DOE辅助的CO2激光加工具有亚50微米通道和光学光滑表面的PMMA微流控器件

《Sensors and Actuators A: Physical》：DOE-assisted CO 2-laser machining of PMMA microfluidic devices with sub-50-μm channel and optically smooth surfaces

　　

-首次展示了利用CO?激光加工制造的封闭式亚50微米PMMA微通道的演示。
-利用实验设计（DOE）系统地优化了激光切割参数，以实现高分辨率特征。
-在250微米厚的PMMA中加工出了56微米宽的微通道，表面光滑（Sa = 0.16微米）且毛刺极少（约0.1微米）。
-通过进一步实验微调加工和粘合条件，成功加工出了26.7微米宽的微通道。
-在约15分钟内快速制造了超高分辨率PMMA微流控芯片。

引言

微流控器件操控微量液体（飞升~纳升），广泛应用于医疗诊断、药物发现到化学合成等领域[1,2]。随着即时诊断、个性化医疗和便携式分析系统需求的增长，微流控技术近年来发展迅速[3,4]。随着这些技术的不断进步，更小的微特征（如微通道和微腔室）日益受到青睐，因为它们具有尺度优势，包括减少样品和试剂消耗、加快分析速度和改善散热效果[2]。此外，高分辨率特征（<100微米），如微柱[5]、堰坝[6]、微通道[7,8]和微滤器[9]，使得一些原本难以实现的应用成为可能。例如，利用惯性操控成功将亚微米细菌（金黄色葡萄球菌）聚焦在80微米宽的微通道中[7]，并使用3微米微刀片实现机械细胞裂解而无需化学裂解剂[9]。

传统上，具有高分辨率特征的微流控器件主要通过两种成熟的微加工技术制造：标准光刻[10]和基于PDMS的软光刻[11]。尽管光刻技术成熟，但它存在若干局限性，包括需要昂贵的洁净室、昂贵的材料和漫长的培训周期[12]。软光刻通常也需要光刻来制造母模，因此继承了类似的缺点。此外，手工复制成型难以规模化用于批量生产。PDMS的局限性，包括溶剂中的溶胀、气体渗透性、疏水性和与批量制造微器件（通常为热塑性塑料）的材料不相容，阻碍了其商业成功[13]。最近，3D打印作为一种一步式制造整个微流控芯片的方法应运而生。然而，它面临诸多挑战，包括半透明表面限制了光学检测、难以从狭窄的微通道中去除支撑材料或未固化树脂，以及潜在的细胞毒性限制了其在生物检测中的应用[[14], [15], [16]]。

在针对上述局限性开发的替代加工技术中，激光加工——依靠激光束照射引起的基板烧蚀——在1990年代初被引入作为一种替代加工方法[17]。它不需要洁净室，可以直接从CAD设计图案化特征而无需光刻步骤，从而实现快速周转，并且作为非接触过程，工具磨损最小。此外，根据激光和基板的种类不同，它可以图案化从约100纳米到约100微米的特征[[18], [19], [20]]。除了微流控制造外，激光加工还被广泛应用于各种领域，从激光辅助表面织构到光纤传感器制造，展现了其在各工程学科中的多功能性[[21], [22], [23]]。对于透明热塑性塑料如PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）[24,25]、PC（聚碳酸酯）[26]、PS（聚苯乙烯）[27]和PE（聚乙烯）[28]的加工，已采用了不同波长的激光，包括紫外准分子激光（157-351纳米）、NdYAG激光（约1064纳米）、CO?激光（10.6微米）及其不同的输出模式，包括连续波、短脉冲和超短脉冲模式[20]。特别是，短脉冲（纳秒级）和超短脉冲（皮秒至飞秒级）激光具有高峰值功率和极小的热损伤，提供卓越的分辨率[29]。值得注意的是，成功图案化了小至200纳米的精细特征（如纳通道和纳米柱）[30,31]。然而，这些脉冲激光系统价格过于昂贵（例如，一台飞秒激光机器的价格超过50万美元）[20,32]。因此，大量精力已投入到低成本CO?激光系统用于高分辨率微加工的适配中[19,33]。

CO?激光加工广泛用于塑料和木材上的标记、雕刻或切割，为昂贵的脉冲激光提供了经济实惠的替代方案（< 1万美元）[34,35]。然而，使用CO?激光产生高分辨率特征（例如< 100微米）具有挑战性[19,36]。工作在红外区域（10.6微米）的CO?激光能有效与透明热塑性塑料相互作用，沉积大量热能以实现烧蚀[37]。其连续波CO?激光与基材的相互作用时间远长于超短脉冲激光（即>1毫秒 vs. <1皮秒），导致通过加热、熔化和汽化产生的热烧蚀。因此，CO?激光通常产生的切割宽度远大于超短脉冲激光（数量级为100微米 vs. 0.1-10微米）[31,38]。此外，与超短脉冲激光相比，CO?激光会产生明显的毛刺（即沿切割边缘的固化熔融热塑性塑料凸出物）。这些加工伪影可能会阻碍加工基板与盖玻片的安全粘合[39]。

因此，已提出了多种策略来减小CO?激光加工的刀缝宽度（即提高分辨率）。一种常见的方法是使用高分辨率聚焦光学系统，通常称为HPDFO（高功率密度聚焦光学系统）。HPDFO可以产生比没有该系统小得多的光斑（约25微米 vs. 75-125微米）[36]，产生约50微米窄的刀缝宽度（KW）。然而，HPDFO价格昂贵且未被广泛采用。不锈钢"模板"也被用于改善特征分辨率[40]。在聚焦透镜和基板之间放置一个带有小直径针孔（35微米）的模板作为孔径来减小光斑尺寸，实现了25微米KW。然而，模板方法增加了额外成本并复杂化了加工过程。或者，将一片牺牲PMMA片临时附在PMMA基板顶部，可获得39.8微米KW[41]。尽管有效，但这种方法增加了成本和时间。重要的是，这些先前的方法仅限于雕刻（即在基板表面雕刻），这会在微通道底部产生粗糙且倾斜的表面，容易引发非特异性生物分子吸附和气泡滞留[42]。

在本工作中，我们旨在通过系统地优化激光加工参数，在不使用HPDFO、辅助组件或材料的情况下实现亚50微米KW。KW强烈依赖于三个主要参数：功率、脉冲频率和扫描速度。功率定义了单位时间内传递给材料的光能量。扫描速度是单位时间内激光光斑的移动距离。与功率一起，扫描速度决定了单位长度和单位时间传递的能量，这与KW成正比。脉冲频率是单位时间内的激光脉冲数，与功率和速度一起决定脉冲重叠。KW与脉冲重叠成反比[33,35]。在这里，我们采用实验设计（DOE）来系统优化这些参数以实现高分辨率加工。此外，所有特征均以切穿（穿透）模式而非雕刻模式加工，以在整个工作中改善表面粗糙度[43]。据我们所知，这是首次仅通过优化加工参数来减少切穿刀缝宽度的尝试[37]。

DOE是一种统计工具，用于设计实验、研究输入参数与输出响应之间的关系，并为期望的目标提供最佳实验条件[44]。它已被应用于各种领域，包括化学过程优化、药物筛选方案开发[45]和临床试验设计[46]。在CO?激光切割中，DOE已被用于各种目标，包括减小刀缝锥角[47]、热影响区（HAZ）、表面粗糙度（SR）[47]和运营成本[48]。然而，之前的基于DOE的方法通常是在多个目标之间寻求折衷，而非优化单一关键目标。例如，在保持刀缝顶部到底部比值为1的同时同时最小化SR和运营成本，而非追求每个目标的最佳结果[48]。在本工作中，我们转而使用DOE系统地优化单一响应，即KW——加工分辨率的主要指标。采用中心复合设计（CCD）基于定义的目标（优化）、因素（功率、脉冲频率和扫描速度）和输出响应（KW）生成实验矩阵。在激光加工实验之后，识别出显著因素（功率和脉冲频率）并用于建立描述输入参数与刀缝宽度之间关系的数学模型。随后，在定义的目标（最小化KW）下执行数值优化，并通过实验验证建议的最优点。在此过程中，我们还评估了表面粗糙度和毛刺形成，两者均与产生更窄刀缝宽度的切割条件密切相关。

利用优化后的参数，我们旨在250微米PMMA基板中实现接近50微米的KW，而无需先进的光学系统或其他辅助组件。此外，通过实验细化DOE优化的切割条件，我们将激光加工方法推进到在超薄（50微米）PMMA基板中生成亚50微米的切割。PMMA在众多其他透明热塑性基板中被选中，因为其在红外区域具有优异的吸收性，以及CO?激光加工后具有高光学透明度和相对光滑的表面[33,49]。使用微调后的加工参数形成微通道后，使用原始PMMA基板密封图案化微特征以制造封闭式微流控器件[50]。粘合可以通过基板之间的附加粘合层间接进行，但通常会导致粘合层在微特征内部堵塞[51]。或者，也可以在不可逆粘合之前通过溶剂、加热或激光处理直接修改基板表面[[52], [53], [54]]。然而，此类制造通常存在微特征变形的问题。最近也展示了CO?激光加工基板的可逆粘合，尽管使用了PDMS盖玻片以持续排气确保粘合[55]。另一方面，经过系统优化的工艺参数的溶剂辅助热粘合已被证明可以显著减少通道变形，并提供具有优异尺寸精度的牢固封闭式微流控芯片[56]。在此，通过实验确定溶剂暴露参数（溶剂暴露时间和基板至溶剂的距离）和粘合条件（粘合温度、压力和时间），以确保有效粘合同时最小化通道变形。

最后，通过制造具有各种通道几何形状的封闭式微流控器件，展示了所提出制造策略的通用性，包括接近50微米（56微米）的高长宽比（4.2:1）通道和宽（535微米）的低长宽比（0.4:1）通道。系统比较了这些器件的光学透明度和表面质量与雕刻通道的差异，突出了我们制造方法的优势。令人瞩目的是，我们展示了仅使用优化切割参数通过CO?激光加工在PMMA中生产透明光滑27微米封闭式微通道的能力。

段落摘要

**热塑性塑料的CO?激光加工用于微流控器件制造**

激光是高强度相干、单色、定向光束，通过光学谐振器放大。激光烧蚀是指由强连续或脉冲激光束照射引起的去除固体材料的热或非热过程[57]。特别是，CO?激光加工工作在红外区域（10.6微米），依赖于连续波照射的热烧蚀[20]。它在各种制造行业中被广泛使用，因为它是……

**材料与方法**

透明50微米和250微米厚的PMMA板材（分别为#ME301050和ME303005）购自Goodfellow公司（英国亨廷顿）。500微米厚的PMMA板材购自Acryl-Choiga公司（韩国首尔）。标准玻璃载玻片（#7109）购自Ehwa Glass公司（中国上海）。99.8%的三氯甲烷购自Sigma-Aldrich公司（美国密苏里州圣路易斯）。

**PMMA板材的激光加工**

激光加工程序采用我们先前工作中的方法，并做了小修改（图1和图S2a）

**先导试验**

在确定目标和参数后，进行了先导试验以确定因素的适当水平（高、中、低）用于后续实验设计，如图2（1）-（3）所示。我们最初评估了45种参数组合，范围在P = 1-5%、S = 1-9%和F = 500-5000 Hz，以在250微米厚的PMMA板材上切割10毫米槽。其中，P = 100%相当于50 W的最大激光功率，S = 100%对应于最大扫描速度。

**结论**

具有高分辨率特征的微流控器件因其先进应用和尺度优势而需求日益增长。传统光刻和软光刻已被用于制造高分辨率器件。然而，这些工艺存在众所周知的缺点，包括需要洁净室、昂贵的材料和设备、漫长的周转时间以及与传统批量生产微流控器件所用热塑性塑料的材料兼容性有限。

**作者贡献声明（CRediT）**

Abdi Mirgissa Kaba：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、调查研究、形式化分析、数据整理。Woongsub Lee：可视化、验证、方法论、调查研究、形式化分析、数据整理。Hyunjin Jeon：可视化、方法论、调查研究、形式化分析、数据整理。Sofonias Nursefa Kedir：可视化、验证、调查研究、形式化分析。

金道贤：写作 – 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，

写作过程中生成式 AI 及 AI 辅助技术的使用声明
在本作品准备过程中，作者使用了 ChatGPT 以提高手稿的可读性和语言质量。在使用该工具/服务后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所述工作。

致谢
本工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）资助，由韩国政府（MSIT）拨款（编号：2021R1F1A1045386 和 2022R1A2C1002729）。

阿卜迪·米尔吉萨·卡巴是法国国家科学研究中心（CNRS）附属保罗·巴斯克研究中心的博士后研究员。他分别于 2015 年和 2017 年从埃塞俄比亚亚的斯亚贝巴大学获得机械工程学士和硕士学位。他于 2022 年在韩国龙仁大学完成机械工程博士学位，随后在智能微器件实验室（IML）担任博士后研究员。

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