飞秒激光技术革新微纳制造领域，赋能微型储能、智能传感及片上分析应用

    在微纳尺度材料加工领域，柔性电子、智能传感、片上实验室等前沿技术的迅猛发展，使传统加工方法面临热影响区域过大、加工维度受限、集成难度较高等关键瓶颈。超短脉冲激光中的飞秒激光，凭借其独特的“冷加工”特性与真三维加工能力，成为突破上述瓶颈的核心技术，为先进微器件制造开辟了全新技术路径。

    飞秒激光的核心技术优势源于其极短的脉冲持续时间——处于飞秒量级（1飞秒=10⁻¹⁵秒），远小于材料内部电子-声子的耦合时间（通常为皮秒量级）。这一特性使得激光能量可在材料晶格发生热振动与热量传导前，被电子系统快速吸收并转化为加工动能，进而实现热影响区极小的精准加工，有效保障微器件的高分辨率与加工质量。同时，飞秒激光具备极高的瞬时峰值功率，能够在焦点区域诱导非线性多光子吸收效应，即便对于玻璃、聚合物等传统激光波长下呈透明状态的介电材料，也可在亚微米尺寸的焦点体积内实现精准作用，真正达成三维内部微纳结构的制造。当前，该技术已在微型储能、智能传感、微流控分析等领域展现出显著应用潜力，推动一系列高性能新型微器件的研发与应用。

    突破储能性能瓶颈：3D堆叠微型超级电容器的层叠式制造技术

    微型超级电容器（MSCs）作为柔性电子器件的核心供能单元，传统制造技术多局限于二维平面结构，导致单位面积内活性物质负载量受限，电化学性能难以满足高功率、高容量的应用需求。为解决这一关键问题，研究人员依托飞秒激光的三维内部加工能力，提出“自下而上、逐层构建”的3D堆叠MSCs制造方案，有效突破二维结构的性能局限。

    该制造工艺的核心在于对激光焦点的精准调控，具体流程如下：首先，将飞秒激光焦点定位至聚酰亚胺（PI）板材表面下方80μm处进行扫描，制备底层电极；随后，将焦点上移至表面下方65μm处，完成中间导电层的制备；最终，在材料表面加工顶层电极。通过上述流程，成功制备出内部互联的三层电极结构，总厚度约为140μm。此种3D堆叠设计从两方面实现性能提升：一方面，多孔厚电极结构大幅增加比表面积，同时构建通畅的离子传输通道，显著提升电荷存储与迁移效率；另一方面，PI前驱体中的氮（N）原子在激光碳化过程中原位掺杂至石墨烯骨架，不仅引入赝电容效应，还进一步优化电极的导电性。

    该技术在实用性方面的突出优势在于，可通过激光直写在单一PI基底上集成串并联MSCs阵列——串联模式可提升输出电压，并联模式可增加输出电流，能够灵活适配不同微系统的供能需求，为柔性电子设备的微型化、集成化发展提供可靠的储能解决方案。

    模拟生物味觉机制：柔性“电子舌”传感器阵列的多维度感知技术

    在食品检测、环境监测、生物医疗等领域，对复杂液体中多组分的快速识别与定量分析需求日益迫切。传统化学传感器多针对单一目标设计，难以满足复杂体系中“多组分同时分析”的应用需求。模拟生物味觉机制的“电子舌”系统，通过非特异性传感器阵列的协同作用，可实现对复杂液体的整体模式识别；飞秒激光技术的引入，为柔性“电子舌”的制造与性能优化提供了关键支撑。

    研究团队以柔性PI为基底，采用飞秒激光直接写入技术制备碳电极（CEs），构建“电子舌”的核心传感阵列。该技术的创新点在于通过差异化表面功能化处理，为阵列赋予交叉敏感性：六个传感单元分别经过不同工艺处理，形成涵盖多种响应机制的复合传感体系，具体包括原始碳电极（CE）、镀金碳电极（GCE）、滴涂还原氧化石墨烯的碳电极（rGO-CE）、镀金基底上滴涂rGO的电极（rGO-GCE）、电沉积聚苯胺的碳电极（PANI-CE），以及镀金基底上电沉积PANI的电极（PANI-GCE）。

    当该传感阵列与同一样品接触时，各传感单元因表面特性差异产生独特的电化学响应信号。研究人员采用主成分分析（PCA）对多通道信号进行处理后发现：在PCA得分图中，氯化钠、糖、醋溶液的数据点形成清晰独立的集群，实现对不同分析物的定性识别；同时，随着样品浓度变化，各组数据点呈现明显的线性移动规律，证明该“电子舌”系统具备定量分析能力。此种柔性、高集成度的传感方案，为复杂液体快速检测提供了轻量化、低成本的技术路径。

    实现片上分析集成：微流控SERS芯片的全飞秒激光制造工艺

    表面增强拉曼光谱（SERS）技术凭借10⁶-10⁸倍的信号放大能力，成为分子指纹识别领域的超灵敏分析工具。将SERS基底与微流控芯片集成，可实现液体样品的高效、实时分析，但传统制造工艺需多步跨平台操作，流程复杂且难以保障集成精度。为此，研究人员提出“全飞秒激光加工”方案，实现SERS基底与微流控通道的单片三维集成，显著简化制造流程并提升芯片性能。

    该集成工艺包含三个关键步骤，具体如下：

    1.微流控通道制造：利用飞秒激光在玻璃基板内部进行扫描改性，降低改性区域的化学稳定性，随后通过湿法腐蚀去除改性部分，在玻璃内部形成三维微流体通道，确保液体样品的精准传输；

    2.通道内选择性金属化：将飞秒激光重新聚焦于通道内壁的目标区域，通过激光烧蚀实现表面活化，随后采用化学镀工艺，使Cu-Ag双层金属膜仅在活化区域选择性沉积，避免金属层对非功能区域的干扰；

    3.原位生成SERS纳米结构：以功率30mW、扫描速度1.5mm/s的飞秒激光，再次扫描已沉积的金属膜，通过激光诱导周期性表面结构（LIPSS）机制，原位生成平均宽度200nm、高度250nm的二维纳米点阵列——此类纳米结构是SERS信号增强的核心活性位点。

    性能测试结果显示，该集成芯片对罗丹明6G（R6G）分子的检测极限可达10⁻⁹mol/L，具备超高灵敏度；同时，通过将不同浓度的镉离子（Cd²⁺）溶液依次泵入芯片，成功实现对分析物浓度变化的实时动态监测，验证其在环境污染物在线传感、生物分子痕量检测等领域的应用价值。

    飞秒激光加工引领微纳制造技术的未来发展方向

    从3D堆叠微型超级电容器突破储能性能瓶颈，到柔性“电子舌”拓展传感维度，再到微流控SERS芯片实现片上分析集成，飞秒激光技术凭借其热影响区小、加工精度高、支持多材料三维加工的核心特性，持续推动微器件制造技术的革新进程。其核心价值不仅在于解决传统工艺的技术痛点，更在于通过对激光能量的精准调控，实现“材料改性-结构成型-功能集成”的一体化制造，为微型储能、智能传感、片上实验室等领域提供关键技术支撑。

    未来，随着飞秒激光加工参数的进一步优化、多材料兼容能力的提升，以及与其他微制造技术的融合创新，有望催生功能更集成、性能更优越的光、电、机、液一体化微系统，为柔性电子、物联网、精准医疗等新兴领域的发展注入核心动力。飞秒激光正以“微纳尺度精准加工工具”的定位，持续解锁先进制造领域的新维度，推动微纳制造技术向更高精度、更高集成度、更广泛应用场景迈进。