01 玻璃上的微结构

BOROFLOAT® 3是德国耶拿肖特公司的一种高性能硼硅酸盐玻璃，采用肖特特有的微浮法工艺的生产而成。它在可见光和接近红外和紫外波长下具有极高透明度，以及视觉质量和光学清晰度、优异的耐化学性和抗冲击性，使其成为包括微流控在内不同实验室应用材料的理想选择。

微流体学在许多研究分支中都很常见，例如：在物理学中，当通道宽度为几个分子直径时，研究流体的力学性质；在化学中，研究皮升体积溶液的反应；在生物学中，分离和捕获单个细胞，对生物体内的化学过程进行生物化学研究。在这几个分支中，共通的部分是针对极少量溶液的处理，通常以μL，nL或pL为单位进行测量，并且与亚毫米或亚微米尺寸的微流体回路密切相关。

如今市场上有很多芯片实验室投入应用，例如自动血糖监测、手持式快速血液或粪便生化检测应用方向的各种可穿戴设备，仅需要在护理点就可以实现测试。

用于微流控的材料各不相同，常用的材料有PDMS、PMMA、COC、LTCC和玻璃，这些也同样适用于样品制作。根据应用的不同，许多其他成本低廉的有机透明材料也可用于大规模生产。

与上述其他微流控材料相比，玻璃具有明显的优势，但传统的湿法工艺：光刻和化学蚀刻有着明显的缺点。得益于现在的皮秒激光，制作如同发丝宽度的微沟道无需任何化学反应，一个步骤即可完成，同样，任何后处理清洁步骤也无需任何化学反应。

02 设备选择

由于BOROFLOAT®33玻璃对紫外波长的激光的高透光率，因此需要使用短脉冲激光进行处理。实验中，使用了LPKF ProtoLaser R4对BOROFLOAT®33玻璃进行加工（该设备配备了皮秒激光器，激光波长为515nm）。硼硅酸盐玻璃的钻孔和切割是常规加工，但玻璃开槽尚未进行过验证。

图1:  不同厚度BOROFLOAT®33玻璃对紫外激光的透光率（肖特特性）

图2：LPKFProtoLaser R4 皮秒激光加工系统

03样品设计以及准备工作

典型的微流控设计（如图3）取自期刊文献[i]，其中通过激光加工的微流控通道是实验的一部分。该设计的整体尺寸为46 x 10mm，通道宽度150μm。

[i] Wlodarczyk, K.L., Hand, D.P. & MarotoValer, M.M. Maskless, rapid manufacturing of glass microfluidic devices using a picosecond pulsed laser. Sci Rep 9, 20215 (2019).

图3：微流控通道的二维CAD设计

用户可以通过LPKF软件 CircuitPro PL直接进行微流控通道设计，也可以导入很多支持矢量设计的软件数据。只需在 CircuitPro PL 软件中轻松点击几下即可定义新材料，而新材料的激光参数通过测试过程即可定义。

图4：计算出需要移除部分的填充轨迹

软件默认设置将7μm（约激光光斑直径的一半）作为激光轨迹间距，使用X/Y交叉算法，在要去除的部分进行激光轨迹填充。图4中可看到放大的细节部分，需要去除的表面覆盖了计算出的激光轨迹交叉阴影图案（黄色线条）。

LPKF ProtoLaser R4通过调整激光束移动频率、速度和功率，来定义不同的激光工具。对于我们将要测试的Borofloat®33深度刻蚀，将参数设置为300 kHz、1500 mm/s、3.9 W，产生的单脉冲能量为13μJ，通过连续8次重复，预计可加工出40μm的深度，加工时间为31分钟。

图5：加工Borofloat® 33的激光参数

为了便于测量，将样品切割成75 x 25 mm的标准显微镜载玻片尺寸。对于0.5mm厚的玻璃，切割需要15分钟或0.22 mm/s。

图6：清洁前的激光刻蚀和切割后的玻璃表面，外部尺寸75 x 25 mm

04 实验结果

整个加工过程持续了一段时间，非常顺利。经过测试，显示深度为42μm。加工后的表面上可以看到一些碎屑（尤其是轮廓切割过程），将样品放入去离子水内并通过超声波清洗，成功地将其洗掉。图7展示了显微镜下拍摄的样品图片（进行了拼接）。

图7：清洁后的样品，由Keyence VK-X210激光显微镜拍摄样品的部分照片，并通过VK软件拼接在一起。

图8：Borofloat® 33加工后的沟道细节

图9：Borofloat® 33加工后的沟道细节

Keyence VK-X210 激光显微镜的 3D 分析显示，激光加工后的玻璃边缘质量完美（图 10 和图 11）以及表面光滑度 – Ra = 0.6 μm。详情如图 12。

图10：清洁之前加工后的Borofloat® 33的光学视图

图11：对（图10）Borofloat® 33上的加工结构细节进行3D分析

图 12：所选区域的材料表面进行分析，显示的平均粗糙度为 0.6 μm

Borofloat® 33在加工区域中的透明度略有降低。不透明度程度可以在下面的测试中估算-未执行测量。

图 13：加工后样品的透明度

在加工肖特0.3毫米厚的Mepax®玻璃时，通过我们的观察发现与Borofloat® 33相同。我们发现这两种材料都可以通过激光系统ProtoLaser R4进行加工。

此外，我们基于这两种玻璃类型，我们还制作了一个75μm的沟道。Borofloat® 33 以及Mepax®的图片如下图14和15所示。

图14：Borofloat® 33上加工75 μm沟道细节

图15：Mepax®上加工75 μm沟道细节

对于微流控应用，需要在盖玻片上钻孔作为溶液入口或作为机械安装孔，都可以通过LPKF ProtoLaser R4轻松加工。

图16：0.5 mm 厚Borofloat® 33 的钻孔细节

图17：Borofloat® 33钻孔，深度0.5 mm

还有一些应用涉及到基于玻璃微流控器件上加置电传感器或加热器。这种将玻璃表面溅射或气相沉积的金属进行直写的应用（如图18）也是LPKF ProtoLaser R4的另一种常见应用。

图18：加工后的玻璃表面沉积桐

05 测试结论

LPKF ProtoLaser R4 实验室系统，激光安全等级为一级，可以提高基于玻璃基材的微流控设计的处理速度和自由度，尤其是对于 SHOTT 的Boroflot® 33和Mepax®玻璃材料。对于大多数设计来说，通道结构、钻孔和切割均可以在一小时内完成。ProtoLaser R4还可将电路结构与玻璃基板应用相结合，为芯片实验室和MEMS应用领域的创新开启了更多可能性。

06 关于 LPKF ProtoLaser R4

LPKF ProtoLaser R4是专门为敏感材料的创新研究而开发的。利用皮秒短脉冲激光，它可以“冷”处理材料，进行柔性加工。尤其适合敏感材料以及切割硬质或烧结的基材。因此，ProtoLaser R4为实验室全新材料的微加工开辟了新的可能性。ProtoLaser R4 是一款即用型、激光安全等级 1 级的实验室系统，并且配有的CAM 软件，直观易操作。

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