[發明專利]飛秒激光在PMMA內制造三維微通道的方法及其裝置

有效

• 申請號: 201410079164.8
• 申請日: 2014-03-05
• 公開（公告）號: CN103831536A
• 公開（公告）日: 2014-06-04
• 發明（設計）人: 陳濤;鄭崇;劉世炳;劉嵩;谷鵬;劉先暉
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: B23K26/362
• 分類號: B23K26/362;B23K26/08;B23K26/064;B23K26/70
• 代理公司: 北京匯信合知識產權代理有限公司 11335
• 代理人: 王秀麗

技術領域

本發明涉及一種激光微加工技術領域，特別是涉及一種飛秒激光在PMMA內制造三維微通道的方法及其裝置。

背景技術

微流控芯片技術（Microfluidics）是一種通過精確控制微尺度下流體的運動行為，將生物、化學、醫學等多種領域分析過程中的樣品制備、分離、反應、檢測等多種功能單元集成在體積很小的芯片上的技術，是微全分析系統（μ-TAS）的重要組成部分和發展熱點。微流控芯片因其微型、快速、高效、集成、自動、節能以及試劑耗費量低等特點，廣泛應用于包括生命科學、分析化學、醫學化驗、食品衛生、環境監測等多種領域。

隨著微流控芯片應用需求的多元化，構建具有三維空間結構的微流控芯片成為領域內的研究熱點。一般制作微流控芯片的主要材料包括石英、玻璃、多孔玻璃、光敏玻璃、高聚物等。其中有機玻璃因其多樣性可供選擇余地很大，可透過300以上的紫外光和可見光，具有一定的化學惰性并且無毒和廉價，是適用于大規模工業生產的微流控芯片基材。目前利用飛秒激光輻照輔助酸腐蝕（或水輔助）的方法在石英和光敏玻璃中或通過飛秒激光直寫在多孔玻璃中構造三維微通道的研究已經較為成熟(如專利ZL201210110238.0、專利ZL201110007738.7以及專利ZL201110193072.9等)，而在高聚物中普遍采用的是利用多片二維表面刻畫溝槽的有機玻璃相鍵合制作的偽三維結構，直接在有機玻璃種直寫制作三維微通道存在很大工藝難度，目前較為相關的報道也僅有利用飛秒激光輔助以有機溶劑制作三維通道（C.Wochnowski,Y.Hanada?etc.，Journal?of?Applied?Polymer?Science,Vol.100,1229-1238，2006）。采用多片鍵合的制作方式費用高昂、對準工藝難度大且難于構造復雜三維結構（如螺旋形通道）；而采用有機溶劑輔助的飛秒激光三維微通道制作方式則存在加工長度過短的問題，而且微流控芯片通道入口端由于與有機溶劑接觸時間過長明顯大于內部通道直徑，造成芯片質量下降。

發明內容

針對上述問題中存在的不足之處，本發明提供一種飛秒激光在PMMA內制造三維微通道的方法及其裝置，使其具有工藝流程簡便、工業應用前景廣闊、制作成本低廉等優點。

為了解決上述問題，本發明提供一種飛秒激光在PMMA內制造三維微通道的方法，其中，包括：

S10、選取PMMA板材將其切割為規格不等的薄片,并放置在中央開孔的不銹鋼支撐塊的中央；

S20、飛秒激光經反射鏡A將光路導向衰減片，通過一組爬升架將光束水平高度提升至與顯微聚焦系統入光口平齊位置，并由反射鏡D導入；

S30、聚焦激光從工件下表面自下而上的沿預設的加工軌跡進行加工；

S40、經飛秒激光直寫加工后將工件上下表面反轉放置于可編程電動平臺上并進行通道入口修復性直寫；

S50、將工件浸入蒸餾水中進行超聲波清洗，將激光燒蝕有機玻璃產生的殘渣及碎屑排除，最終在PMMA中得到中空三維微通道。

優選的，所述步驟S20中包括以下步驟：

S201、將光闌孔徑調整為設定光斑直徑；

S202、調整衰減片的通光位置得到合適的激光輸出功率。

優選的，所述步驟S30中包括以下步驟：

S301、預設加工軌跡，通過編寫的運動控制程序在計算機中執行；

S302、通過計算機將程序代碼轉換為控制箱使用的機器碼指令并發送到控制箱，實現自動控制三維平臺精密運動加工。

優選的，所述步驟S40中包括以下步驟：

S401、通過二向色鏡將可見光反射至CCD中并通過計算機圖像軟件成像，通過調節三維位移臺將堵塞位置對準至加工位置；

S402、將顯微系統由觀察模式切換至加工模式，沿Z軸方向向下加工200-500微米深度，得到上下表面入口皆通暢且PMMA中央通道中空的三維微通道。

優選的，所述飛秒激光為超短脈沖激光。

一種運用權利要求1所述的方法的裝置，包括計算機、控制箱、可編程電動平臺、支撐塊與磁鐵，其特征在于，還包括飛秒激光器、反射鏡A、衰減片、光闌、爬升架、反射鏡D、二向色鏡與聚焦物鏡，所述飛秒激光器、所述反射鏡A、所述衰減片、所述光闌、所述爬升架、所述反射鏡D、所述二向色鏡與所述聚焦物鏡按光纖順序依次連接。

優選的，所述爬升架包括反射鏡B與反射鏡C，所述反射鏡B與所述反射鏡C均與水平面呈45°并且在豎直方向上呈平行狀態。