微流控芯片的微细加工新技术

微流控芯片

模塑法 （cast molding）

用光刻和刻蚀的方法先制出阳模 （所需通道部分突起），然后浇注液态的高分子材料。将固化后的高分子材料与阳模剥离就得到具有微通道的芯片。这种制备微芯片的方法称为模塑法。模塑法的关键在于模具和高分子材料的选择，理想的材料应相互之间粘附力小，易于脱模。

微模可由硅材料、玻璃、环氧基SU28负光胶和聚二甲基硅氧烷（PDMS）等制造。

通过光刻可在SU28负光胶上得到高深宽比（20 ： 1）和分辩率高达几微米的图形，经显影烘干后可直接作模具用；用聚二甲基硅氧烷浇注于由硅材料、玻璃等材料制体积的母模上可制得聚二甲基硅氧烷模具。

浇注用的高分子材料应具有低粘度，低固化温度，在重力作用下，可充满模子上的微通道和凹槽等处。可用的材料有两类：固化型聚合物和溶剂挥发型聚合物。固化型聚合物有聚二甲基硅氧烷（硅橡胶）、环氧树脂和聚胺酯等，将它们与固化剂混合，固化变硬后得到微流控芯片；溶剂挥发型聚合物有丙烯酸、橡胶和氟塑料等，通过缓慢地挥发去溶剂而得到芯片。

虽然模塑法限于某些易固化的高分子材料，但该法简便易行，芯片可大批量复制，不需要昂贵的设备，是一个可以制作廉价分析芯片的方法。但此类芯片的微流控行为研究尚少，其实用价值尚待研讨。

软刻蚀（soft lithography）

近来，以哈佛大学Whitesides教授研究组为主的多个研究集体，以自组装单分子层（self-assembled monolayers ， SAMs）、弹性印章（elastomeric stamp）和高聚物模塑（molding of organic polymers） 技术为基础 ，发展了一种新的低成本的微细加工新技术“软刻蚀”。软刻蚀技术的核心是图形转移元件——弹性印章。

其方法有微接触印刷法、毛细微模塑法、转移微模塑法、微复制模塑法等。它不仅可在高聚物等材料上制造复杂的三维微通道，而且可以改变材料表面的化学性质。有可能成为生产低成本的微流控分析芯片的新方法。

制作弹性印章的最佳聚合物是聚二甲基硅氧烷（PDMS）。它表面自由能低（～21.6dyn/cm），化学性质稳定、与其它材料不粘连；与基片正交接触严密，容易取模；柔软，易变形，弹性好，可在曲面上复制微图形。

微接触印刷法（micro-contact printing ，μCP）

微接触印刷法是指用弹性印章结合自组装单分子层技术在平面或曲面基片上印刷图形的技术。自组装单分子层是含有一定官能团的长链分子在合适的基片上自发地排列成规整的结构以求自由能最小。

已确定的自组装单分子层体系有烷基硫醇在金银等造币金属表面和烷基硅氧烷在玻璃、硅、二氧化硅表面等。自组装单分子层的厚度约2～3nm ，改变烷链中亚甲基的数目可在0.1nm的精度范围内改变单分子层的厚度。

通过用光刻等技术先制备有关图形的模具，将PDMS浇注在模具上可制得弹性印章。在印章的表面涂上烷基硫醇墨水，可在金银等金属表面印出微图形。

在此过程中，硫醇分子自动排列成规整的结构以求自由能最小，具有自动愈合缺陷的趋势，可减少印刷缺陷并保证印刷清晰度。印刷后的表面可用化学腐蚀或化学镀层的方法使图形显形。若把印章做得很薄，贴在辊筒表面，成为微印刷辊，能提高印刷的效率及印刷大面积的图形。

微接触印刷法能很方便地控制微通道表面的化学物理性质，在微制造、生物传感器、表面性质的研究上有很大的应用前景。

有机聚合物模塑法（ molding of organic polymers）

有机聚合物模塑法包括毛细管微模塑法（ micro molding in capillaries ， MIMIC）、微转移模塑法（micro transfer molding ，μTM）和复制模塑法（replica molding）等。

在毛细管微模塑法中，弹性印章上的微通道与基片之间构成了贯通的毛细管网络，将高分子预聚物（例如紫外固化的聚脲和热固化的环氧）滴在网络的入口，毛细作用会把预聚体吸入通道网络，固化后可得到与印章上微通道凹凸互补的微结构，MIMIC只能加工通道网络与入口连通的微结构。

微转移模塑法是在弹性印章上的凹槽内填满高分子预聚物，将其扣在基片上，固化后，移去模子，在基片上就印上了高分子材料构成的图形。μTM已用于制作光学波导管。

采用紫外光固化聚氨酯，用μTM 做出微米级的波导管后，在其上浇注一层覆盖层，通过控制紫外光照时间而控制波导管和覆盖层的光学指数差，能控制波导管的光耦合效果，方便、快速。

微复制模塑法是通过在弹性印章上直接浇注聚氨酯等高分子材料得到微结构。此方法可有效地复制尺寸为30nm到几厘米微结构。用氧等离子体处理高分子材料表面使其表面改性，得到的毛细管功能通道可用于电泳分离等方面的研究。

以模塑为基础的软刻蚀具有简单、经济、保真度高等优点，它可用于在聚合物、无机和有机盐、溶胶和凝胶、陶瓷和碳等材料上加工微结构，已用于制备微光栅，聚合物波导管、微电容和微共鸣器等。而光刻只能在光胶这一类聚合物上加工微结构。

热压法（imprinting）

在热压机中加热聚甲基丙烯酸甲酯至135℃，保温条件下放上硅的阳模加压5min，即可在聚甲基丙烯酸甲酯片上压制出微通道。将带通道的基片和有孔洞的盖片加热封接可得微流控分析芯片。此法可大批量复制，设备简单，操作简便。但是所用材料有限，对其性能研究较少，应用价值尚需实验。

激光切蚀法（laser ablation）

用紫外激光使可降解高分子材料曝光 ，把底片上的二维几何图形精确复制下来。调整曝光强度可控制材料的光解深度。用压力吹扫去除降解产物 ，得到带有微通道的基片。它和另一片打好孔洞的盖片热粘合就得到所需的芯片。

这种方法对技术设备要求较高，但步骤简便，而且不需超净环境，精度高。可用于在聚甲基丙烯酸甲酯，聚碳酸酯等可光解高分子材料上加工微通道。

LIGA技术

LIGA技术是由光刻、电铸和塑铸三个环节组成。第一步为同步辐射深度X光爆光，可将掩膜上的图形转移到有几百微米厚的光刻胶上，得到一个与掩膜结构相同，厚度几百微米、最小宽度为几微米的三维立体结构。

电铸可采用电镀的方法。利用光刻胶下面的金属进行电镀，将光刻胶图形上的间隙用金属填充，形成一个与光刻胶图形凹凸互补的金属凹凸版图，将光刻胶及附着的基底材料除掉，就得到铸塑用的金属模具。

通过金属注塑版上的小孔将塑料注入金属模具腔体内，加压硬化后就得到与掩膜结构相同塑料芯片。通常以聚甲基丙烯酸甲酯作为塑铸材料。

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