利用超快激光实现玻璃衬底内活动部件的两步混合加工

我们展示了一种两步混合工艺，利用激光直接写入和湿法化学蚀刻的选择性激光诱导蚀刻(SLE)工艺制造玻璃衬底内部的可动部件。为了获得使用SLE制造三维微结构时玻璃基板光学特性的影响，我们分析了设计和制造器件之间的尺寸关系。在玻璃基板上设计和制作了两个三维微流控装置，作为混合工艺的演示:一个是带有活动塞的三维微流控阀装置，一个是带有可旋转叶轮和多层微通道的三维微流控混合器。每个装置的阀塞和叶轮都成功移动和旋转。最小的结构是叶轮装置的支柱，其尺寸为直径29 μm ×高277 μm。我们希望这项研究能够扩展到3D玻璃微加工和微流体系统的潜在应用。

微流控设备，也被称为芯片实验室，μ-TAS是可以使用微通道操作各种样品的分析设备。由于是微型的，需要的样品量很小，这是具有成本效益的，并提供了快速的响应时间。基于这些优势，微流控分析设备在使用即时检测时很有吸引力，如生物和化学应用、医疗诊断、食品安全管理、环境监测和病毒感染[1］．这些微流控器件是通过传统的MEMS工艺制造的，例如用透明聚合物基材料进行软光刻或热压印，因为制造容易。然而，聚合物对有机溶剂较弱，吸收微小分子，具有相对较高的自荧光性[2］．

玻璃是很好的替代材料。由于玻璃具有很高的抗机械应力和高耐化学性，玻璃微流控器件可以抵抗不同的化学材料[3.，4］．如前所述，玻璃由于自身荧光性较低，可应用于光学器件[5］．由于其较高的化学耐久性，玻璃微流控器件的制造是困难和昂贵的。此外，传统的MEMS工艺基于二维(2D)半导体制造技术，在解决多层结构制造的复杂性和难度方面存在局限性[6，7，8］．为了解决这些问题，最近推出了超快激光加工[9］．选择性激光诱导蚀刻(SLE)是一种由超快激光改性玻璃和随后的湿法蚀刻组成的混合工艺，被认为是玻璃内部三维微结构最有前途的技术之一[1，10］．激光改性玻璃，形成纳米光栅和纳米多孔，加快了蚀刻过程，因此改性玻璃比原始玻璃具有更高的蚀刻速率[11］．当浸泡在腐蚀剂(如氢氧化钾(KOH)或氢氟酸(HF))中时，改性区域选择性地更快地溶解，从而在玻璃中形成整体3D微结构。因此，与包括光刻、掩模、键合、电镀在内的多步骤MEMS工艺不同，SLE通过简单的两步制造工艺提供了一种高效的3D制造手段。

最近的SLE研究包括不同玻璃成分的各种微结构，包括熔融二氧化硅[12，13]、铝硼硅酸盐玻璃[14]，以及硼硅酸盐玻璃[15，16］．虽然以往的研究大多局限于二维平面结构的制造，但如今，三维集成系统，包括三维嵌入式可动结构的研究正在积极开展[17，18，19］．

我们报道了一种采用SLE工艺的多层通道三维玻璃微流控装置[20.］．在本研究中，我们展示了玻璃内部的全三维活动结构，以及对设备操作的定性和定量评价。所有的实验都选择熔融二氧化硅，以利用其高的蚀刻选择性，这被证明至少比其他玻璃成分高100到1000倍[21］．因此，使用熔融二氧化硅很容易实现可移动部件平稳运行的高分辨率[22，23，24，25］．为了提高三维玻璃微流控器件的制造精度，采用了带有折射率偏移的两步混合工艺。

通过改进的两步混合工艺，我们展示了一种带活动塞的三维玻璃微流控阀装置和一种带可旋转叶轮和多层微通道的三维玻璃微流控混合器。在阀单元中，阀塞位于由三个微通道连接的阀腔内部。通过施加压力和真空来测试阀门的运行。叶轮混合器有一个可旋转的叶轮，在腔室内有轴。通过与溴百里酚蓝(BTB)溶液的混合试验来验证叶轮装置的应用。SLE工艺通过成功制造紧凑精密轴和叶轮，证明了其生产高分辨率运动部件的能力，具有更高的制造精度。它将为玻璃微加工的潜在应用开辟新的途径。

我们已经报道了用于3D玻璃微流控器件制造的SLE优化[20.］．为了精确控制激光与体积内玻璃基板相互作用的位置，我们分析了设计和制造的器件尺寸之间的关系。两个模型的宽度和高度是相同的，除了湿蚀刻工艺的公差。相反，加工深度大于设计深度，并随设计深度呈线性增加，如图所示。1．斜倾角约为1.47，实验得到了所用熔融石英玻璃的有效折射率。因此，要制造具有所需尺寸的3D器件，深度必须修改为由熔融二氧化硅衬底折射率的偏移量，以便设计与所需深度的比率与其有效折射率相同。

一种带活动塞的三维玻璃微流体阀装置的设计

带活动塞的三维玻璃微流控阀装置的设计和截面如图所示。2A, b，玻璃阀有三个微流体通道，这些通道与阀腔连接。微流体阀位于腔室内部。三维玻璃微流控阀的总长度和高度设计为2.9 (W) × 2.1 (H) mm²．三个通道的长度为0.85 mm，宽度为50 μm。考虑到反射系数的影响，这些通道的垂直截面呈椭圆形，形成圆形截面，高度约为34 μm。阀腔和阀塞均为截断的四边形金字塔形。下表面和上表面分别为250 (W) × 172 (H)和145 (W) × 100 (H) μm的矩形²，腔体高度为600 μm。为了构造阀塞可活动的空间，阀塞高度设计为400 μm。为了将蚀刻后的阀芯和阀芯分离，在阀芯和阀芯设计之间添加了30 μm改性层，如图所示。2b、配阀装置尺寸如图所示。2A, B详细。

具有可旋转叶轮和多层微通道的三维玻璃微流体混合器设计

图中所示为一种具有可旋转叶轮和多层通道的三维玻璃微流体混合器。2C.三维玻璃微流控混合器由三层入口、叶轮及叶轮室、出口组成。进、出口通道由缓冲通道和与叶轮室的连接通道组成。缓冲层宽度为300 μm，连接通道宽度为100 μm。两通道的界面设计为锥形结构，入口端长度为125 μm，出口端长度为90 μm。顶部入口长度为1050 μm，中间入口长度为1050 μm，相对于底层分别逆时针弯曲90°和顺时针弯曲90°。底层总长度为1230 μm。叶轮腔体为圆柱形，直径为375 μm，高度为350 μm。考虑到折光数的影响，叶轮设计为34°左右的三叶结构，制造出45°的倾角。在叶轮与腔室之间施加分离层，其直径为315 μm，如图所示。2D.为了使叶轮能够转动，叶轮的轴构造在腔室中心，分离层为30 μm。此外，为防止箱体、叶轮和将叶轮固定在箱体内的压盖之间的摩擦，增加了30 μm分离层。储液盖为十字形，高度为75 μm，与出口连接。关于尺寸的更多细节如图所示。2C, D。

两步混合工艺

两步混合工艺由物理步骤和化学步骤组成，如图所示。3.A.详细的制造程序已在别处描述[20.］．本研究中展示的所有器件都使用优质熔融二氧化硅(JMC玻璃，安山，韩国)制造。采用中心波长为1030 nm的超快激光器(Satsuma HP2, Amplitude laser, Pessac, FRANCE)进行局部修饰。高刻蚀选择性条件下的激光工艺参数控制在脉冲宽度:1 ps，脉冲重复频率:500 kHz，脉冲能量400 nJ [20.］．超快激光束被一对Galvano镜(DynAXIS, SCANLAB, Puchheim, GERMANY)偏转，然后在高速直写系统中使用50 ×， NA 0.42物镜(M plan Apo 50X, Mitutoyo, Kawasaki, JAPAN)聚焦。光束的偏振与x轴保持平行。此外，为了进行精确的逐层加工，使用了空气轴承z轴工作台(BMZA-300, Bluemotion Tech，华城，韩国)和电动直线运动xy轴工作台(ALS130-100XY, Aerotech，匹兹堡，美国)。通过专用控制器(A3200, Aerotech, Pittsburgh, USA)进行5轴同步控制，将工作台的速度设置为200mm /s，位置误差在100nm以内。三维设计文件(STL格式)的激光路径由三维制作软件(3Dpoli, Femtika, Vilnius, Lithuania)自动转换为二维矢量数据，如分别以10 μm和15 μm的尺度进行切片和孵卵。在化学蚀刻步骤中，一个充满8 mol/L浓度的氢氧化钾(KOH)的聚四氟乙烯容器浸泡在充满传热液(Therminol D12)的数字净化控制油浴(WHB-6, daihansscientific, Daejeon, KOREA)中，保持在100°C^®，伊斯曼，田纳西州，美国)。激光辐照玻璃蚀刻12-15 h。

三维玻璃微流控阀装置的阀芯观察

数字3.B显示了阀门装置运动的测试设置。为了观察三维玻璃微流控阀装置内部阀芯的运动，对该装置施加压力和真空。为了施加压力和真空，硅管的一侧与PDMS块连接到3D玻璃微阀装置。另一侧用注射器针头连接注射器。通过施加压力和真空，在光学显微镜下观察阀塞的运动。

多层微通道旋转的三维玻璃微流控叶轮装置

数字3.C为叶轮旋转试验。为了表明叶轮可以随着水流转动，用注射泵将水注入装置中。用3个10毫升的注射器插入水。为了将注射器与三维微流控装置连接，硅管通过注射器针头与注射器连接，硅管的另一侧与PDMS块连接。通过增大注射泵的流量，在光学显微镜下观察叶轮的转动，并通过光学显微镜上的摄像机记录。此外，为了证明其作为微流体混合器的应用可行性，进行了混合试验。为了获得混合性能，在中间层进口引入溶解在氢氧化钠中的0.5% (g/v)溴百里酚蓝(BTB)，在顶层和底层进口插入0.05% (v/v)盐酸。当注射泵的流量增加到0.25 mL/min时，通过光学显微镜捕捉到混合性能。

制作了具有可移动部件的三维玻璃微流控装置

如下图。4所制作的三维玻璃微流控器件。制作的阀门装置为2.98 (W) × 2.14 (H) mm²阀腔尺寸为289 (W) × 641 (H) μm²阀芯尺寸为154 (W) × 349 (H) μm²，如图所示。4A.下一个无花果。4B为制作的多层微通道三维玻璃微流控叶轮装置。叶轮装置总尺寸为4.78 (W) × 3.63 (H) mm²三个入口长度均在1239 μm左右。缓冲宽度和连接通道接口宽度与设计宽度一致，均为100 μm。叶轮室直径为381 μm，叶轮轴直径为306 μm，叶轮直径为29 μm。从叶轮轴的结果来看，SLE工艺可制备29 (D) × 277 (H) μm²柱结构。叶轮尺寸为306 (D) × 215 (H) μm²．出口长度为1267 μm，与进口长度相似。然而，湿蚀刻的锥形结构的起点并不位于设备的中心。原因是顶部和中间层蚀刻太快。针对这一问题，改进设计，将进气道底部长度减小为150 μm，出风口底部长度减小为200 μm。改造后的装置如图所示。4C与细节。

三维玻璃微流控装置的可动性试验

为了移动配阀试验，通过注射泵对配阀装置施加压力和真空。如图所示。5A-C，阀塞的位置随着气压/真空方向的变化而改变。在装置中间通道施加真空时，底部侧通道连接如图所示。5A.当对右侧通道或左侧通道施加压力时，中间通道与施加压力的通道相连。如图所示。5B, c，结果表明，通过SLE工艺可以制造玻璃内部的三维阀结构。但如图所示，阀腔与阀芯之间的间隙过大，需要对阀装置进行优化。5一个。

接下来，通过注射泵将BTB溶液注入叶轮混合器中，观察流体流动对玻璃内部叶轮的旋转情况。首先，设定注射泵的流量为0.1 mL/min，求出使叶轮旋转的最小流量。由于注射器数量为3支，因此总流量比注射泵的流量高3倍。在初始流速为0.3 mL/min时，叶轮不受流量的影响而转动。虽然流量增加了0.15 mL/min，但在流量达到0.75 mL/min之前，叶轮仍然停止。结果表明，叶轮旋转时的最小流量为0.75 mL/min。由于叶轮转动时产生的湍流，可以在混合室内实现混合。在此基础上，通过改变流速0.25 mL/min，在光学显微镜下观察其混合性能，以获得作为微混合器的可用性。如图所示。5C时，0.75 mL/min时可观察到蓝色流线。随着流速的增加，蓝色流线逐渐消失。当流速达到3.75 mL/min时，出口通道呈完美黄色。这意味着三种液体被完美地混合在一起。虽然蓝色流线保持在2.25 mL/min，但在出口通道中心没有蓝色流线。这意味着液体以2.25 mL/min的速度完美混合。为了保证实际的混合性能，对混合指标进行了分析。混合指数根据标准偏差[按以下公式计算19］．

因此，在2.25 mL/min时，混合指数约为0.93，可以说，最小的混合流量为2.25 mL/min。但是，如果需要更均匀的混合物，那么建议流量为3.75 mL/min。

我们小组已经报道了3D玻璃微搅拌机的叶轮[19］．除1.5 mL/min外，搅拌效率均为90%。在4.5 mL/min时，搅拌效率最高可达93%。由于重点是高通量测试，因此最小流量相对较高。为了降低所需的流量，达到更高的搅拌效率，本研究的叶轮混合器缩小了一半。因此，相对于混合效率，流量降低了一半以前的结果。因此，本研究的微流控混合器在流量比之前低2倍的情况下，达到了相同的混合效率。因此，它可以应用于低流量的应用。

采用超快激光激光直写和KOH湿刻蚀两步混合工艺制备了具有可动部件的玻璃基三维微流控器件。制作的阀门和叶轮混合机分别为2.98 (W) × 2.14 (H)和4.78 (W) × 3.63 (H) mm²．叶轮和轴的尺寸分别为306 (D) × 215 (H)和29 (D) × 277 (H) μm²．为了获得玻璃内部零件的可动性，对三维玻璃微流控阀装置和多层微通道叶轮装置进行了演示。在阀塞的运动试验中，通过压力和真空的作用成功地移动了阀塞。在叶轮旋转试验中，叶轮以0.75 mL/min的流速旋转。采用旋转叶轮，在光学显微镜下对其混合性能进行了观察，以获得其在微混合器上的适用性。当流速大于2.25时，出口端点方向为黄色。这意味着流体在出口末端充分混合。此时，混合效率高于0.93。因此，考虑到玻璃折射率的影响的两步混合过程演示了在玻璃内部创建更精确和高分辨率的可移动部件。小型微混合器适用于低流量系统。

不适用。

不适用。

这项工作由贸易、工业和能源部(MOTIE)在双边国际技术发展计划(项目编号:;P0011279)。

作者指出

1. Jeongtae Kim和Sung-Il Kim是共同第一作者

作者及隶属关系

1. 大韩民国大田汉八国立大学电子工程系

   金廷泰，郑允浩，具致完

2. 韩国机械与材料研究所激光与电子束技术研究室，韩国大田

   金圣日和崔智妍

贡献

JK设计了三维微流控装置，分析了结构过程，并撰写了稿件。SK制作并分析了3D微流控器件，并撰写了手稿。Y-HJ分析了湿法蚀刻结果。JC改进了3D激光微加工，并审阅了手稿。CK监督了该项目并审阅了手稿。所有作者都阅读并批准了最终的手稿。

相应的作者

对应到Jiyeon崔或赤湾古．

伦理批准并同意参与

不适用。

发表同意书

所有作者都同意出版这本书。

相互竞争的利益

不适用。

出版商的注意

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