謝凱武，李澤斌，鄧 宇，張 璆，鐘世裕，蔡俊勁，常磊鑫

(廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣東廣州 510006)

熱固性聚合物是典型的用于制造微流控芯片的柔性基材。其中，聚二甲基硅氧烷(PMDS)具有透明度高，機械柔韌性高，生物相容性好，穩(wěn)定性和流動性好等特點，廣泛用于納米機電系統(tǒng)(MEMS)器件、芯片實驗室和微流控等領(lǐng)域[1～4]。

PDMS 表面微納加工技術(shù)主要有離子刻蝕[5]，納米壓印[6]等，這些技術(shù)對環(huán)境有很高的潔凈度要求，而且用于表面圖案化的掩膜或模具的制備也比較復(fù)雜[7]。相比其他表面微納加工技術(shù)，激光加工技術(shù)是利用激光能量密度高的特性，通過光子與材料的相互作用，實現(xiàn)材料的去除與改性，加工過程中材料無污染，刀具無磨損，具有加工速度快，精度高，無需掩膜等優(yōu)勢[8]。在環(huán)境條件下對PDMS 進行激光照射是一種簡單而有效的微加工方法，可以在不改變本體性質(zhì)的情況下激活和功能化表面。飛秒、皮秒和納秒激光技術(shù)都已用于PDMS 的表面加工，Ou 等[9]利用飛秒激光在PDMS 上加工微孔，研究表明表面散色波和激光能量耦合是形成微孔的原因，調(diào)節(jié)激光功率和脈沖延遲可以控制微孔的粗糙度和燒蝕面積。董世運等[10]利用皮秒激光直接加工PDMS 表面制備單向微溝槽、網(wǎng)格微溝槽等不同的結(jié)構(gòu)，研究表明皮秒激光加工PDMS 表面獲得了表面微納結(jié)構(gòu)。

飛秒激光雖為冷加工，但其設(shè)備價格昂貴，相比之下，納秒激光因其制造成本低，加工效果良好，被認(rèn)為是最有前途的加工方法之一。Rong 等[11]利用納秒激光在PDMS 表面制備微孔，研究了脈沖重復(fù)頻率、加工速度和加工次數(shù)對微孔質(zhì)量的影響，獲得了微孔質(zhì)量最佳的工藝參數(shù)，實驗結(jié)果表明，加工了微孔結(jié)構(gòu)的PDMS 能提升其拉伸極限性能。Atanasov 等[12]利用紫外、可見光、近紅外納秒脈沖激光在PDMS 表面加工微陣列結(jié)構(gòu)，研究了加工區(qū)域內(nèi)化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的變化，發(fā)現(xiàn)激光束的質(zhì)量對表面的處理和功能化很重要。Deng 等[13]利用納秒脈沖激光加工PDMS 表面，在其表面制備了微裂紋，研究了激光能量密度和掃描速度對微裂紋形貌的影響，實驗結(jié)果表明，微裂紋沿著激光掃描路徑發(fā)展，激光能量密度和掃描速度能調(diào)控微裂紋的大小和方向。目前，PDMS 因其優(yōu)異性能在微流控領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，微流控芯片的微流道常采用掩膜和模具的方式加工，但是這兩種方法成本較高，而使用激光在PDMS 表面直接制備微流道的方法具有便捷高效的特點。為滿足使用要求，在流道上不可避免會有轉(zhuǎn)向的設(shè)計，而對于利用納秒激光在PDMS表面制備具有轉(zhuǎn)向的微溝槽，尤其是直角轉(zhuǎn)向的微溝槽，并對其表面形貌的表征和幾何形貌成形規(guī)律缺乏研究，且在預(yù)應(yīng)力下激光加工PDMS 表面微溝槽方面，對預(yù)應(yīng)力下的微溝槽形貌表征還暫無相關(guān)研究。

因此，本文利用紫外納秒激光器和應(yīng)力輔助裝置在PDMS 表面加工直角微溝槽，研究了預(yù)應(yīng)力角度和激光掃描速度對制備的直角微溝槽形貌的影響，對直角微溝槽的形貌進行了分析。實驗結(jié)果表明，應(yīng)力輔助可以調(diào)控PDMS 表面微裂紋的走向和微溝槽的形貌。

1 實驗部分

1.1 材料與設(shè)備

聚二甲基硅氧烷：Sylgard 184，美國道康寧公司，由預(yù)聚物(聚二甲基-甲基乙烯基硅氧烷)與交聯(lián)劑(聚二甲基-甲基氫硅氧烷)按10:1 的質(zhì)量比混合均勻而成，脫氣30 min，在60 ℃交聯(lián)固化1 h，得到厚度為1 mm 的PDMS，切成30 mm×30 mm×1 mm 的樣品備用。

實驗所使用的設(shè)備為美國Advanced Optowave生產(chǎn)的FOTIA 355 紫外納秒激光器，波長為355 nm，光斑直徑為20μm，最大重復(fù)頻率為200 kHz，最大輸出功率為6.2 W。其光路系統(tǒng)如Fig.1(a)所示，激光經(jīng)衰減片、反射鏡、掃描振鏡和聚焦鏡聚焦在PDMS 表面，利用計算機控制掃描振鏡實現(xiàn)光斑的快速掃描及二維圖案加工。實驗所使用的應(yīng)力輔助裝置如Fig.1(b)所示。該裝置由步進電機1、導(dǎo)軌2、雙向絲桿(導(dǎo)程為0.8 mm)、夾頭4、載物臺5 及控制驅(qū)動電路6 等組成。PDMS 在拉伸過程中表面會產(chǎn)生波紋變形結(jié)構(gòu)，表面平整性無法達(dá)到加工要求，因此在垂直于拉伸方向上施加一個輔助拉力來消除波紋變形結(jié)構(gòu)。此外，采用一端固定，一端運動的拉伸方式，會導(dǎo)致樣件整體變形不均勻，難以保證拉伸/釋放過程中的受力均勻性。針對上述問題，設(shè)計了一個雙向拉伸裝置，采用雙向絲桿實現(xiàn)雙向同時拉伸，并且雙向絲桿交叉布置，配合相應(yīng)的控制電路實現(xiàn)了X-Y雙方向的同時雙向拉伸/釋放功能。在該裝置中，X方向作為主拉伸方向，為激光加工提供應(yīng)力輔助；Y方向作為輔助拉伸方向，用以消除波紋變形結(jié)構(gòu)，保證表面平整性。

Fig.1 (a) Schematic of experimental apparatus and (b) two-way stretch device

1.2 實驗過程與參數(shù)

激光加工PDMS 的工藝流程如Fig.2 所示。將PDMS 固定在載物臺中心，步進電機驅(qū)動絲桿帶動載物臺運動，完成拉伸動作，為樣件提供預(yù)應(yīng)力。保持拉伸狀態(tài)，激光通過數(shù)值孔徑(NA)為0.25 的聚焦鏡聚焦在PDMS 表面，計算機控制激光的掃描路徑，在樣件表面加工直角微溝槽。激光作用結(jié)束后，保持拉伸狀態(tài)5 min，再緩慢釋放拉力，取下樣件。

Fig.2 Schematic of the process flow

實驗中固定激光重復(fù)頻率50 kHz，脈沖寬度19 ns，該參數(shù)下激光器的輸出功率為6.2 W。脈沖頻率固定下，振鏡的掃描速度直接決定了激光光斑的重疊率。重疊率是指同一直線上相鄰2 個激光光斑的重疊程度。重疊率（Or）的計算公式如式(1)所示

式中：v—掃描速度，mm/s；f—激光脈沖頻率；d—激光光斑直徑。

計算不同掃描速度下的光斑重疊率。改變預(yù)應(yīng)力的角度，預(yù)應(yīng)力的角度定義如Fig.2 所示，拉力與激光初始掃描方向之間的夾角(θ)定義為預(yù)應(yīng)力的角度。調(diào)整激光的掃描速度進行一系列實驗，其參數(shù)條件如Tab.1 所示。

Tab.1 Variables of the experiment

1.3 測試與表征

將樣件放入75%酒精和去離子水中，用超聲清洗儀分別清洗5 min，取出樣件，在室溫自然風(fēng)干。使用激光共聚焦顯微鏡(OLS400，日本奧林巴斯公司)對激光加工后的PDMS 表面微溝槽形貌進行表征，測量直角微溝槽的深度和寬度，同一個參數(shù)下測量8 個不同位置的槽深和槽寬取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 激光掃描速度對直角微溝槽表面形貌的影響

計算機繪制具有90°轉(zhuǎn)角的掃描路徑，在振鏡控制下加工出繪制的圖形。如Fig.3 所示，F(xiàn)ig.3(a～f)分別表示在沒有預(yù)應(yīng)力的前提下，掃描速度為100～600 mm/s 時直角微溝槽的表面形貌，圖中白色粗箭頭代表激光的掃描方向。可以看出，掃描速度對直角微溝槽的形貌有顯著影響。如Fig.3(a)所示，掃描速度為100 mm/s 時，其光斑重疊率最高，為90%，激光在PDMS 上累積的能量最大，微溝槽兩側(cè)材料被激光燒蝕去除。當(dāng)掃描速度增大至200 mm/s 時，如Fig.3(b)所示，直角微溝槽兩側(cè)出現(xiàn)分布不均的微裂紋，如圖中白色細(xì)箭頭所示部位。當(dāng)掃描速度在300～600 mm/s 的范圍內(nèi)時，直角微溝槽兩側(cè)出現(xiàn)分布均勻的微裂紋，如Fig.3(c ～f )中白色細(xì)箭頭所示部位，微裂紋的大小，長度及分布角度均受掃描速度的影響，這與參考文獻[13]的研究結(jié)果一致。定義微溝槽的內(nèi)外側(cè)，如Fig.3(b)所示。當(dāng)掃描速度小于300 mm/s 時，直角微溝槽的內(nèi)外側(cè)形貌差異較大，如Fig.3(b)和Fig.3(c)中白色圓圈所示部位，內(nèi)側(cè)材料燒蝕去除更明顯，這是由于激光光斑在微溝槽的內(nèi)側(cè)作用次數(shù)大于外側(cè)導(dǎo)致的，如Fig.4(a)所示，當(dāng)光斑重疊率為80%(200 mm/s)時，微溝槽內(nèi)側(cè)光斑作用次數(shù)達(dá)7 次，而外側(cè)的光斑作用次數(shù)小于4 次。隨著掃描速度增大，如Fig.4(b)所示，光斑重疊率為50%(500 mm/s)，內(nèi)外側(cè)光斑作用次數(shù)差減小，其形貌差異也逐漸減小，如Fig.3(d～f)所示。

Fig.3 Morphologies under different laser scanning speeds

Fig.4 Schematic of laser effect number under different overlap rates

2.2 預(yù)應(yīng)力作用對直角微溝槽表面形貌的影響

實驗設(shè)置一個固定拉力值，對樣件單邊施加5 mm 的拉伸量，研究分析預(yù)應(yīng)力角度對微溝槽形貌的影響，結(jié)果如Fig.5 所示。以掃描速度300 mm/s 的樣件為例，F(xiàn)ig.5(a)為無拉力下的表面形貌，作為對照，定義轉(zhuǎn)角的進出口處；Fig.5(b ～ f )分別表示0°～90°范圍內(nèi)的表面形貌圖，圖中白色粗箭頭方向代表激光掃描方向；當(dāng)拉力與初始掃描方向平行時，如Fig.5(b)中白色細(xì)箭頭所示，微溝槽兩側(cè)的微裂紋均勻分布且垂直于掃描方向。在轉(zhuǎn)角出口處，拉力夾角由0°轉(zhuǎn)變?yōu)?0°，表面形貌發(fā)生變化，微溝槽兩側(cè)的微裂紋轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫杏趻呙璺较蚍植?，轉(zhuǎn)角外側(cè)微裂紋均勻過渡，而內(nèi)側(cè)因光斑重疊率高，激光能量累積大，主要體現(xiàn)為材料燒蝕去除。當(dāng)拉力與初始掃描方向成一定夾角時，如Fig.5(c ～ e)所示，微裂紋與掃描方向成一定角度分布在微溝槽兩側(cè)。測量進口處微裂紋與掃描路徑之間的夾角，當(dāng)拉力夾角為30°時，微裂紋角度分布在55°～65°之間；當(dāng)拉力夾角為45°時，微裂紋角度分布在45°～55°之間；當(dāng)拉力夾角增大到60°時，微裂紋角度分布在35°～45°之間，由測量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，微裂紋與拉力之間的夾角范圍是85°～105°，其分布大致垂直于拉力的方向。在參考文獻[13]的研究中，影響微裂紋角度的主要因素是熱應(yīng)力。在本文研究中，可以認(rèn)為微裂紋的分布受熱應(yīng)力和拉應(yīng)力的共同作用，其中拉應(yīng)力角度是控制微裂紋走向的主要因素。

Fig.5 Surface morphology at 300 mm/s of different tension angles

初始夾角為30°和60°時，出口處拉力方向會有所變化，其夾角由原來的30°轉(zhuǎn)變?yōu)?0°，由原來的60°轉(zhuǎn)變?yōu)?0°，而初始角度為45°時，拉力方向沒有改變。出口處微裂紋仍然按上述角度分布規(guī)律均勻分布在微溝槽兩側(cè)。轉(zhuǎn)角外側(cè)的微裂紋均勻過渡，內(nèi)側(cè)以燒蝕為主。當(dāng)初始夾角為90°時，微裂紋的分布情況與0°相反，如Fig.5(f)所示。

值得注意的是，當(dāng)拉力與掃描方向存在一定夾角時，受PMDS 變形的影響，微溝槽走向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。本文測量了不同角度和不同激光掃描速度下路徑偏移后的夾角，其變化曲線如Fig.6(a)和Fig.6(b)所示。當(dāng)拉力夾角為30°時，偏轉(zhuǎn)后的夾角范圍在77.39°～80.73°之間，平均值為79.28°。當(dāng)拉力夾角為45°時，夾角范圍在74.57°～78.48°之間，平均值為76.67°。當(dāng)拉力夾角為60°時，夾角范圍在78.27°～80.27°之間，夾角平均值79.36°。從Fig.6(b)中可以看出，激光的掃描速度對路徑偏轉(zhuǎn)量影響很小，影響路徑偏轉(zhuǎn)量的主要因素是預(yù)拉力的角度。

Fig.6 Path offsets of different tension angle(a) and different scanning speed(b)

對路徑偏移夾角進行理論計算，如Fig.7 所示，建立直角坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)角中心位于坐標(biāo)原點。在該坐標(biāo)系下，X1，X2表示拉力釋放后PDMS 在X方向的收縮量，Y方向沿X方向平移，收縮量為0。虛線代表拉伸狀態(tài)下的掃描路徑，實線代表拉力釋放后的實際路徑，α代表拉力與初始掃描方向之間的夾角，其中θ為路徑偏移夾角。PDMS 水平方向上的收縮量為

Fig.7 Schematic of theoretical calculation of the deflection angle

由A，B 的坐標(biāo)及收縮量X1,X2得A',B'的坐標(biāo)，進而得到θ的計算公式如式（4）

將α=30°，45°和60°代入式（4）計算可得θ30°=75.82°，θ45°=73.74°，θ60°=75.82°。

從理論計算結(jié)果可以看出，理論計算值與實際測量值的誤差在3～4°之間，但理論計算結(jié)果的趨勢與實際測量結(jié)果的趨勢(Fig.8(a))基本保持一致，可以認(rèn)為，掃描路徑的偏轉(zhuǎn)是拉應(yīng)力和熱應(yīng)力共同作用的結(jié)果。

2.3 預(yù)應(yīng)力角度對直角微溝槽幾何形貌的影響

激光掃描速度和預(yù)應(yīng)力角度對直角微溝槽槽深槽寬的影響變化規(guī)律如Fig.8 所示。從整體上看，直角微溝槽的深度和寬度隨掃描速度的增大而減小，這是由于掃描速度增大，光斑重疊率降低，激光作用在PDMS 表面的能量減小所致。測量進出口處的槽深槽寬，分析直角微溝槽幾何形貌的一致性。

Fig.8 Groove depth and groove width change with speed graph under different tension angles

從Fig.8(a)可以看出，無拉力情況下，熱應(yīng)力是影響微溝槽形貌的主要因素，直角微溝槽的深度前后一致性較好。當(dāng)拉力夾角為0°時，如Fig.8(b)所示，轉(zhuǎn)角進出口的槽寬槽深差異較大，這是由于出口處激光的掃描方向偏轉(zhuǎn)90°，使得出口處拉力夾角由原來的0°突變?yōu)?0°，在拉力釋放過程中，出口處微溝槽受到垂直于掃描方向的內(nèi)應(yīng)力擠壓作用，使得槽深槽寬明顯小于進口處的槽深槽寬，這種差異在低速度下更為明顯。當(dāng)拉力夾角為30°時，如Fig.8(c)所示，對比Fig.8(b)可以發(fā)現(xiàn)，微溝槽的槽深槽寬前后差異性減小，這是由于出口處的拉力夾角由原來的30°轉(zhuǎn)變?yōu)?0°，作用在平行于掃描方向上的分力由原來的Fcos30°轉(zhuǎn)變?yōu)镕cos60°，作用力突變量較小，因此差異性減小。隨著拉力夾角增大到45°，如Fig.8(d)所示，低掃描速度下的槽深槽寬前后差異性進一步減小。當(dāng)拉力夾角為60°時，如Fig.8(e)所示，微溝槽的槽深槽寬前后一致性最好，可以發(fā)現(xiàn)，拉力角度為30°和60°的情況下，微溝槽的幾何形貌變化并不像微裂紋的走向一樣具有一定的對稱性，這說明微溝槽的幾何形貌受到熱應(yīng)力和拉應(yīng)力的共同作用。當(dāng)夾角增大至90°時，轉(zhuǎn)角前后的差異性出現(xiàn)，與平行條件下的情況相反，微溝槽出口處的槽深槽寬大于進口處的槽深槽寬。從整體上來看，隨著速度增大，槽深槽寬前后的差異逐漸減小。這是由于掃描速度增大，激光累積在PDMS 上的能量減少，材料的去除量也減小。激光在PDMS 表面加工，對PDMS 而言表面完整性受到破壞，PDMS 作為良好的彈性體，彈性模量范圍內(nèi)受力可恢復(fù)形變，在恢復(fù)變形的過程中內(nèi)應(yīng)力會對表面結(jié)構(gòu)形貌產(chǎn)生影響，而材料去除量減小，內(nèi)應(yīng)力的影響效果也隨之減小，因此，在較高的掃描速度(大于300 mm/s)下，槽深槽寬的前后一致性較好。

3 結(jié)論

本文利用紫外納秒(355 nm)激光器，結(jié)合應(yīng)力輔助，在PDMS 表面制備了直角微溝槽，表征和分析了激光掃描速度、預(yù)拉力角度對直角微溝槽的表面形貌及幾何形貌的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，激光掃描速度可以調(diào)控微溝槽的形貌，低速下直角微溝槽的內(nèi)側(cè)燒蝕更為明顯。研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力對微溝槽的形貌影響顯著，通過控制拉力夾角，可以調(diào)控微溝槽兩側(cè)的裂紋走向，轉(zhuǎn)角前后的槽深槽寬和掃描路徑的偏移量，當(dāng)拉力與掃描方向的夾角為60°時，微溝槽的槽深槽寬一致性最好。應(yīng)力輔助調(diào)控表面微裂紋的方法可為PDMS 表面功能化提供思路。