CN110433877B - 一种微流控芯片微通道的激光制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种微流控芯片微通道的激光刻蚀制备方法，包括如下步骤：清洗由高聚物材料制成的基板的表面，去除基板表面附着物；将基板置于移动平台，使用气体激光器出射的激光对基板进行刻蚀形成微通道，同时，测量出微通道两侧热影响区的宽度值；对微通道的两侧进行多次激光刻蚀，形成横截面为梯形的微通道，每次刻蚀前，以上一次刻蚀位置为原点，移动平台带动基板横向平移热影响区宽度值的距离；将激光刻蚀后的基板进行退火处理，然后将盖片与所述基板热压合，得到微流控芯片。本方法无需复杂计算，仅测量一次刻蚀后侧面热影响区的宽度值，然后横向平移该宽度值进行多次刻蚀就可得到形貌良好的梯形微通道，并且该微通道底面平坦，表面粗糙度小。

Description

一种微流控芯片微通道的激光制备方法
技术领域
本发明涉及微流控芯片的制造工艺领域。更具体地，涉及一种微流控芯片微通道的激光制备方法。
背景技术
随着研究尺度的延伸，基于微通道的微流控芯片可以实现从试样处理到检测的整体微型化、便携化、集成化，最大限度地把实验室的功能转移其中。在实际应用中，大多数微流体芯片需要在兼容材料上集成不同尺寸的微流体通道，激光刻蚀法由于操作灵活方便、通道尺寸可控是制备微通道的常用方法。由于微通道是微流控芯片最基本的组成部分，其性能直接决定芯片的质量，而横截面形状和表面粗糙程度是影响微通道性能的最主要因素。
2002年Klank等首次使用商用的CO2激光器在PMMA基板上制备了微通道。由于激光的高斯分布，能量从中心向两侧递减，因此制备出的微通道横截面呈三角形。三角形横截面具有流体流速受限、压强差较大的问题。随后，Samant通过静态5次刻蚀法制备出小面积的热影响区(HAZ)和低的表面粗糙度(Ra)；但横截面为尖锐的三角形，影响微通道的性能。2017年Zhang等通过CO2激光两次移动刻蚀在PMMA基板上获得了较好的梯形横截面微通道。第一次激光刻蚀后，计算第二次激光刻蚀所需要的功率、扫描速率、偏移比，最终在45％偏移比下二次刻蚀得到梯形微通道。这种方法制备的梯形微通道形貌较好，只有少许的缺口，但存在二次激光参数需要复杂的计算的问题，实用性不强。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微流控芯片微通道的激光制备方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种微流控芯片微通道的激光刻蚀制备方法，包括如下步骤：
清洗由高聚物材料制成的基板的表面，去除基板表面附着物；
将基板置于移动平台，使用气体激光器出射的激光对基板进行刻蚀形成微通道，同时，测量出微通道两侧热影响区的宽度值；
对微通道的两侧进行多次激光刻蚀，形成横截面为梯形的微通道，每次刻蚀前，以上一次刻蚀位置为原点，所述移动平台带动基板横向平移所述热影响区宽度值的距离；
将激光刻蚀后的基板进行退火处理，然后将盖片与所述基板热压合，得到微流控芯片。
优选地，以首次进行激光刻蚀的位置为原点，所述移动平台带动基板向微通道的一侧横向平移所述热影响区宽度值的距离，对微通道的一侧进行第二次刻蚀；
以第二次刻蚀位置为原点，所述移动平台带动基板平移所述热影响区宽度值的距离，对微通道的一侧进行第三次刻蚀；
以第三次刻蚀位置为原点，所述移动平台带动基板平移所述热影响区宽度值的距离，对微通道的一侧进行第四次刻蚀；
以首次刻蚀位置为原点，所述移动平台带动基板向微通道的另一侧平移所述热影响区宽度值的距离，对微通道的另一侧进行第五次刻蚀；
以第五次刻蚀位置为原点，所述移动平台带动基板平移所述热影响区宽度值的距离，对微通道的另一侧进行第六次刻蚀；
以第六次刻蚀位置为原点，所述移动平台带动基板平移所述热影响区宽度值的距离，对微通道的另一侧进行第七次刻蚀。
优选地，所述清理基板表面时，先采用无水乙醇清洗基板，后利用氮气将基板吹干。
优选地，使用光学显微镜测量出微通道两侧热影响区的宽度值。
优选地，使用白光干涉仪测量出微通道两侧热影响区的宽度值。
优选地，所述基板的材料为聚甲基丙烯酸甲酯。
优选地，所述气体激光器为CO2激光器。
本发明的有益效果如下：
本发明的方法无需复杂计算，仅测量一次激光刻蚀后的侧面热影响区的宽度值，然后横向平移该宽度值进行多次激光刻蚀就可得到形貌良好的梯形微通道，并且该微通道底面平坦，表面粗糙度小。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明的激光束首次刻蚀基板形成微通道的剖面图。
图2示出本发明的激光束第二次刻蚀基板形成微通道的剖面图。
图3示出本发明多次刻蚀后最终形成微通道的剖面图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
微流控芯片中最基本的结构单元是逶迤排布的微通道，因此微通道的加工是芯片制作与应用的基础。本发明提供一种微流控芯片微通道的激光制备方法，该方法是一种激光直写刻蚀法，它可以根据计算机设计的图形，通过二维精密位移系统对激光束与基板之间的相对运动进行控制，直接在高聚物基板表面刻蚀加工出不同形状的微结构和不同排布结构的微通道。
该方法包括如下步骤：
1、清洗基板表面，去除基板表面的附着物。
基板是由高聚物材料制成，高聚物材料主要包括聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)、聚碳酸酯(polycarbonate,PC)和聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)等。高聚物材料的种类繁多，透光性较好，易于光学检测，通常具有优良的生物兼容性，而且加工成型方便，制作成本低廉，便于大批量制作，能够实现一次性使用。本实施方式中选用PMMA材料的基板，在进行激光刻蚀加工之前，需要去除基板表面附着的各种微小杂质，可以先将PMMA基板放入去离子水中进行10min的超声清洗，然后用压缩空气进行干燥处理。也可以用无水乙醇清洗PMMA基板，然后用氮气吹干。
2、将基板置于移动平台，使用气体激光器出射的激光对基板进行刻蚀形成微通道，同时，测量出微通道两侧热影响区的宽度值。
根据基板的材质，本实施例中的气体激光器选用CO2激光器，CO2激光利用波长为10.6μm的红外辐射进行刻蚀加工，当CO2激光束聚焦在PMMA基板表面时，PMMA开始升温，到达玻璃态转变温度(约105℃)之前保持固态，继续升温，PMMA变成可塑弹性状态，并开始发生热降解，PMMA聚合链断裂并降解为单体MMA，同时挥发出PMMA材料表面。PMMA材料的热降解主要发生在370℃，当CO2激光束以一定的速度根据给定的轨迹进行移动时，就可以在PMMA材料的基板表面刻蚀出微通道。微通道两侧温度在105℃至370℃之间的区域为热影响区。
因为CO2激光束的光强呈高斯形分布，所以当激光束以一定的速度在基板表面运动时，相当于移动的高斯形分布的热流密度与基板表面发生相互作用，因此，使用CO2激光束直写刻蚀得到的微通道横截面也具有高斯形特征。如图1所示，激光束的中心为高能量区，外围为低能量区，当CO2激光束首次刻蚀基板后，在基板表面形成横截面为高斯形的微通道，低能量区对应微通道的两侧的热影响区1，激光束的低能量区温度不足以融化PMMA材料，热影响区的PMMA材料呈熔融态。此时，可通过光学显微镜或白光干涉仪等仪器测量出热影响区1的宽度值，该宽度值与激光束的功率大小以及基板与激光束之间的相对位移速度有关。
3、如图2和图3所示，对微通道的两侧进行多次激光刻蚀，形成横截面为梯形的微通道，每次刻蚀前，以上一次刻蚀位置为原点，所述移动平台带动基板横向平移所述热影响区宽度值的距离，也就是说，每一次平移后对基板的激光刻蚀都将上一次刻蚀在微通道一侧形成的热影响区刻蚀去除，从而对微通道进行刻蚀加宽，形成横截面为梯形的微通道。本发明的方法无需复杂计算，仅测量一次激光刻蚀后的侧面热影响区的宽度值，然后横向平移该宽度值进行多次激光刻蚀就可得到形貌良好的梯形微通道，并且该微通道底面平坦，表面粗糙度小。
本领域技术人员可根据设计要求确定需要平移的次数，从而得到不同宽度的微通道。本实施例中，微通道的两侧各平移三次，具体的，以首次进行激光刻蚀的位置为原点，移动平台带动基板向微通道的一侧平移热影响区1宽度值的距离，对微通道的一侧进行第二次刻蚀；
以第二次刻蚀位置为原点，移动平台带动基板平移热影响区1宽度值的距离，对微通道的一侧进行第三次刻蚀；
以第三次刻蚀位置为原点，移动平台带动基板平移热影响区1宽度值的距离，对微通道的一侧进行第四次刻蚀；
以首次刻蚀位置为原点，移动平台带动基板向微通道的另一侧平移热影响区1宽度值的距离，对微通道的另一侧进行第五次刻蚀；
以第五次刻蚀位置为原点，移动平台带动基板平移热影响区1宽度值的距离，对微通道的另一侧进行第六次刻蚀；
以第六次刻蚀位置为原点，移动平台带动基板平移热影响区1宽度值的距离，对微通道的另一侧进行第七次刻蚀。
4、将激光刻蚀后的基板进行退火处理，然后将盖片与基板热压合，得到微流控芯片。
由于在进行激光刻蚀加工时产生温度较高，急速冷却使基板内部留有残留应力，在后续加工时可能会产生变形或裂纹。因此需要对基板进行退火处理除去内部残留应力，避免发生裂纹现象，将PMMA基板放入烘箱中，加热至70-80℃，热风干燥循环24小时，加热后需慢慢冷却。
将退火处理后的基板与盖片热压合，最终得到微流控芯片。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种微流控芯片微通道的激光刻蚀制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
清洗由高聚物材料制成的基板的表面，去除基板表面附着物；
将基板置于移动平台，使用气体激光器出射的激光对基板进行刻蚀形成微通道，同时，测量出微通道两侧热影响区的宽度值；
对微通道的两侧进行多次激光刻蚀，形成横截面为梯形的微通道，每次刻蚀前，以上一次刻蚀位置为原点，所述移动平台带动基板横向平移所述热影响区宽度值的距离；
将激光刻蚀后的基板进行退火处理，然后将盖片与所述基板热压合，得到微流控芯片。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，以首次进行激光刻蚀的位置为原点，所述移动平台带动基板向微通道的一侧横向平移所述热影响区宽度值的距离，对微通道的一侧进行第二次刻蚀；
以第二次刻蚀位置为原点，所述移动平台带动基板平移所述热影响区宽度值的距离，对微通道的一侧进行第三次刻蚀；
以第三次刻蚀位置为原点，所述移动平台带动基板平移所述热影响区宽度值的距离，对微通道的一侧进行第四次刻蚀；
以首次刻蚀位置为原点，所述移动平台带动基板向微通道的另一侧平移所述热影响区宽度值的距离，对微通道的另一侧进行第五次刻蚀；
以第五次刻蚀位置为原点，所述移动平台带动基板平移所述热影响区宽度值的距离，对微通道的另一侧进行第六次刻蚀；
以第六次刻蚀位置为原点，所述移动平台带动基板平移所述热影响区宽度值的距离，对微通道的另一侧进行第七次刻蚀。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，清理基板表面时，先采用无水乙醇清洗基板，后利用氮气将基板吹干。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，使用光学显微镜测量出微通道两侧热影响区的宽度值。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，使用白光干涉仪测量出微通道两侧热影响区的宽度值。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基板的材料为聚甲基丙烯酸甲酯。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述气体激光器为CO2激光器。
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