一种制作玻璃微流控芯片的方法与流程

1.本发明涉及玻璃加工技术领域，尤其涉及一种玻璃微流控芯片的制作方法。


背景技术：

2.微流控分析芯片在又称“芯片实验室”(美lab-on-a-chip)或“微整合分析芯片”(欧micrototal analytical systems)，它以分析化学和分析生物化学为基础，以微电机加工技术为依托，以微管道网络为结构特征，把实验室的功能包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在芯片上，是多种单元技术在整体可控的微小平台上的灵活组合与规模集成。微流控技术具有响应速度快，消耗剂量小，分辨率、灵敏度高，使用成本低，易于自动化和便携化等优点，广泛应用于核酸分离和定量、dna测序、基因突变和基因差异表达分析、蛋白质的筛分、药物研究等。
3.微流控芯片的所研究的空间特征尺寸范围1um-1mm，容纳流体的有效结构(通道、反应室、功能结构)至少有一个微米级尺度。
4.微流控芯片领域极具广泛性的基础材料有玻璃、石英、pdms等高分子聚合物。其中玻璃材质具有优异机械性能、光学性能和电渗性能，更适于制作50um以下的小尺寸空间特征。玻璃微流控芯片传统制作流程如图1所示。
5.玻璃微流控芯片制作主要包括微通道制作和键合两个关键制成，近年来的研究课题多数围绕这两个方面进行。
6.目前的微通道结构多制成宽度小于200微米，深度数十微米的特征尺寸。首先在玻璃表面制作金属牺牲层(或者ito层等)，再在牺牲层表面均匀涂覆uv光刻胶，经过曝光、显影后把微通道图案转移到牺牲层上，再应用hf湿法蚀刻将通道图案蚀刻在玻璃表面，最后去除光刻角和残余的牺牲层即可获得所需要的微流控芯片。制作金属牺牲层需要的复杂昂贵的pvd设备，曝光设备需要在百级洁净车间内工作，并且设备本身也比较昂贵，需要严格控制整个生产流程才能获得合格的产品。传统方法设备复杂，过程繁琐，控制严格，制作完一个芯片需要数天时间，芯片制作成本居高不下。近年来人们尝试了激光烧蚀、细微点解加工、湿印章蚀刻等多种方法制作微通道结构，但迄今为止，尚没有一种方法能够完美解决成本、质量、效率问题。
7.hf湿法的蚀刻速率可达到每分钟数微米，并可在蚀刻槽内批量生产，在效率上可以满足生产的需求。但hf的蚀刻过程具有各向同性，蚀刻方向、蚀刻深度不易控制，因此不易制作亚微米通道结构，不易获得准确的特征尺寸，蚀刻后的通道截面形状与理想的截面形状往往差距较大，同时玻璃本身减薄明显(如图3所示)。hf溶液具有强烈的毒性、腐蚀性和挥发性，挥发出来的hf气体和空气中的水蒸气继续结合成氢氟酸，含有剧毒，会对人的循环系统造成不可逆转的伤害。


技术实现要素：

8.本发明针对传统微流控芯片制作方法中存在的设备昂贵、工况严格、工艺繁琐、尺
寸精度不高、形貌不准、蚀刻方法不环保等问题，本发明提供了一种制作玻璃微流控芯片的方法，包括如下步骤：
9.第一步：用激光区域选择性辐照改性蚀刻方法制作载玻片；
10.第二步：用激光区域选择性辐照改性蚀刻方法制作微流道结构；
11.第三步：用激光区域选择性辐照改性蚀刻方法制作盖板；
12.第四步：低温键合；
13.第五步：用激光区域选择性辐照改性方法整体切割外形和裂片引导线；
14.第六步：机械或手工裂片。
15.作为本发明的进一步改进，激光区域选择性辐照改性蚀刻方法包含构建激光加工系统步骤、激光区域选择性辐照改性步骤、化学湿法蚀刻步骤。
16.作为本发明的进一步改进，所述构建激光加工系统步骤包括：步骤sa1配置加工机构、步骤sa2配置激光器、步骤sa3配置激光光路、步骤sa4配置激光切割头。
17.作为本发明的进一步改进，所述激光区域选择性辐照改性步骤包含：步骤sb1对焦、步骤sb2上料、步骤sb3编辑加工路径、步骤sb4设定加工参数、步骤sb5实施区域改性、以及相关的准备工作。
18.作为本发明的进一步改进，所述化学湿法蚀刻步骤包含：步骤sc1选择蚀刻液种类和浓度，步骤sc2：在超声波清洗设备的超声槽内注入蚀刻液，把切割完的玻璃浸没在蚀刻液内，设定蚀刻温度及工艺时间，步骤sc3设定辅助震动频率，以及相关辅助工作。
19.作为本发明的进一步改进，在所述步骤sa1中：所述加工机构包括相互垂直的xyz三个轴，所述xyz三个轴由直线电机驱动并带有光栅编码器形成闭环控制，所述xy轴运动速度范围0-500mm/s，所述xy轴加速度范围0-1g；所述xy轴重复精度
±
0.2um，定位精度
±
1um；所述xy轴加工范围不小于但不局限于500*500mm；所述y轴上配备真空吸附工作台所述加工机构配备ccd定位功能；所述加工机构的控制系统支持同步位置输出功能；所述加工机构的操作软件支持图形编辑、图形导入功能。
20.作为本发明的进一步改进，在所述步骤sa2中：所述激光器中心波长为1064nm，所述激光器脉宽为10-50ps，所述激光器功率范围但不局限于0-30w，所述激光器的单脉冲能量范围但不局限250uj-500mj；所述激光器的重复频率50-500khz，所述激光器的光束质量≦1.3，所述激光器支持同步位置输出功能。
21.作为本发明的进一步改进，在所述步骤sa3中：所述激光光路包含光闸、光澜、45度反射镜、1-10x红外扩束镜、λ/4波片，所述激光光路上配置可拆装的调光辅助组件，所述扩束镜和所述光澜用于改变切割头入口光束尺寸和形貌，进而改变聚焦光斑的尺寸和形貌，影响熔融点的直径和切割深度。
22.作为本发明的进一步改进，在所述步骤sa4中：所述激光切割头包括准直镜、平板锥透镜、共轭成像系统，所述共轭成像系统包括平凸透镜、以及与所述平凸透镜精准同轴的物镜，所述平板锥透镜与所述平凸透镜精准同轴所述物镜的典型焦深1.2mm、数值孔径0.42；所述准直透镜、所述平板锥透镜与所述共轭成像系统精准同轴，所述平板锥透镜位于所述准直镜和所述共轭成像系统之间。
23.作为本发明的进一步改进，在所述步骤sb1中：取一小块微流道玻璃材料放置于激光切割机台面，切割头下降距离所述玻璃上表面f，调整所述切割头高度反复试切直到切缝
刚好贯穿所述玻璃下表面，所述切割头下降(d-h)/2的距离；其中所述f为切割头焦距，所述d为切割头焦深，所述h为玻璃厚度，所述d须大于h。
24.作为本发明的进一步改进，在所述步骤sb2中：将待切割微流道玻璃放置于激光切割机台面，所述玻璃侧边与激光切割机台面侧边平齐；开启真空吸住玻璃。
25.作为本发明的进一步改进，在所述步骤sb2之前的相关准备工作包括：所述玻璃和激光切割机台面之间垫无尘纸；使用75％(v/v)酒精溶液清洗玻璃表面。
26.作为本发明的进一步改进，所述步骤sb3包括：打开激光切割机操作软件，按照微流道形状、打孔位置、载玻片外形编辑加工路径或者导入加工路径；加工路径向流道内部偏置d/2，所述d为聚焦光斑直径。
27.作为本发明的进一步改进，所述步骤sb4包括：在操作软件中设定或者导入加工参数：速度、加速度、激光功率、激光频率；所述加工参数的典型值为速度为60-100mm/s，加速度为1g，激光功率为0-30w，激光频率为50-500khz。
28.作为本发明的进一步改进，所述步骤sb5包括：启动激光加工，激光切割机沿加工路径实施辐照改性。
29.作为本发明的进一步改进，在所述步骤sc1中，所述蚀刻液选择不含hf物质的蚀刻液，所述蚀刻液的一种典型特征为koh，kcl或者无氟盐类蚀刻液，所述koh的一种典型浓度为8.3％。
30.作为本发明的进一步改进，在所述步骤sc2中：所述蚀刻温度设定范围0-100℃，所述蚀刻温度波动范围
±
3℃，所述工艺时间根据玻璃材质和蚀刻液通过试验方式计算获得，其计算方法为t＝d/v，其中所述t为工艺时间，其中d为材质厚度，其中v为试验获得的蚀刻速率。
31.作为本发明的进一步改进，在所述步骤sc3中：所述震动频率范围30-80khz，在工艺时间结束前3分钟将所述震动频率调整为80khz并保持到工艺时间结束。
32.作为本发明的进一步改进，所述相关辅助工作包括：经过辐照改性的玻璃完全浸没在蚀刻液内，使用不锈钢支架支撑；使用音叉式浓度计监控蚀刻液浓度，浓度下降15％以上时需补充蚀刻液有效成分；蚀刻完成，微流道结构自动分离，使用去离子水反复冲洗干净；使用气枪吹去水分，置于洁净的不锈钢支架上晾干。
33.作为本发明的进一步改进，整个操作过程内需佩戴橡胶手套。
34.作为本发明的进一步改进，制作微流控芯片方法有两种模式，模式一为制作单个的载玻片、微流道结构、盖板后低温键合再切割外形；模式二为在玻璃上制作上述零件阵列，低温键合后再批量切割外形。
35.本发明的有益效果是：本发明方法中所使用的设备简单、操作方便、尺寸精度高、产品形貌好、无需特殊工作环境，与传统曝光方法制作微流道结构相比，减少了数个中间环节，大幅缩短了微流控芯片的制作周期，显著降低微流控芯片成本。同时由于非hf成分蚀刻液的使用，整个制作过程安全环保，具有良好的社会经济效益。
附图说明
36.图1是玻璃微流控芯片传统制作流程图；
37.图2是本发明的方法流程图；
38.图3是理想微流控通道(左)与hf蚀刻的实际微流控通道(右)对比图；
39.图4是轴向匀化无衍射光学系统原理图；
40.图5是直线电机控制、位置同步输出技术工作原理图；
41.图6是轴向匀化无衍射光路聚焦成像后的光斑形态图。
具体实施方式
42.如图2所示，本发明公开了一种制作玻璃微流控芯片的方法，采用三层键合的方法制作微流控芯片，本发明的方法包括如下步骤：
43.第一步：用激光区域选择性辐照改性蚀刻方法制作载玻片；
44.第二步：用激光区域选择性辐照改性蚀刻方法制作微流道结构；
45.第三步：用激光区域选择性辐照改性蚀刻方法制作盖板；
46.第四步：低温键合；低温键合：将两片表面清洁、原子级平整的同质或异质材料经表面清洗和活化处理，在较低温条件下直接结合，再经过适当温度退火，使材料表面的原子悬挂键发生网络重组形成完善的共价键网络，通过范德华力、分子力甚至原子力合成为一体的技术。
47.第五步：用激光区域选择性辐照改性方法整体切割外形和裂片引导线(图2中沿虚线切割)；
48.第六步：机械或手工裂片；机械裂片：用机械的方法将经过激光切割的玻璃产品与边角料分开。手工裂片：用手工将激光切割的玻璃产品与边角料掰开。
49.激光区域选择性辐照改性蚀刻方法是利用激光辐照玻璃、石英、蓝宝石等透明脆性材料，使其区域性局部改性，再使用化学湿法蚀刻去除改性部分材料的一种加工方法。因其改性部分比基材有更高的蚀刻效率，蚀刻过程具有明显的方向选择性，蚀刻主要发生在激光辐照部分，而对未辐照部分几乎没有影响，材料本体的减薄比较小。微流道结构的尺寸精度主要受到机构精度和蚀刻形貌保持能力影响，蚀刻形貌的保持能力主要由辐照改性的形貌决定，激光辐照改性应用了贝塞尔轴向匀化光路，激光单脉冲能量高，激光辐照瞬间完成，因此改性部分呈现出细长均匀的熔融状，并且与未辐照部分分界清晰，因此蚀刻后表面光洁，垂直度好，无锥度，尺寸和形貌准确。与原工艺相比，激光区域选择性辐照改性工艺过程大为缩短，激光改性后的玻璃蚀刻效率显著提高，因此此方法总体效率显著提高。使用koh溶液取代hf蚀刻液，蚀刻液本身以及蚀刻中间产物无毒无害，安全环保。
50.本发明的激光区域选择性辐照改性蚀刻方法包含构建激光加工系统、激光区域选择性辐照改性、化学湿法蚀刻三个步骤。
51.第一步，构建激光加工系统。又包含步骤sa1配置加工机构，步骤sa2配置激光器，步骤sa3配置激光光路，步骤sa4配置激光切割头等四个子步骤；
52.步骤sa1配置加工机构需满足如下条件：(1)所述加工机构包括相互垂直的xyz三个轴，(2)所述xyz三个轴由直线电机驱动并带有光栅编码器形成闭环控制，(3)所述xy轴运动速度范围0-500mm/s，(4)所述xy轴加速度范围0-1g；(5)所述xy轴重复精度
±
0.2um，定位精度
±
1um；(6)所述xy轴加工范围不小于但不局限于500*500mm；(7)所述y轴上配备真空吸附工作台(8)所述加工机构配备ccd定位功能；(9)所述加工机构的控制系统支持pso(同步位置输出)功能；(10)所述加工机构的操作软件支持图形编辑、图形导入功能，所述的(2)
(8)是构成激光位置同步输出功能的关键条件，是提升发明有益效果的条件之一；
53.步骤sa2配置激光器需满足如下条件：(1)所述激光器中心波长为1064nm，(2)所述激光器脉宽为10-50ps，(3)所述激光器功率范围但不局限于0-30w，(4)所述激光器的单脉冲能量范围但不局限250uj-500mj；(5)所述激光器的重复频率50-500khz，(6)所述激光器的光束质量≦1.3，(7)所述激光器支持pso(同步位置输出)功能，所述的(7)是构成激光位置同步输出功能的关键条件，是提升发明有益效果的条件之一；
54.步骤sa3配置激光光路需满足条件：(1)所述激光光路包含光闸、光澜、45度反射镜、1-10x红外扩束镜、λ/4波片，(2)所述激光光路上配置可拆装的调光辅助组件，(3)所述扩束镜和所述光澜用于改变切割头入口光束尺寸和形貌，进而改变聚焦光斑的尺寸和形貌，影响熔融点的直径和切割深度。
55.步骤sa4配置激光切割头需满足条件：(1)所述的切割头核心组件包括平板圆锥镜，一套共轭光路，一组物镜(2)所述选物镜的典型焦深1.2mm，数值孔径0.42。其中(1)是构建理想贝塞尔光束，匀化熔融点直径、深度，减小加工锥度的关键条件，是提升发明有益效果的条件之一；
56.第二步，实施激光区域选择性辐照改性。又包含步骤sb1对焦，步骤sb2上料，步骤sb3编辑加工路径，步骤sb4设定加工参数，步骤sb5实施区域改性，以及相关的准备步骤；
57.准备步骤：(1)所述玻璃和激光切割机台面之间垫无尘纸；(2)使用75％(v/v)酒精溶液清洗玻璃表面。在准备步骤之后执行步骤步骤sb2。
58.步骤sb1：(1)取一小块微流道玻璃材料放置于激光切割机台面，(2)切割头下降距离所述玻璃上表面约f，(3)调整所述切割头高度反复试切直到切缝刚好贯穿所述玻璃下表面，(4)所述切割头下降(d-h)/2的距离。(5)其中所述f为切割头焦距，所述d为切割头焦深，所述h为玻璃厚度，所述d须大于h；
59.步骤sb2：(1)将待切割微流道玻璃放置于激光切割机台面，(2)所述玻璃侧边与激光切割机台面侧边平齐；(3)开启真空吸住玻璃；
60.步骤sb3：(1)打开激光切割机操作软件，(2)按照微流道形状、打孔位置、载玻片外形编辑加工路径或者导入加工路径；(3)加工路径向流道内部偏置d/2，所述d为聚焦光斑直径；
61.步骤sb4：(1)在操作软件中设定或者导入加工参数：速度、加速度、激光功率、激光频率等；(2)所述加工参数的典型值为速度为60-100mm/s，加速度为1g，激光功率为0-30w，激光频率为50-500khz；
62.步骤sb5：(1)启动激光加工，(2)激光切割机沿加工路径实施辐照改性；
63.第三步，实施化学湿法蚀刻。又包含步骤sc1选择蚀刻液种类和浓度，步骤sc2设定蚀刻温度及工艺时间，步骤sc3设定辅助震动频率，以及相关辅助工作；
64.步骤sc1：(1)所述蚀刻液选择不含hf物质的蚀刻液，(2)所述蚀刻液的一种典型特征为koh，kcl或者无氟盐类蚀刻液，(3)所述koh的一种典型浓度为8.3％；
65.步骤sc2：(1)所述蚀刻温度设定范围0-100℃，(2)所述蚀刻温度波动范围
±
3℃，(3)所述工艺时间根据玻璃材质和蚀刻液通过试验方式计算获得，其计算方法为t＝d/v，(4)其中所述t为工艺时间，其中d为材质厚度，其中v为试验获得的蚀刻速率；
66.步骤sc3：(1)所述震动频率范围30-80khz，(2)在工艺时间结束前3分钟将所述震
动频率调整为80khz并保持到工艺时间结束；
67.相关辅助工作：(1)经过辐照改性的玻璃完全浸没在蚀刻液内，使用不锈钢支架支撑，(2)使用音叉式浓度计监控蚀刻液浓度，浓度下降15％以上时需补充蚀刻液有效成分；(3)蚀刻完成，微流道结构自动分离，使用去离子水反复冲洗干净，(4)使用气枪吹去水分，(5)置于洁净的不锈钢支架上晾干。
68.激光区域选择性辐照改性蚀刻方法可用于制作载玻片、微流道、盖板以及多层键合的微流控芯片，切割的厚度不同，使用的激光功率不同，切割过程采用ccd定位以确保切割对位的精准度，载玻片、微流道、盖板使用化学湿法蚀刻来分离，键合后的微流控芯片则使用机械或手工裂片。
69.整个操作过程内需佩戴橡胶手套；
70.所述的制作微流控芯片方法有两种模式，(1)模式一为制作单个的载玻片、微流道结构、盖板后低温键合再切割外形，(2)模式二为在玻璃上制作上述零件阵列，低温键合后再批量切割外形。
71.本发明最主要创新有四点，第一点创新：使用轴向匀化无衍射光学系统实现激光束轴向径向的匀化，激光能量在玻璃熔融点内均匀分布，熔融点圆度更好，辐照改性更加充分，从而保持良好的形貌，提高蚀刻效率，获得清晰的蚀刻表面。第二点创新：所选择设备的控制方式为激光同步位置输出，改善熔融点的点距分布，从而减少崩裂，保证整体加工的一致性。第三点创新：制作载玻片、微流道、盖板时采用化学蚀刻取代机械裂片和二氧化碳激光裂片，获得光洁的蚀刻表面，零件内部材料容易取出。第四点创新：采用无氟蚀刻方法，避免hf对人体的毒害和环境污染。分别做详细说明：
72.第一点创新，本发明应用轴向匀化无衍射光学系统对激光光路进行径向选择和轴向匀化优化，激光经过扩束后，使用可变光澜选择光束中能量集中分布部分，将其余杂光滤除，被选择部分光束的能量在截面内分布相对均匀，聚焦后将获得圆度更好的光斑；使用λ/4波片和平板锥透镜3组合取代几何锥透镜，将获得完全理想的贝塞尔光束13，经共轭光路(平凸透镜4和物镜6)成像，将获得激光能量轴向匀化的细长无锥度光斑(即，细长形状的匀化聚焦光束16，效果见图6)；利用经过径向选择和轴向匀化技术处理的光束加工玻璃，获得了更均匀的光斑直径，窄而均匀的热影响区，更一致的切割深度，更小的加工锥度。
73.第二点创新：如图5所示，应用直线电机运动控制技术、激光位置同步触发技术实现激光光斑等距。在图5中，zmc460n是实现pso功能的运动控制卡。
74.(1)直线电机运动控制技术，其一是通过光栅编码器反馈位置信号与驱动器发出的脉冲信号进行比较，不断修正位置偏差，实现电机实际位置与输出位置相符；其二是通过比例微分积分(pid)控制、自动增益调节等方法调节电机控制参数，实现电机运动速度波动最小。
75.(2)激光位置同步触发技术。使用速度同步输出触发会产生熔融点重叠。位置同步触发是通过采集实时的光栅编码器反馈信号与驱动器信号进行位置比较，与激光器输出信号进行相位同步，在运动轨迹的所有阶段以恒定的空间间隔(而非时间或速度)触发发射激光，实现熔融点的均匀分布，从而保证了整体加工质量的一致性，有效避免崩边现象。
76.第三点创新：本发明使用化学蚀刻技术取代机械裂片及二氧化碳裂片，化学蚀刻过程是将激光改性部分材料通过化学反应选择性去除的过程，玻璃内部改性越充分，蚀刻
速度越快，对基材的损伤越小，蚀刻后界面清晰光滑，经试验验证，充分改性部分与基材的最大蚀刻效率比可达1000:1，因此蚀刻过程对未改性部分损伤较小。由于整个蚀刻过程中没有机械应力和热应力产生，因此加工表面很少出现崩边现象；并且化学反应过程是一个平稳均匀的过程，因此加工表面的光洁度和平整度较高；经过化学蚀刻后，微流控芯片与玻璃基材之间将被去除约与熔融点等宽度的缝隙，因此中空构件的内部材料很容易取出。由于蚀刻对切割面向两侧的去除作用会导致零件尺寸变小，因此在制作高精密零件时，切割面需要向外偏移半个光斑的距离。
77.外形裂片时，对尺寸精度和崩边的要求不高，因此使用较为经济快捷的手工掰开或机械裂片。
78.第四点创新：本发明使用碱性蚀刻液和无氟蚀刻液取代hf溶液，虽然在蚀刻效率上稍有牺牲，但蚀刻液相对安全环保。
79.下面对第一创新点的轴向匀化无衍射光学系统进行详细说明，如图4所示，轴向匀化无衍射光学系统包括准直镜1、平板锥透镜3、共轭成像系统，所述准直镜1与所述平板锥透镜3精准同轴，所述平板锥透镜3与所述共轭成像系统精准同轴，所述平板锥透镜3位于所述准直镜1和所述共轭成像系统之间。
80.该轴向匀化无衍射光学系统还包括波片7，所述波片7位于所述准直镜1和所述平板锥透镜3之间。
81.平板锥透镜3是实现轴向匀化的光学元件，平板锥透镜3置于共轭成像系统之外，而共轭成像系统中并未插入衍射元件，故本发明称为轴向匀化无衍射光学系统。
82.锥透镜是一种用于生成贝塞尔强度分布光束或环形光束的光学元件，传统的锥透镜通常由一个平面和一个圆锥面组合而成，是一种折射型光学元件。与之相比，本发明的平板锥透镜3没有圆锥顶点，入射的准直光束在经过平板锥透镜3后直接获得锥形相位，并通过衍射作用形成环形光束，平板锥透镜3是一种衍射光学元件(doe)。衍射光学器件加工精度为纳米级。误差为折射锥透镜的千分之一，所获得的贝塞尔光束更接近理想贝塞尔光束。
83.所述共轭成像系统包括平凸透镜4、以及与所述平凸透镜4精准同轴的物镜6。
84.作为本发明的选优实施例，所述准直镜1倍数为1-8倍可调，一端1-2倍可调，另一端1-4倍可调，两者相乘最大8倍；准直镜1的放大倍数与平板锥透镜3数值孔径相匹配。
85.所述平板锥透镜3的出光面与所述平凸透镜4的焦点重合，所述平板锥透镜3和所述平凸透镜4之间的工作距离为wd，其可调范围为100-150mm；所述平凸透镜4的焦距为100mm，所述平凸透镜4的直径为25.4mm，所述平板锥透镜3的直径为25.4mm，其最大有效光束口径不大于所述平凸透镜4直径的2/3，所述平凸透镜4为非球面透镜。
86.所述物镜6的放大倍率优选值为2x、或5x、或10x、或20x、或50x，所述物镜6的焦距优选值为4-40mm，所述物镜6的数值孔径优选值为0.45，所述物镜6的类型为红外透镜，物镜6为复合透镜。
87.准直镜1的作用是将入射的高斯光11准直为平行光束并扩束。λ/4波片的作用是将圆偏振光调制为左旋偏振光。平板锥透镜3的作用是将入射的左旋偏振光整形成匀化的贝塞尔光束13，并继续传输形成环形光束14；环形光束经过平凸透镜4后汇聚成环形光束15，匀化的贝塞尔光束经过共轭成像系统的平凸透镜4和物镜6成像，形成细长形状的匀化聚焦光束16。
88.入射光束11的直径为1-5mm(优选为1.6mm)；准直光束12的直径为3.2-12.8mm可调；贝塞尔光束13的zmax为3.48-80mm；环形光束14的最大值为20mm，工作距离wd为100-150mm；聚焦光束16最小直径小于10um，聚焦光束16的焦深范围为0.1-8mm。
89.平板锥透镜3的工作机理基于几何相位原理，入射光经过平板锥透镜3调制后会发生偏振态改变，本发明首先将平锥透镜3的入射光调整为右旋圆偏振光。当入射光为右旋圆偏振光时，经平板锥透镜3调制后偏振态转变为左旋圆偏振，并携带聚焦锥形相位，经聚焦形成一段无衍射区域，在该区域内生成的光束具有贝塞尔光束特性，继续传输将形成环形光束。
90.(1).出射光偏转角与相位结构周期的关系：
91.在理想情况下，光束正入射时，根据光栅衍射公式
[0092][0093]
其中为θ偏转角，λ为波长，p为沿径向的周期，不同周期对应的偏转角为：
[0094][0095]
(2).无衍射距离计算：
[0096]
右旋圆偏振光经过平板锥透镜3后，光束沿径向发生偏转并聚焦形成一段无衍射区域，该区域中将产生具有贝塞尔光束特性的光束。该光束的最大无衍射距离与入射光及平板锥透镜3参数相关，可表示为：
[0097][0098]
其中d为入射光束直径，θ为光束偏转角。在无衍射距离zmax内，光束的能量在长距离上聚焦在一个小而细长的区域中，因此可以获得比高斯光束更高的能量集中度以及更长的焦深。
[0099]
(3).环型光束直径计算：
[0100]
经过平板锥透镜3后产生的环形光斑直径主要由偏转角定义。当入射光为右旋圆偏振光时，根据几何关系可以计算得到环形光束直径为:
[0101]
d'＝2(wd-z
max
)
·
tanθ
[0102]
其中d'为光束直径，wd为工作距离，根据该公式可以求出不同工作距离下的环形光束直径。
[0103]
(4).焦深及聚焦直径计算：
[0104]
根据共轭光路的光斑计算公式可得：d22/d12＝f2/f1；l2/l1＝f2/f1,其中f1、f2分别表示平凸透镜4和物镜6的焦距，l1、l2分别代表zmax和焦深。
[0105]
在本发明中，经过准直镜1准直后的红外激光光束入射至平板锥透镜3，透射光将在元件后的无衍射区域内形成匀化的贝塞尔光束，在超过无衍射区域后将衍射为环形光束。贝塞尔光束具有较大的聚焦深度，经过平板锥透镜3轴向匀化后的贝塞尔光束光强分布更为均匀，经过物镜6聚焦后可获得长焦深匀化光束。
[0106]
本发明的有益效果：本发明采用了激光区域选择性辐照改性加碱性蚀刻液蚀刻的
方法取代原有的光刻加hf湿法蚀刻制备微流控通道结构，用三层键合替代原有的两层键合。与原工艺相比，本发明取消了沉积牺牲层、涂覆光刻胶，光刻，显影，蚀刻沉积层，光刻胶和牺牲层脱膜等流程，制作玻璃载波片、微流控通道、盖板有效形貌及外形切割全部使用相同的加工工艺。此方法设备简单、操作方便、无需特殊工作环境，与曝光方法制作微流道结构相比，减少了数个中间环节，大幅缩短了微流控芯片的制作周期，显著降低微流控芯片成本。此方法获得的通道特征尺寸精度高，形貌准确，通道光洁，最小特征尺寸可做到宽5um*深50um的分子级通道，直径3um*深500um的微通孔阵列用于微过滤结构，可以有效隔离大分子通过。进一步，本发明可以在玻璃盖板或载玻片上制作通孔、微孔阵列过滤结构、微流控结构、反应池、气室，采取多层键合的方式可制作具有3d互通的复杂功能微流控芯片。
[0107]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种制作玻璃微流控芯片的方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步：用激光区域选择性辐照改性蚀刻方法制作载玻片；第二步：用激光区域选择性辐照改性蚀刻方法制作微流道结构；第三步：用激光区域选择性辐照改性蚀刻方法制作盖板；第四步：低温键合；第五步：用激光区域选择性辐照改性方法整体切割外形和裂片引导线；第六步：机械或手工裂片。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，激光区域选择性辐照改性蚀刻方法包含构建激光加工系统步骤、激光区域选择性辐照改性步骤、化学湿法蚀刻步骤。3.根据权利要求2中所述的方法，其特征在于，所述构建激光加工系统步骤包括：步骤sa1配置加工机构、步骤sa2配置激光器、步骤sa3配置激光光路、步骤sa4配置激光切割头。4.根据权利要求2中所述的方法，其特征在于，所述激光区域选择性辐照改性步骤包含：步骤sb1对焦、步骤sb2上料、步骤sb3编辑加工路径、步骤sb4设定加工参数、步骤sb5实施区域改性、以及相关的准备工作。5.根据权利要求2中所述的方法，其特征在于，所述化学湿法蚀刻步骤包含：步骤sc1选择蚀刻液种类和浓度，步骤sc2：在超声波清洗设备的超声槽内注入蚀刻液，把切割完的玻璃浸没在蚀刻液内，设定蚀刻温度及工艺时间，步骤sc3设定辅助震动频率，以及相关辅助工作。6.根据权利要求3中所述的方法，其特征在于，在所述步骤sa1中：所述加工机构包括相互垂直的xyz三个轴，所述xyz三个轴由直线电机驱动并带有光栅编码器形成闭环控制，所述xy轴运动速度范围0-500mm/s，所述xy轴加速度范围0-1g；所述xy轴重复精度
±
0.2um，定位精度
±
1um；所述xy轴加工范围不小于但不局限于500*500mm；所述y轴上配备真空吸附工作台所述加工机构配备ccd定位功能；所述加工机构的控制系统支持同步位置输出功能；所述加工机构的操作软件支持图形编辑、图形导入功能。7.根据权利要求3中所述的方法，其特征在于，在所述步骤sa2中：所述激光器中心波长为1064nm，所述激光器脉宽为10-50ps，所述激光器功率范围但不局限于0-30w，所述激光器的单脉冲能量范围但不局限250uj-500mj；所述激光器的重复频率50-500khz，所述激光器的光束质量≦1.3，所述激光器支持同步位置输出功能。8.根据权利要求3中所述的方法，其特征在于，在所述步骤sa3中：所述激光光路包含光闸、光澜、45度反射镜、1-10x红外扩束镜、λ/4波片，所述激光光路上配置可拆装的调光辅助组件，所述扩束镜和所述光澜用于改变切割头入口光束尺寸和形貌，进而改变聚焦光斑的尺寸和形貌，影响熔融点的直径和切割深度。9.根据权利要求3中所述的方法，其特征在于，在所述步骤sa4中：所述激光切割头包括准直镜(1)、平板锥透镜(3)、共轭成像系统，所述共轭成像系统包括平凸透镜(4)、以及与所述平凸透镜(4)精准同轴的物镜(6)，所述平板锥透镜(3)与所述平凸透镜(4)精准同轴所述物镜(6)的典型焦深1.2mm、数值孔径0.42；所述准直透镜(1)、所述平板锥透镜(3)与所述共轭成像系统精准同轴，所述平板锥透镜(3)位于所述准直镜(1)和所述共轭成像系统之间。10.根据权利要求4中所述的方法，其特征在于，在所述步骤sb1中：取一小块微流道玻璃材料放置于激光切割机台面，切割头下降距离所述玻璃上表面f，调整所述切割头高度反
复试切直到切缝刚好贯穿所述玻璃下表面，所述切割头下降(d-h)/2的距离；其中所述f为切割头焦距，所述d为切割头焦深，所述h为玻璃厚度，所述d须大于h。11.根据权利要求4中所述的方法，其特征在于，在所述步骤sb2中：将待切割微流道玻璃放置于激光切割机台面，所述玻璃侧边与激光切割机台面侧边平齐；开启真空吸住玻璃。12.根据权利要求4中所述的方法，其特征在于，在所述步骤sb2之前的相关准备工作包括：所述玻璃和激光切割机台面之间垫无尘纸；使用75％(v/v)酒精溶液清洗玻璃表面。13.根据权利要求4中所述的方法，其特征在于，所述步骤sb3包括：打开激光切割机操作软件，按照微流道形状、打孔位置、载玻片外形编辑加工路径或者导入加工路径；加工路径向流道内部偏置d/2，所述d为聚焦光斑直径。14.根据权利要求4中所述的方法，其特征在于，所述步骤sb4包括：在操作软件中设定或者导入加工参数：速度、加速度、激光功率、激光频率；所述加工参数的典型值为速度为60-100mm/s，加速度为1g，激光功率为0-30w，激光频率为50-500khz。15.根据权利要求4中所述的方法，其特征在于，所述步骤sb5包括：启动激光加工，激光切割机沿加工路径实施辐照改性。16.根据权利要求5中所述的方法，其特征在于，在所述步骤sc1中，所述蚀刻液选择不含hf物质的蚀刻液，所述蚀刻液的一种典型特征为koh，kcl或者无氟盐类蚀刻液，所述koh的一种典型浓度为8.3％。17.根据权利要求5中所述的方法，其特征在于，在所述步骤sc2中：所述蚀刻温度设定范围0-100℃，所述蚀刻温度波动范围
±
3℃，所述工艺时间根据玻璃材质和蚀刻液通过试验方式计算获得，其计算方法为t＝d/v，其中所述t为工艺时间，其中d为材质厚度，其中v为试验获得的蚀刻速率。18.根据权利要求5中所述的方法，其特征在于，在所述步骤sc3中：所述震动频率范围30-80khz，在工艺时间结束前3分钟将所述震动频率调整为80khz并保持到工艺时间结束。19.根据权利要求5中所述的方法，其特征在于，所述相关辅助工作包括：经过辐照改性的玻璃完全浸没在蚀刻液内，使用不锈钢支架支撑；使用音叉式浓度计监控蚀刻液浓度，浓度下降15％以上时需补充蚀刻液有效成分；蚀刻完成，微流道结构自动分离，使用去离子水反复冲洗干净；使用气枪吹去水分，置于洁净的不锈钢支架上晾干。20.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于：整个操作过程内需佩戴橡胶手套。21.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，制作微流控芯片方法有两种模式，模式一为制作单个的载玻片、微流道结构、盖板后低温键合再切割外形；模式二为在玻璃上制作上述零件阵列，低温键合后再批量切割外形。

技术总结
本发明提供了一种制作玻璃微流控芯片的方法，包括：第一步：用激光区域选择性辐照改性蚀刻方法制作载玻片；第二步：用激光区域选择性辐照改性蚀刻方法制作微流道结构；第三步：用激光区域选择性辐照改性蚀刻方法制作盖板；第四步：低温键合；第五步：用激光区域选择性辐照改性方法整体切割外形；第六步：机械或手工裂片。本发明的有益效果是：本发明方法中所使用的设备简单、操作方便、无需特殊工作环境，与曝光方法制作微流道结构相比，减少了数个中间环节，大幅缩短了微流控芯片的制作周期，显著降低微流控芯片成本。降低微流控芯片成本。降低微流控芯片成本。


技术研发人员：张立 方艳阳 周建红
受保护的技术使用者：深圳市圭华智能科技有限公司
技术研发日：2023.06.28
技术公布日：2023/10/15