超短脈衝(chong) （USP）激光器加工玻璃速度快、精度高，無需任何化學腐蝕過程。USP激光器尤其適合加工玻璃基材上的金屬結構，以及加工玻璃基材本身，比如，微流道。

圖1：皮秒激光係統加工玻璃基材上微流控圖形

在電子領域，小型化導致對高度集成的微芯片的需求不斷增加，包括玻璃基板。玻璃基板製造商也因此提供了多種厚度、熱性能、超高電阻和優(you) 化的塗層玻璃以應對挑戰。而且，不同玻璃在不同激光照射下的光學性能不同。LPKF ProtoLaser R4超短脈衝(chong) 激光係統對於(yu) 這些加工任務均能輕鬆處理。

1、玻璃表麵薄膜金屬結構的加工

圖2：ProtoLaser R4加工玻璃，切割邊緣精準，且不會(hui) 產(chan) 生任何微裂隙。

玻璃材料表麵先被金屬化，隨後進行加工，按照設計圖形，製作成天線、傳(chuan) 感器或導體(ti) 結構 - 理想情況下，加工過程中完全不會(hui) 損傷(shang) 敏感的玻璃基板。傳(chuan) 統加工工藝複雜，仍需昂貴的塗層、曝光並需要通過濕法蝕刻進行化學腐蝕。圖形的製作需要多個(ge) 連續工藝步驟，並需要購置包括曝光顯影以及化學藥液槽等設備。

ProtoLaser R4 超短脈衝(chong) 激光係統通過調整脈衝(chong) 能量、脈衝(chong) 頻率和加工速度，可精確去除各種厚度的材料，並且不影響任何底層材料。按照設計圖形，激光對材料分步加工，每步都部分去除和進行圖案化，最終輕鬆可靠地創建所需的結構。

設置適當的加工參數可確保冷燒蝕，且不會(hui) 在激光軌道邊緣和玻璃上產(chan) 生熱效應。甚至玻璃基材的光學性能也幾乎保持不變。

圖3：激光加工預鑽孔玻璃上的導電圖形。得益於(yu) 靶標識別係統，激光可以在孔間形成不間斷的導電路徑。

激光加工的第一步，集成的攝像頭自動識別被加工材料上的靶標，根據定義(yi) 的參考點或基於(yu) 軟件的基準點。從(cong) 參考位置開始，將基材放置到真空吸附工作台，超短脈衝(chong) 激光器以 10 μm 的定位精度去除金屬層。圖 3 顯示了預鑽孔玻璃上的金屬層上精準對位的電氣連接，該連接是通過對樣品的精準對準、位置檢測和精確激光燒蝕而創建的。圖 4 展示的是玻璃基材上的電容結構，線寬/間距僅(jin) 為(wei) 15/25 μm。

圖4：50nm厚度的鈦粘合劑將300至400 nm的銅層覆在肖特AF32玻璃基板上，通過PLR4加工金屬層形成電容結構。

2、玻璃上厚金屬鍍層的多個(ge) 操作步驟

對於(yu) 玻璃上的厚金屬鍍層，需要根據精準的厚度進行多次操作。在層厚允許的情況下，高能量激光脈衝(chong) 可以實現快速加工。隨著金屬層變薄，ProtoLaser R4 會(hui) 降低激光能量以保護基材。兩(liang) 個(ge) 階段的加工方式確保了加工時長和加工質量，可與(yu) 薄金屬鍍層相媲美，而且將對玻璃基板的影響降到最低（圖5和6）。

圖5：USP超快激光器加工玻璃上初始厚度160 um的金層剖麵圖

圖6：玻璃上的全息表麵天線

3、玻璃加工：切割、鑽孔、微流道

現在，使用激光刻蝕金屬層是許多實驗室的標準做法。得益於(yu) 超短脈衝(chong) 激光器，Protolaser R4 僅(jin) 需一步，即可直接加工玻璃（圖 7）。切割和鑽孔已經是常規應用，超短脈衝(chong) 激光還可以進行定深加工。

圖7：激光加工玻璃的顯微鏡下畫麵：左下角是未加工的玻璃表麵，淺灰色條帶是切割表麵的微觀側(ce) 視圖。

在物理學中，通過微流體(ti) 研究當微流道狹窄到隻有幾個(ge) 分子直徑時液體(ti) 的力學特性。在化學中，通過微流體(ti) 研究涉及皮升體(ti) 積的化學反應，而在生物學中，通過微流體(ti) 可分離出單個(ge) 細胞，並對其進行生物體(ti) 內(nei) 的化學實驗。其共同之處在於(yu) 均是處理µL、nL或pL範圍內(nei) 的微量液體(ti) 體(ti) 積。微流控電路在亞(ya) 毫米或亞(ya) 微米範圍內(nei) 運行，使芯片實驗室應用成為(wei) 可能，如可穿戴設備、自動葡萄糖監測和快速血液或糞便檢測。

微流控中涉及的材料通常是PDMS, PMMA, COC, LTCC以及玻璃。雖然所有這些材料都可用於(yu) 樣品製作，但玻璃比其他微流控材料有著更明顯的優(you) 勢。傳(chuan) 統工藝包括昂貴的濕法腐蝕，光刻和化學蝕刻，限製了它的使用。如今，超精細的微流體(ti) 通道可以通過ProtoLaser R4超短脈衝(chong) 激光加工，無需任何化學腐蝕工藝，一步成型。

通過研究BF33或Mepax玻璃的微流控設計工藝步驟，展示了從(cong) CAD設計到最終成品玻璃樣品的簡單過程。德國耶拿的肖特BF33是一種高性能硼矽酸鹽玻璃。這款玻璃在可見光、近紅外和紫外波長範圍內(nei) 有著高透明度。其視覺質量和光學清晰度加上其高耐化學性和抗衝(chong) 擊性，使其成為(wei) 包括微流控實驗室應用的理想選擇。

由於(yu) BF33玻璃在低紫外波長下的高光透射率，需要使用短脈衝(chong) 激光器進行處理，在這種情況下，實驗使用了ProtoLaser R4皮秒激光器(波長515 nm)。設計圖形尺寸為(wei) 46mmx10mm，通道寬度為(wei) 150um(圖8)。圖9顯示了不同厚度的肖特BF33玻璃在紫外範圍內(nei) 的透射率，雖然該型號玻璃的透射率很高，但超快脈衝(chong) 的能量可對其進行反複處理。

圖8：微流控的CAD 二維設計圖

圖9：不同厚度的肖特BF33高硼矽玻璃在紫外激光下的透射率

雖然對這種材料的鑽孔和切割均有確定的參數，但定深加工還沒有確認過。在複雜的實驗中，設置了40um定深加工的參數，本次整個(ge) 樣品加工時間為(wei) 31分鍾。

玻璃鑽孔和定深加工應用展示

隨後使用基恩士的激光顯微鏡進行測量，結果顯示深度為(wei) 42 um。經過超聲波清洗，加工過程中產(chan) 生的汙染完全被去除。加工區域的表麵光滑度為(wei) Ra = 0.6 um，這也證明了此加工係統對要求嚴(yan) 苛的微流控應用的適用性（圖 10）。

圖10 ：超聲波清洗後的溝道圖片

通過進一步的測試，包括在肖特Mepax 0.3 mm玻璃上，也證實了該方法的適用性。當然，開窗的蓋板玻璃也可以使用激光進行加工，且不會(hui) 損傷(shang) 任何塗層。

4、多個(ge) 應用，一步成型

從(cong) 設計到完成樣品製作隻需一個(ge) 小時，這在傳(chuan) 統的玻璃加工中是完全不可能的。LPKF ProtoLaser R4不需要多個(ge) 加工步驟，隻需要CAD設計圖紙即可直接用激光加工圖形，大大加快了研發進程，減少了等待時間，無需任何化學蝕刻步驟，並且因為(wei) 其超高的控製精度，在絕大多數情況下都超過傳(chuan) 統工藝的加工品質。