[发明专利]三维大尺寸高精度微流控通道的制备方法

说明书

本发明公开了一种三维大尺寸高精度微流控通道的制备方法，先利用超短脉冲激光直写辐照透明材料内部，产生高精度三维微通道图案和用于连接样品表面和内部微通道的若干个辅助通道图案，然后通过湿化学腐蚀处理选择性去除上述图案获得三维尺寸和形状不受限制、中空且连通的三维微通道和辅助通道组成的复合贯通结构，最后通过二氧化碳激光依次对所有辅助通道表面开口进行熔融、封闭从而实现三维大尺寸高精度三维微流控通道的可控制备。本发明通过利用二氧化碳激光熔融、封闭辅助通道的途径可提高三维微通道制备的效率、质量以及整体尺寸，适用于商业级和工业级三维微流控系统的高性能制造与集成。

技术领域

本发明涉及三维微通道和微流控器件的制造方法，特别是一种利用超短脉冲激光制备三维大尺寸高精度微流控通道的方法。本发明适用于商业级和工业级微流控器件及应用等领域。

背景技术

微流控技术可实现对微尺度流体的快速、精准、可控操作和处理，具有高通量、高效率、高灵敏度和低能耗等显著优势，当前已在化学化工、生物制药、医疗诊断、光子学等领域展现出重要应用前景。微通道作为微流控芯片的核心单元，其高性能和多功能制备技术对于提升微流控技术的发展具有重要意义。而相对于目前得到广泛使用的二维微通道，三维微通道可为微流控技术的进一步革新提供更加灵活和高效的微尺度空间流体操控能力。

透明材料特别是石英玻璃材料由于其高的耐热性和化学稳定性，低的热膨胀系数，宽的光谱透射范围和良好的生物相容性，是微流控芯片及器件目前广泛采用的基底之一。当前在透明材料内部制备三维微通道的最具代表性的技术是超短脉冲激光微加工。通过调控聚焦超短脉冲激光的脉冲能量可在透明材料内部诱导出高度非线性的改性如纳米光栅、微空洞等，进而可通过不同途径制备出三维空间构型灵活可控的微通道结构。目前研究最广泛、最具应用前景的技术途径主要有两种。一种途径是液体辅助超短脉冲激光直接三维烧蚀透明材料。譬如利用水辅助飞秒激光烧蚀多孔玻璃材料并进行高温闭合纳米孔的方法可实现三维尺寸和直径不受限制的微通道制备（Y. Liao, et al. Opt. Lett. 2010，35，3225-3227），但是上述多孔玻璃的大尺寸制备和批量化生产，目前仍存在诸多工艺水平的限制，限制了其实用化进程。另外一种途径是利用超短脉冲激光辐照诱导选择性化学腐蚀透明材料。此法可实现三维均一性微通道的高性能制备，但由于受化学腐蚀过程以及化学腐蚀剂的本征限制，随着腐蚀时间的增加，很难得到长度不受限制（譬如厘米级以上）的均一性三维微通道结构。为突破上述局限，在制备三维微通道的同时制备连通样品表面和微通道的若干个辅助通道，可实现长度不受限制的均一性三维微通道制备（S. Ho, et al.Appl. Phys. A 2012, 106, 5–13; S. He, et al. Opt. Lett. 2012, 37, 3825-3827）。但是需要指出的是，目前上述制备的三维微通道主要通过聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜键合来实现辅助通道的表面闭合，闭合区域的材料主要是PDMS薄膜。因此，微流控操作的稳定性和安全性一定程度受PDMS薄膜厚度以及其与透明材料间的密封强度的限制。该方法可很好的应用于一般实验室水平的微流控研究，但对于商业化和工业化微流控应用场合特别是进行一些耗时长、条件苛刻的连续流微尺度有机化学反应时，辅助通道闭合区域PDMS材料的化学稳定性和机械性能将经受很大考验，从而造成上述方法的密封性和安全性存在很大挑战。因此，寻求一种基于新原理的辅助通道闭合技术对于制备三维大尺寸高精度微流控通道具有重要意义和实用价值。

发明内容

本发明的目的在于针对当前超短脉冲激光制备三维微流控通道存在的技术挑战，提供一种三维大尺寸高精度微流控通道的制备方法。

实现本发明目的的具体技术方案如下：

一种三维大尺寸高精度微流控通道的制备方法，该方法包括下列步骤：

步骤1：超短脉冲激光辐照