。

可选的，所述激光清洗装置包括：

固定在所述第二移动平台上的激光清洗夹具，用于放置所述玻璃微流道基片；

x/y扫描振镜，用于接收并发送所述红外激光，并确定所述红外激光的扫描范围；

一端与所述x/y扫描振镜的输出端连接的聚焦镜，用于对所述红外激光的焦点进行调节，使所述焦点聚焦在所述玻璃微流道基片的下表面上。

可选的，所述系统还包括激光光束整形装置，用于对所述红外激光进行整形处理，并将整形处理后的红外激光发送至所述x/y扫描振镜。

可选的，如上述所述的玻璃微流道的制备系统，所述基板为石墨基板。

可选的，所述石墨基板为表面进行抛光处理后的石墨基板。

可选的，所述切割头透镜组的侧壁上设有横穿所述侧壁的进气口。

可选的，所述红外激光的波长范围为700～1400nm，所述红外激光的频率范围为10～100KHz。

可选的，所述x/y扫描振镜的扫描速度为50～2000mm/s。

本发明提供了一种玻璃微流道的制备系统，包括第一移动平台和切割头透镜组，第一移动平台，用于依据计算机发出的控制指令在x/y平面上移动；还包括红外激光器以及固定在第一移动平台上的基板，其中：红外激光器，用于发射红外激光；切割头透镜组，用于接收红外激光并使红外激光聚焦在基板的上表面上，以便对放置在基板的上表面的玻璃基片进行微流道背刻得到玻璃微流道基片。本发明在使用的过程中将玻璃基片放置在基板上，基板固定在第一移动平台上，切割头透镜组将红外激光器发射的红外激光聚焦在基板的上表面上即玻璃基片和基板的接触面处，红外激光作用下一部分能量被基板吸收使其气化产生高压，另一部分能量被基板反射至玻璃基片的下表面使玻璃基片吸收进一步形成背刻，同时控制第一移动平台在x/y平面上移动使玻璃基片上形成微流道从而完成玻璃微流道的制备得到玻璃微流道基片。本发明实现了利用红外激光制备玻璃微流道，降低了整体成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种玻璃微流道的制备系统的结构示意图；

图2为本发明提供的另一种玻璃微流道的制备系统的结构示意图；

图3为本申请所提供的利用红外激光背刻形成的微流道的局部放大示意图；

图4为本申请所提供的利用激光清洗后的微流道的局部放大示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种玻璃微流道的制备系统，在使用过程中实现了利用红外激光制备玻璃微流道，降低了整体成本。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1为本发明提供的一种玻璃微流道的制备系统的结构示意图。

该系统包括第一移动平台1和切割头透镜组2，第一移动平台1，用于依据计算机发出的控制指令在x/y平面上移动；还包括红外激光器3以及固定在第一移动平台1上的基板4，其中：

红外激光器3，用于发射红外激光；

切割头透镜组2，用于接收红外激光并使红外激光聚焦在基板4的上表面上，以便对放置在基板4的上表面的玻璃基片进行微流道背刻得到玻璃微流道基片。

需要说明的是，利用本发明所提供的玻璃微流道的制备系统在进行玻璃微流道制备的时候，将玻璃基片(图1中位于基板4上的透明基片)放置在基板4的上表面上，使玻璃基片的下表面与基板4的上表面紧密贴合在一起，开启红外激光器3，并且使红外激光器3发射红外激光(即脉冲红外激光)通过切割头透镜组2中的透镜的焦点，通过纵向调节切割头透镜组2使透过切割头透镜组2的红外激光光束聚焦在基板4的上表面上，也就是使红外激光光束聚焦在基板4和玻璃基片的接触面处。在红外激光的作用下，一部分能量被基板4吸收，基板4的温度升高，当基板4吸收足够的能量使其上表面的温度达到基板4的气化温度时基板4气化，使基板4与玻璃基片的接触面处的气压压强增大从而产生高压；另一部分能量经基板4反射后被玻璃基片的下表面吸收，吸收能量后的玻璃基片的下表面的温度升高，当温度达到玻璃的熔点时，玻璃熔化，从而形成背刻。通过计算机控制第一移动平台1的运动轨迹，即控制第一移动平台1在x/y平面上运行(具体的，可以通过在计算机上编写相应的程序，再通过计算机下达相应的指令来控制第一移动平台1进行相应的移动)，从而带动固定在第一移动平台1上的基板4进行相应的运动，进一步使放置在基板4上的玻璃基片进行相应的运动，从而实现在玻璃基片的背面(下表面)进行微流道的划刻，以制备长玻璃微流道基片。

本发明提供了一种玻璃微流道的制备系统，包括第一移动平台和切割头透镜组，第一移动平台，用于依据计算机发出的控制指令在x/y平面上移动；还包括红外激光器以及固定在第一移动平台上的基板，其中：红外激光器，用于发射红外激光；切割头透镜组，用于接收红外激光并使红外激光聚焦在基板的上表面上，以便对放置在基板的上表面的玻璃基片进行微流道背刻得到玻璃微流道基片。本发明在使用的过程中将玻璃基片放置在基板上，基板固定在第一移动平台上，切割头透镜组将红外激光器发射的红外激光聚焦在基板的上表面上即玻璃基片和基板的接触面处，红外激光作用下一部分能量被基板吸收使其气化产生高压，另一部分能量被基板反射至玻璃基片的下表面使玻璃基片吸收进一步形成背刻，同时控制第一移动平台在x/y平面上移动使玻璃基片上形成微流道从而完成玻璃微流道的制备得到玻璃微流道基片。本发明实现了利用红外激光制备玻璃微流道，降低了整体成本。

请参照图2，图2为本发明所提供的另一种玻璃微流道的制备系统的结构示意图。在上述实施例的基础上：

可选的，装置还包括激光清洗装置，用于接收红外激光并利用红外激光对玻璃微流道基片进行激光清洗，以祛除微流道中的残渣。

需要说明的是，由于在制备玻璃微流道基片的过程中所形成的微流道和玻璃的背面会沉积一些基板气化后所形成的微颗粒和玻璃熔化后的熔渣溅射物，为了得到质量更优的玻璃微流道基片，则本发明还提供了激光清洗装置，该激光清洗装置的接收端可以接收红外激光器3发射的红外激光，具体的调节红外激光器3的位置或者调节红外激光器3的激光发射方向时其所发射的激光射入激光清洗装置的接收端，该激光清洗装置接收到红外激光后将利用该红外激光对通过红外激光背刻所制备的玻璃微流道基片的背面(刻有微流道的一面)进行激光清洗，进一步祛除残留在微流道和玻璃基片背面的微颗粒和熔渣溅射物，以得到质量更优的玻璃微流道基片。请参照图3和图4，图3为本申请所提供的利用红外激光背刻形成的微流道的局部放大示意图；图4为本申请所提供的利用激光清洗后的微流道的局部放大示意图。

可选的，系统还包括光路切换器件，用于改变红外激光的光路方向，使红外激光射入至激光清洗装置的接收端。

具体的，本申请中还包括光路切换器件，当红外激光器3的位置固定不变，并且需要对玻璃微流道基片进行激光清洗时，如图2所示红外激光器3的位置在如图所示的位置固定不变，则此时需要利用光路切换器件对红外激光器3所发射的红外激光的光路方向进行切换，以使红外激光可以射入至激光清洗装置的接收端，也就是将光路切换器件按照图2中的位置放置即可使红外激光器3所发射的红外激光射入激光清洗装置的接收端(当然，当系统包括激光光束整形装置7时则通过该激光光束整形装置7射入激光清洗装置的接收端)；当需要利用红外激光对玻璃基片进行背刻以形成玻璃微流道基片时则可以将该光路切换器件竖直放置(即可以光路的方向平行)以便红外激光可以顺利的射入切割头透镜组2的接收端。

显而易见的，该光路切换器件即相当于一个光路开关，打开该光路切换器件至图2中的位置则可以使红外激光的改变传播方向，关断该光路切换器件使其竖直放置则可以使红外激光沿着原来的方向进行传播。可选的，激光清洗装置包括：

固定在第二移动平台51上的激光清洗夹具52，用于放置玻璃微流道基片；

x/y扫描振镜53，用于接收并发送红外激光，并确定红外激光的扫描范围；

一端与x/y扫描振镜53的输出端连接的聚焦镜54，用于对红外激光的焦点进行调节，使焦点聚焦在玻璃微流道基片的下表面上。

具体的，将需要进行激光清洗的玻璃微流道基片(图2中位于激光清洗夹具51上的透明基片)放置在激光清洗夹具52上，并且玻璃微流道基片中刻有微流道的一面朝下，其中激光清洗夹具52固定在第二移动平台51上，x/y扫描振镜53的接收端作为激光清洗装置的接收端接收红外激光，同时确定红外激光的扫描范围，并将红外激光发送出去，聚焦镜54接收x/y扫描振镜53发送的红外激光，并将红外激光的焦点聚焦在被清洗的玻璃微流道基片的下表面上(具体的可以通过微调第二移动平台51可聚焦镜54使红外激光聚焦在被清洗的玻璃微流道基片的下表面上)，红外激光聚焦的地方温度较高，再结合x/y扫描振镜53在其所设定的扫描范围内(x/y平面上)快速扫描(扫面速度可以为1000mm/s)，对玻璃微流道基片的微流道和玻璃的背面所沉积的微颗粒和熔渣溅射物进行烧蚀或冲击，以去除所沉积的微颗粒和熔渣溅射物，当玻璃微流道基片被清洗干净后红外激光会透过玻璃，此时便可以停止对玻璃微流道基片清洗。对与将玻璃微流道基片清洗干净后红外激光会直接穿过玻璃，并且不会造成损伤。

需要说明的是，将清洗干净的玻璃微流道基片先后放入无水乙醇和去离子水的超声波清洗仪中清洗，烘干后便完成了玻璃微流道的制备。

可选的，系统还包括激光光束整形装置，用于对红外激光进行整形处理，并将整形处理后的红外激光发送至x/y扫描振镜53。

需要说明的是，由于红外激光器3所发射的红外激光的光斑能量密度分布不均匀，在对玻璃微流道进行激光清洗时，红外激光的光斑能量密度的不均匀分布能会导致某些能量密度较低的位置清洗的不彻底，从而影响清洗质量。

针对上述问题，本发明还提供了激光光束整形装置7，该激光光束整形装置7可以对入射的红外激光进行整形处理得到光斑能量密度分布更加均与的红外激光，并将光斑能量密度分布更加均与的红外激光发射至激光清洗装置中的x/y扫描振镜53的接收端，以提高激光清洗的质量。

可选的，如上述的玻璃微流道的制备系统，基板4为石墨基板41。

需要说明的是，由于石墨的吸热性能比较好，其气化后所形成的微颗粒易于清洗，并且利用石墨为基板通过激光背刻以形成玻璃微流道，易获得复杂分布的微流道结构且沟槽具有较高深宽比，所以本申请中的基板4优选为石墨基板41。当然，本发明中的基板4不仅限于采用石墨基板41还可以采用其他材质的基板，本发明对此不做特殊的限定，能实现本发明的目的即可。

可选的，石墨基板41为表面进行抛光处理后的石墨基板41。

具体的，可以对本申请中的石墨基板41的表面进行抛光处理，可以进一步保证玻璃基片与石墨基板41紧密贴合以提高背刻质量。

可选的，所述切割头透镜组2的侧壁上设有横穿所述侧壁的进气口21。

需要说明的是，由于玻璃基片吸收了经基板反射的一部分能量，所以玻璃基片的温度会升高，并且可能出现某处温度比较聚集，这种现象容易使玻璃出现裂纹或炸裂，所以优选的本申请中所提供的切割头透镜组2的侧轴上设置有一个进气口21，并且在进行玻璃微流道制备的过程中保证该进气口21不断通入压缩空气，以便防止背刻过程中因温度聚集出现玻璃裂纹或炸裂的现象。另外，进气口21所输入的压缩空气的压强可以为0.5MPa，当然压缩空气的具体压强不仅限于为0.5MPa还可以为其他数值，本发明对此不做特殊的限定，能实现本发明的目的即可。

可选的，红外激光的波长范围为700～1400n，红外激光的频率范围为10～100KHz。可选的，红外激光的能量密度范围为100～500J/cm²。

可选的，x/y扫描振镜53的扫描速度为50～2000mm/s。

需要说明的是，本申请中的红外激光的波长范围优选的为700～1400nm；上述红外激光的脉宽范围优选的为10～200ns；上述红外激光的能量密度范围优选的为100～500J/cm²；上述红外激光的频率范围优选的为10～100KHz；上述激光振镜扫描速度范围50～2000mm/s；上述激光切割头背刻划切次数为1～10次，激光清洗扫描次数1～20次。

在本实施例中，用于背刻激光束的激光器的波长为1064nm、脉宽为100ns、能量密度为198.4J/cm²、频率为40KHz、划切次数2次。用于激光清洗修复初步成形微流道的脉宽为100ns、能量密度为88.16J/cm2、扫描速度为1000mm/s、频率为40KHz、扫面次数3次。当然，上述各个参量的具体数值不仅限于上述取值，分别还可以选择其他合理的数值，具体的可以根据实际情况而定，本发明对此不做特殊的限定，能实现本发明的目的即可。

可见，本发明将激光背刻装置与激光清洗装置相结合以制备微流道，使用本发明进行玻璃微流道制备的过程无需使用化学试剂和掩模，安全环保，加工设备便于集成实现自动化，且具有加工速率高、加工成本低的优点。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种玻璃微流道的制备系统，包括第一移动平台和切割头透镜组，所述第一移动平台，用于依据计算机发出的控制指令在x/y平面上移动；其特征在于，还包括红外激光器以及固定在第一移动平台上的基板，其中：

红外激光器，用于发射红外激光；

切割头透镜组，用于接收所述红外激光并使所述红外激光聚焦在所述基板的上表面上，以便对放置在所述基板的上表面的玻璃基片进行微流道背刻得到玻璃微流道基片；其中：

所述基板为石墨基板。

2.根据权利要求1所述的玻璃微流道的制备系统，其特征在于，所述系统还包括激光清洗装置，用于接收所述红外激光并利用所述红外激光对所述玻璃微流道基片进行激光清洗，以祛除微流道中的残渣。

3.根据权利要求2所述的玻璃微流道的制备系统，其特征在于，所述系统还包括光路切换器件，用于改变所述红外激光的光路方向，使所述红外激光射入至所述激光清洗装置的接收端。

4.根据权利要求3所述的玻璃微流道的制备系统，其特征在于，所述激光清洗装置包括：

固定在第二移动平台上的激光清洗夹具，用于放置所述玻璃微流道基片；

x/y扫描振镜，用于接收并发送所述红外激光，并确定所述红外激光的扫描范围；

一端与所述x/y扫描振镜的输出端连接的聚焦镜，用于对所述红外激光的焦点进行调节，使所述焦点聚焦在所述玻璃微流道基片的下表面上。

5.根据权利要求4所述的玻璃微流道的制备系统，其特征在于，所述系统还包括激光光束整形装置，用于对所述红外激光进行整形处理，并将整形处理后的红外激光发送至所述x/y扫描振镜。

6.根据权利要求1所述的玻璃微流道的制备系统，其特征在于，所述石墨基板为表面进行抛光处理后的石墨基板。

7.根据权利要求1所述的玻璃微流道的制备系统，其特征在于，所述切割头透镜组的侧壁上设有横穿所述侧壁的进气口。

8.根据权利要求7所述的玻璃微流道的制备系统，其特征在于，所述红外激光的波长范围为700～1400nm，所述红外激光的频率范围为10～100KHz。

9.根据权利要求7所述的玻璃微流道的制备系统，其特征在于，所述x/y扫描振镜的扫描速度为50～2000mm/s。