激光加工微流控生物芯片儲(chǔ)液池的工藝研究.pdf

1、微流控生物芯片作為一種重要的分析技術(shù)，體現(xiàn)在它能將生化分析的許多過(guò)程與步驟，即成微縮在手掌大小的一片固體支撐物上來(lái)完成。相對(duì)于傳統(tǒng)的生化分析方法，生物芯片技術(shù)具有消耗樣品少、污染小、應(yīng)用范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前，微流控生物芯片技術(shù)已經(jīng)開始推向應(yīng)用市場(chǎng)，開始向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。進(jìn)樣儲(chǔ)液池是芯片微通道的重要結(jié)構(gòu)之一，其側(cè)壁粗糙度是直接影響進(jìn)樣效果的重要技術(shù)指標(biāo)。因此，進(jìn)樣儲(chǔ)液池的加工制備備受關(guān)注。但是，我國(guó)目前卻仍停留在傳統(tǒng)的機(jī)械臺(tái)鉆加工工藝上。除

2、加工效率極低外，更重要的是無(wú)法滿足產(chǎn)業(yè)化的需要。針對(duì)這一難題，本文采用激光加工技術(shù)對(duì)芯片儲(chǔ)液池的加工制備進(jìn)行研究。 為降低CO2激光加工PMMA材料儲(chǔ)液池側(cè)壁粗糙度，本文根據(jù)傳統(tǒng)的熱傳導(dǎo)方程，假定激光強(qiáng)度為高斯分布，對(duì)有限厚板狀材料的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析；并考察側(cè)壁表面熔化層凝固過(guò)程的特征；結(jié)果表明，側(cè)壁粗糙度形成的主要原因在于側(cè)壁表面熔化層凝固前氣泡未及時(shí)析出。另一原因是激光和材料相互作用過(guò)程中分子鍵斷裂，在切割面形成單體，但是單體

3、的尺寸和氣泡相比可以忽略。 根據(jù)理論分析，在工藝上采用了多種途徑，揭示激光加工過(guò)程中各種因素對(duì)側(cè)壁粗糙度的影響。一方面，通過(guò)改變激光加工頭的運(yùn)動(dòng)速度，考察激光與芯片材料的相互作用時(shí)間對(duì)側(cè)壁表面粗糙度的影響；另一方面，調(diào)整激光的功率和離焦量，找出最優(yōu)化參數(shù)。再一方面，通過(guò)升高材料溫度的方法，有助于激光加工過(guò)程中側(cè)壁熔化層內(nèi)氣泡的有效析出，可以大幅降低側(cè)壁粗糙度。通過(guò)將實(shí)驗(yàn)參數(shù)用曲線擬合的方法，得出側(cè)壁粗糙度與激光功率、切割速度和離

4、焦量之間的關(guān)系。針對(duì)PMMA材料的特性，采用功率為50W，連續(xù)輸出的CO2激光器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：激光功率的最佳變化范圍是：28-32W，相對(duì)應(yīng)的最佳速度的變化范圍是：0.1-0.6m/min；側(cè)壁粗糙度最低最低可達(dá)100nm，最佳升溫范圍是：70-90℃。 本文針對(duì)芯片加工所需高效率、高精度的產(chǎn)業(yè)化要求，研制了一種新型激光加工平臺(tái)。使用該平臺(tái)進(jìn)行激光加工和機(jī)械臺(tái)鉆加工相比，加工速度大大增加，最高速度可達(dá)3m/min，加工效率提高