飞秒激光技术在微流控芯片中的应用-电子发烧友网

来源：微纳精密加工自留地

一、什么是微流控芯片

和传统芯片不同，微流控芯片更像是一个微米尺度的“生化反应平台”。详细来说，微流控芯片是一种将生物、化学、医学等领域所涉及的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到微米尺度的“芯片”上，从而实现对复杂生物化学过程的快速、高效、自动化分析的技术平台。

由于微流控芯片是微米级的结构，流体在其中显示和产生了与宏观尺度不同的特殊性能，因此发展出独特的分析产生的性能。

微流控芯片需要精确操控微小液体样本，比如：控制流体的流动、混合、反应和检测。从这个角度出发，其核心结构是微流道和微孔。也就是说，微流道和微孔的加工质量，直接影响了微流控芯片的检测效果。

二、微流控芯片加工工艺对比

以玻璃微流道为例，传统的加工方法有：

（1）传统机械加工：容易出现崩边和裂纹。

（2）超声波加工：效率较低，微小的形貌难控制。

（3）磨料射流加工：需要掩膜和基体，难加工出高深宽比的微通道。

（4）金刚石切割：精度不足，加工效率偏低。

（5）化学刻蚀：湿法刻蚀由于各向同性，流道不仅会在深度上被蚀刻，还会在水平表面向外扩展，形成横向的“侧蚀”，从而影响流道精度；而干法刻蚀加工效率低下。

三、飞秒激光加工微流控芯片的优势

微流控芯片中主要的微米级结构是：盲槽、盲孔、微孔。而飞秒激光作为一种前沿的微纳加工技术，具有高精度、非接触、材料适应性广和加工速度快等优点，特别适合微流控芯片中微结构的刻蚀。

下面，将从微流控芯片的关键质量指标出发，分析飞秒激光的加工优势。

（1）微流控芯片极其关注微流道和微孔等的尺寸精度和形状精度。因为它们直接影响流体的流动特性和反应效率。而飞秒激光作为一种超快激光，它的光斑直径仅几微米至十余微米，可以对材料做高精度的刻蚀和打孔。以深圳单色科技的加工指标来看，微流道和微孔的尺寸精度可以控制在±1μm，这可以满足大部分设计对于微流道等的精度要求。

（深圳单色科技陶瓷微流道加工案例）

（2）表面粗糙度:微流道和微孔的表面要求是光滑的，可以减少流体流动阻力，避免样品吸附，提高检测灵敏度。而飞秒激光由于具有超短脉冲宽度，因此对材料的加工可以保证较好的刻蚀效果，可以极大避免重熔层或毛刺，也可以避免微裂纹等。因此：常规盲槽、盲孔的粗糙度可以控制在±0.4μm，能够较好应对微流控芯片的加工需求。

（3）材料适应性:除了玻璃材质外，微流控芯片所选择的材料是非常广泛的，如：高分子聚合物（Pi膜、PDMS膜等）、硅、陶瓷等，因此，微流控芯片的加工，往往需要适应不同材料的特性。而飞秒激光具有极高的峰值功率，可以瞬间对材料进行去除，因此对材料是没有限制的，不管是硅、玻璃、膜类材料，都可以进行微流道和盲孔的加工。