（分析化学专业论文）玻璃pdms复合芯片微流控气动微阀的研制及性能研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 微流体控制技术是微流控分析( ut a s ) 操作的核心，基于不同微致动 力类型的微致动器应用于微流控分析领域，可构建微阀微泵对微通道内的液 流进行控制。气动致动力是目前在u t a s 中得到应用的致动手段之一，利用 气体压力驱动微阀对微流体进行控制，结构简单，性能可靠，适用范围广， 易于集成化，目前己引起国内外众多业界学者的关注和研究。 本文在近几年来g t a s 领域有关气动微阀及微泵的研究报道基础上，提 出了采用玻璃一p d m s 复合芯片结构的气动微阀制作新方法，并采用紫外光 照处理的方法，实现了玻璃盖片一p d m s 薄膜一p d m s 底片三层间的不可逆 封接，制作了复合芯片气动微阀，通过聚四氟乙烯管完成了微芯片流路与外 接气路、外接液路的可靠连接。 在此基础上，进一步构建了气动微阀微流控实验系统，以v i s u a lb a s i c 语言自编了计算机控制程序，通过计算机并口信号对电磁两位三通气阀的控 制，在外接气路中通过电磁两位三通气阀控制向芯片引入工作气流，实现了 对外气路的有效控制，在外接液路中通过高位瓶引流向芯片引入试剂，并用 c c d 显微摄像动态观测的方法，研究了气动微阀的工作性能。 研究结果表明，采用紫外光照处理封接加工制作的玻璃- - p d m s 复合式 芯片，其封接强度可以满足气动微阀稳定工作的需要：采用复合芯片结构的 气动微阀，既降低了芯片加工难度和成本，其整体刚性强度又得到大大提高， 又加快了气动微阀的响应速度，并增强了芯片与外气路和外流路连接的可靠 性。 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et e c h n i q u eo fm i c r o f l u i d i cc o n t r o li st h em o s ti m p o r t a n tp a r to fut a s d e p e n d e n to nt h ea p p l i c a t i o no f m i c r o d e v i c ew i t hd i f f e r e n tm i c r o p o w e ri np t a s ，m i c r o - v a l v e o rm i c r o p u m pi nc o n t r o lo ft h ed r i v i n go ff l u i di nm i c r oc h a n n e l m a y b ed e s i g n e d p n e u m a t i ci so n eo ft h ec o n t r o lm e t h o d s ，w h i c ha r es u c c e s s f u l l y a p p l i e di nu t a s a tp r e s e n t t h ed e v i c eo f u s i n gg a sp r e s s u r et od r i v em i c r o v a l v e i nc o n t r o lo fm i c r o f l u i di sv e r ys i m p l e ，a n di t sp e r f o r m a n c ei sv e r yc r e d i b l e ，a n d t h er a n g eo fi t sa p p l i c a t i o ni sb r o a d a n di ti se a s yf o ri n t e g r a t i o n t h e r e f o r e ，i t r e s u l t si nal o to fa t t e n t i o na n d i n v e s t i g a t i o nf r o m h o m ea n da b o a r d b a s e do nt h el i t e r a t u r e sa b o u tt h es t u d yo fp n e u m a t i cm i c r o - v a l v ea n dm i c r o - p u m pi n i _ t t a s f o rt h e s ey e a r s ，t h i st h e s i s b r i n g s f o r w a r dan e wp r o j e c to n p r o c e s s i n gp n e u m a t i cm i c r o - v a l v ew i t hg l a s s a n dp d m sc o m p o u n dm i c r o c h i p d e v i c e w i t ht h et e c h n i q u eo ft r e a tw i t hu vi l l u m i n a t i o n ，g l a s sc o v e r , p d m s m e m b r a n ea n dp d m sn e g a t i v ea r es e a l e d u pu n c o n t r a d i c t o r i l y , s o t h a tt h e p n e u m a t i c m i c r o v a l v eo fc o m p o u n dm i c r o c h i pi s d e s i g n e d t h e c o n n e c t i o n b e t w e e nm i c r oc h a n n e l ，e x t e r n a lc o n n e c t e dg a sc h a n n e la n de x t e r n a lc o n n e c t e d l i q u i dc h a n n e l i sd o n e s u c c e s s f u l l yb yp o l y t e t r a f l u o r i n e t h e n ep i p e t h u s ，n e x tt h ee x p e r i m e n ts y s t e mo fp n e u m a t i cm i c r o v a l v ei nc o n t r o l o f m i c r o f l u i d i ci sf o r m e df u r t h e r a c c o r d i n gt os e l f - e d i t e dv i s u a lb a s i cp r o g r a ma s t o o la n dw i t hc o m p u t e rp a r a l l e lp o r tt e l e c o ms i g n a l ，e l e c t r o m a g n e t i s mv a l v ei s c o n t r o l l e d w h e ni n t a k eo fa i r f l o wt om i c r o c h i pt h r o u g he l e c t r o m a g n e t i s mv a l v ei n e x t e m a lc o n n e c t e d g a sc h a n n e l ，a p p l i c a t i o n i nc o n t r o lo ft h e g a sc h a n n e l i s a c h i e v e de f f e c t i v e l y i ne x t e r n a lc o n n e c t e dl i q u i dc h a n n e l ，w i t hi n t a k eo f r e a g e n tt o m i c r o c h i pu n d e rt h ec o n t r o lo f t h ep e r c hf l a s k , a n dc o m b i n i n gw i t ht h ep r o c e s so f o b s e r v a t i o no n - l i n ew i t hc c d m i c r o - c a m e r a ，w o r k i n gp e r f o r m a n c eo fp n e u m a t i c m i c r o v a l v ei si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t so b t a i n e di n d i c a t et h a ta f t e rg l a s sa n dp d m s c o m p o u n dm i c r o c h i p i s p r o c e s s e dw i t ht h et e c h n i q u eo f t r e a tw i t hu v i l l u m i n a t i o n ，t h es e a li n t e n s i o n m a y m e e tt h en e e d si ns t e a d i l yw o r k i n gr a n g eo f p n e u m a t i cm i c r o v a l v e d u et o i v 浙江大学硕士学位论文 t h ep n e u m a t i cm i c r o v a l v ew i t hc o m p o u n dm i c r o c h i pd e v i c e ，t h ed i f f i c u l t yo fc h i p p r o c e s s e da n dc o s t o fs t u f fi sr e d u c e d ，a n di t st h er i g i d i t yi n t e n s i o ni s g r e a t l y e n h a n c e da tt h es a m et i m e b e s i d e s ，t h er e s p o n s er a t eo fp n e u m a t i cm i c r o - v a l v ei s e n o r m o u s l yq u i c k e n e d ，a n dt h ec r e d i b i l i t yo fc o n n e c t i o nb e t w e e nm i c r o c h i pa n d e x t e m a lc o n n e c t e dc h a n n e l si si n c r e a s e d v 晰恤土学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 微流控分析系统( 邮1 a s ) 简介 2 l 世纪的科技发展面临着众多挑战，而分析仪器与分析科学也在经历着深 刻的变革，其中一个明显的发展趋势就是化学分析设备的微型化、集成化与便携 化。1 9 9 0 年，瑞士化学家m a n z 和w i d m e r t l 首先提出了“微型全化学分析系统 ( m i n i a t u r i z e dt o t a lc h e m i c a la n a l y s i ss y s t e m ，g t a s ) ”的概念，目的是通过化学分 析设备的微缩，最大限度地把采样、稀释、加试剂、混合、反应、分离、检测分 析等实验室的功能转移到便携的分析设备中，甚至集成到平方厘米级的芯片上， 因此目前也被人们称之为芯片上的实验室1 ( l a b o n c l i d ) 。 g t a s 不仅仅只是带来分析设备尺寸上的变化，在分析性能上也带来了诸多 优点，表现在： ( 1 ) 分析的高效率，许多微流控芯片可以在数秒到数十秒的时间内自动完 成测定、分离及其它复杂操作。分析及分离的速度高于相对应的宏观方法一至二 个数量级。 ( 2 ) 试剂消耗低，目前已降低到数微升水平，随着技术的提高有可能会进 一步减少。 ( 3 ) 分析部件易集成，并可在此基础上制成功能齐全的便携式仪器。 ( 4 ) 加工芯片的原材料消耗少，成本低。 g t a s 是一个高度学科交叉的领域，它既依赖于许多分析技术的发展 4 t ，又 始终以微加工技术为依托1 5 】i 同时还需要应用对象( 以生命科学为主) 的发展与 融入6 ”。除此以外，材料、电子、流体力学、光学仪器、计算机等科学领域的 发展与介入也是g t a s 取得不断进展的必要条件。 浙讧土学嘎士学位话文 1 2 以a s 系统中微阀的工作原理及应用 1 。2 1不同致动力类型的微阀工作原理简介 p t a s 在结构上的主要特征是各种构型的微通道网络，通过对通道内流体的 控制，完成在微芯片上分离分析的功能。p t a s 操作的核心是微流体的控制技术， 通过不同的方法实现对微通道网络内流体的控制，完成分析过程的各项操作。微 通道内微流体的驱动技术是实现微流体控制的前提。目前，基于不同驱动原理上 的微流控新方法层出不穷，相关的研究非常活跃，涉及的学科范围也很广。理想 的微流体控制技术，应可以实现包括试样引入、前处理直至分离分析的全部操作 过程，在这些过程中，各种泵、阀往往扮演了非常重要的角色。 在微流控芯片系统上构造微泵微阀，依据其工作原理，有多种不同的微致动 器类型。不同类型的微致动器采用常规加工以后，用m e m s 技术集成到微芯片 上，通过机械部件的运动( 位移或形变) 构成微机械泵或微机械阀，达到驱动和 控制微通道内液流的目的。 目前，基于相应致动力类型的常见微致动器【8 】有：压电( p i e z o e l e c t r i c ) 致动 器【9 , 1 0 、电磁致动器【1 1 , 1 2 1 、静电致动器1 13 1 、气动( p n e u m a t i c ) 致动器【1 4 l 、热气动 致动器( t h e r m o p n e u m a t i c ) 、形状记忆合金致动器和双金属致动器等，如图 1 1 所示。 “勰秽 b l 嚣羹券“瞿嚣器 e ) 电硅跫劫嚣 t 蛀 ) 酶粕禽压制褊肇战- ( 0 一屯致站-( e ) 气动噩动嚣- ) 双金属斌动嚣 囝记忆古叠寰曲嚣 图i 1 不同类型微致动器的结构示意图 嘞脚守 眵鸦 晰江土学_ 璜士学证论文 不同的致动力类型，其致动器的结构、活动部件和致动元件的组成、致动性 能均有很大不同，因此在性能上也有较大差异，表1 1 列出了常用的几种微致动 器及其性能比较。 多数致动力类型在i t t a s 出现前就已应用于传统驱动泵及控制阀中，有些也 已实现微型化。致动器本身进一步的微型化以及实现微阀的集成化加工将是今后 发展的重点方向。 表1 1 常见的微致动器的性能比较 微阀是在流动通道内起控制性限流作用的器件。依照微阀操作的功能，目前 主要分为单向阀和切换阀两类。单向阀阀型简单，只有两种状态，用于通道的开 启和封闭；切换阀则可用于多通道的选择。在g t a s 领域，基于前文所述的不同 微致动器原理而加工的微型阀已得到广泛的应用。利用致动器产生的致动力实现 阀的开启和切换，既可用于单向阀，也可用于切换阀的制作。这一类微型阀致动 动作切实可靠，致动力较强，阀的密闭性也较好，结构上主要由致动器和阀腔组 成。在设计阀的过程中，首先要使产生的致动压力能保证阀的密闭性，其次是在 压力撤除以后，能保证阀内通道重新开启或重新封闭。 图1 2 所示为e s a s h i 等i l7 j 报道的压电致动微三通阀的结构。致动器采用压电 层叠结构，阀膜为双环形隔膜，采用镍基阀座增加了微阀的密封性。当压电致动 晰讧土| 孽礓士学位论文 器上未施加电压时，进口1 至出口间通道开启，进口2 至出口间通道封闭；当向 压电致动器施加电压后，致动器向下运动，压追活动部件中心部分向下，封闭进 口1 ，而使进口2 至出口间通道开启。 嚣删器彘啭驸唏辩 图1 2 压电致动微三通阀 图1 3 电磁单向阀 m 扑出! 1 9 9 5 年，l o c h e l 等i l8 】研制出一种电磁单向阀应用于微分析系统( 如图1 3 ) 。 阀的活动部件为采用电镀法沉积镍铁合金制得的方形薄膜( 2 m m x 2 m m ) ，薄膜 中间夹有铁磁性材料，用以增大阀膜的形变。薄膜的四周固定于单晶硅基片上。 当阀关闭时，由外线圈产生电磁场，吸引磁性合金阀膜向上发生形变，阀座贴合， 从而使流动通道封闭。 图1 4 所示是热气动致动单向阀，它是由z d e b l i c k 掣哼】于1 9 9 4 年设计研究 的。阀膜由单晶硅微加工制成，与玻璃芯片上片构成密闭加热室，其上壁固定薄 膜电阻加热器，内充氯代甲烷气液混和物。玻璃芯片下片加工有流动通道及密封 用阀台。微阀为常开阀，工作时加热器加热气体，气室体积膨胀，阀膜向下发生 街讧土学日士学位论文 形变，与阀台贴合从而封闭流动通道。停止加热后，阀膜恢复原形，通道重新开 启。微阀致动的响应时间由容器的热容和加热电阻单位时间内所产生的热量决 定；阀恢复到关闭状态的时间( 张弛时间) 则由容器向外界散热的速度决定。阀 膜形变的压力和响应时间可通过改变加热室内的气液组成进行调整。 图1 4 热气动致动单向阀 ( a ) 开启状态；( b ) 关闭状态 双金属层致动微阀【l6 l 与热气动单向阀类似，其微阀活动部件的核心部分是 由两种金属材料制成叠层结构。致动原理是利用两种金属材料热膨胀性质的差 别，产生阀活动部件的形变完成阀的开闭。有多种金属材料的组合可用于制作双 金属层致动器，但最常见的是由硅和铝构成的双金属层结构( 图1 5 ) 。微阀的阀 膜在金属铝层和硅薄膜间安置加热电阻。该阀为常闭阀，未加致动时阀呈关闭状 态，当电阻通电加热时，两金属层受热膨胀，因各自膨胀系数的不同，使常闭阀 活动部件上移，完成阀的开启。 忤启 图1 5 双金属层致动微阀 淅讧土学啧士学位论文 非机械阀是是一类特色的微阀。阀中不含有活动的机械部件，通常通过构型 的设计、通道内物体形态的变化或通道表面性质的改变来实现阀的功能。常见的 类型有冻融阀和无活动部件阀等。 冻融阀【2 0 l 又称微电热流体阀。它的基本原理是：利用流动通道内的一小段 流体( 流体塞) 的冷冻( 固化) 和融化( 液化) ，实现微阀对通道的封闭和开启。 如图1 6 所示。此类阀的主要优点是以流动通道作为阀腔，没有死体积，系统中 也没有任何活动部件。实现阀的操作方法是：利用由压缩二氧化碳钢瓶喷口喷出 的气液混和物( - - 6 5 c ) 冷却通道内的局部流体成冰塞，封闭通道；以电加热方 法加热冰塞成液体，恢复通道的畅通。此类微阀曾被用于电渗驱动的系统中，结 果显示，当绝缘的冰塞形成后，可立即阻断电渗流驱动的液流。然而，将此类阀 应用于芯片系统中，则需研制与芯片相容的微型冷却和加热装置，因此，响应时 间较长一直是无法克服的难关。 图1 6 冰融阀 突破阀是一类特殊的基于毛细管力作用的无活动部件微控制阀。d u f f y 等t 2 1 】 于1 9 9 9 年首先报道了用离一t l , 力驱动液流的p d m s 被动突破阀的设计，工作原理 示意图如图1 7 所示。当芯片处于低转速时，液流流过微通道，由于通道表面的 憎水性，当液流流至通道与微腔的交界口处时因表面张力作用而停止于通道内径 发生突变处。当提高芯片转速，离心力逐渐增加直至超过一定阈值时，液流就会 突破表面张力的作用进入微腔。这一阈值所对应的芯片转速被称之为“突破”频 率。 晰讧土学匾士学位论文 享二士一撇 图1 7 突破阀工作原理示意图 为芯片旋转角频率( 速度) ：o 为突破频率 除此以外，还有一类阀无需外来的致动力，仅利用流体本身参数的变化( 如 流动方向、流动压力等) 即可实现阀状态的改变，通常称之为被动阀。这一类阀 体积可大幅度下降至与芯片匹配的程度，相应的加工与集成化难度也有所降低， 在微流体的控制中，主要用作单向阀控制液体在通道中的流向。在往复式微泵系 统中，利用两个单向阀的单向限流作用，配合致动器实现液流的单向连续流动。 单向阀的一个重要要求就是在反向施压时阀的渗透量要小，即阀的正向反向流 速比要大。此外，衡量单向阀性能的参数还有响应时间，即微阀从“开”到“关” 或从“关”到“开”中间的转换时间。此类阀的共同特点是采用微加工的方法加 工各种形状的弹性阀膜。当受到正向流体压力时，阀膜的形变导致通道的开启； 当受到反向流体压力时，阀膜的形变导致通道的封闭，几种典型的此类微阀2 2 】 结构如图1 8 所示。 晰江土学硕士学位论文 塑氮医盛 正互z 互芏夏盈瞄因盈雹峦墨墨 眦 正向 l 们m x l m m h _ 叫 畸环弗由糕问 n 逆向 嘲酗 即n 正向 递懈 c b ) 最特船截陶 i ! ：! ! 唑 q d 陷自b 印 正问 1 u m 1 1 扣) 网盘形 ，i 盥向 啪踟 l ，i 正向 j m 1 0 m ( 由v 形微问 藏| 撒嘲 邀向 彘d 凸 船 正向 o 嚣浮活塞徽辩 n p 逆向 图1 8 典型单向被动阀结构示意图 8 窄紫 晰讧土学嘎士学位论文 1 2 2 微泵工作原理简介 在u 1 1 a s 系统中，将多个微阀集成化构成微机械泵，可用于微流体的液流驱 动，扩展了微致动器的应用范围。 目前，多种致动力类型的微阀已成功的集成化构成微泵应用于g t a s 领域。 往复泵是最常见的一类微机械泵，其组成包括以下部分：一个具有出入通道的微 体积泵腔，两通道上分别设置两控制流向的单向阀，泵腔的内壁由往复运动的泵 膜组成，如图1 9 所示。致动器产生的致动力作用于泵膜，使其发生形变或位移， 以驱动泵腔内的流体。其基本工作模式是由致动力的循环往复变化，产生泵膜的 往复运动，配合两单向阀的限流作用，形成单向连续流动的液流。 流体流入 截机槭住复蕞 图1 9 微机械往复泵组成示意图 流体梳出 1 9 8 8 年，v a nl i n t e l 等 2 3 】将基于图1 2 的压电致动微阀集成形成压电式微加 工泵，结构如图1 1 0 所示。泵的整体结构为玻璃与单晶硅的多层结构，致动的 压电部件为圆盘形，两个单向阀为悬臂梁型被动阀，采用阳极键合法实现单晶硅 片与玻璃的封接加工。具体的操作过程是：泵液时，施加电压于压电隔膜，使其 产生向下方的形变，造成泵腔内压升高，此时进口阀受来自泵腔内的压力丽关闭， 出口阀受泵腔内的压力而开启，泵腔内液体经出口阀被泵出；吸液时，撤出施加 电压，压电隔膜弹性回缩，泵腔内压降低，此时进口阀受外界向泵腔内的压力而 开启，导致外液流经进口阀被吸入泵腔，出口阀则因受向泵腔内的压力而关闭。 循环改变旖加电压，可使以上单元过程循环进行，即产生隔膜的往复振动，获得 连续的液流。 晰讧土学碛士学位论文 图1 1 0 压电致动微泵结构示意图 v a n d e n b e r g 等【2 4 】基于图1 4 热气动单向阀的工作原理，集成化加工了热气 动微泵。结构如图1 1 1 所示。微泵由一个充满空气的气室、一个薄膜加热电阻 组成，气室与外界以一微通道相连以进行气体交换，薄膜加热电阻安置在气室中 间。泵液时，加热使气室中的气体膨胀，致使位于其下方的弹性泵膜发生向下方 的形变，压迫贮存在泵腔内的液体，此时，阀l 关闭，阀2 开启，液体被通过阀 2 推出泵腔外；吸液时，自然冷却，气室中热气体自然冷却收缩，弹性泵膜恢复 原状，在泵腔内产生负压，此时，阀2 关闭，阀1 开启，外界液体被从泵1 吸 入泵腔。上述过程周期性循环进行，即可形成沿同一方向连续流动的液流。 图1 1 1 热气动微泵示意图 在国内，关于g t a s 微致动泵的研究相对比较缺乏。白兰等【2 5 最近报道了一 类p d m s 薄膜电磁微泵( 如图1 1 2 所示) 的加工及研究。设计制作的电磁微泵 主要由三部分组成：p d m s 构成的弹性泵膜，钕铁硼永磁薄块以及下部的平面线 圈。当在平面线圈中通八方波形式的交变电流时，该线圈会产生交变磁场，钕铁 硼永磁薄块形成的磁场与交变磁场相互作用，带动p d m s 薄膜往复运动，从而 引起泵腔体积的变化，进而控制微量流体的进出。泵膜每个运动周期微量流体进 晰江土学嘎士学佳论文 出的多少可以通过感应强度b 和电流i 来控制。这一类电磁微泵驱动力大，制作 工艺简单，使用寿命长，生化兼容性好，在生物医学徽流控系统中有非常好的应 用前景。 磁 场 方 向 图1 1 2p d m s 薄膜电磁微泵结构示意图 除此之外，基于气动【1 4 l 、静电 2 6 1 以及电化学2 7 1 致动原理，集成微阀构成的 相应类型微泵在u 1 a s 领域目前均已得到成功的应用。机械微驱动体系的研究且 正处于不断的扩展及完善过程中。 三 错江土学短士学往论文 1 3 微阀微泵中的常用材料p d m s 1 3 1 微流控分析芯片材料及p d m s 应用简介 用于制作微流控分析芯片的材料有单晶硅、无定形硅、玻璃、石英、金属和 有机聚合物等捌。其中玻璃与石英由于具有很好的电渗性质和光学性质，以及 在湿润能力、表面吸附、表面反应性上决定其易于进行表面改性而显示出特殊的 优势，如今已成为微芯片加工材料的主流。随着光刻和蚀刻技术的不断成熟与完 善，玻璃与石英材料在l a t a s 芯片加工上的应用将越来越广。 硅材料最先被应用于微流控分析芯片的制作，但因其易碎、价格高、透光和 绝缘性能差且表面化学行为复杂，应用上受到了很大的跟制。然而，由于它良好 的光洁度和成熟的加工工艺，在加工微泵、微阀等液流驱动和控制元器件上仍然 无可替代。 高分子材料具有种类多、可供选择的余地大、加工成型方便、价格便宜等优 点，非常适合于大批量制作一次性微流控芯片【2 9 j 。高分子聚合物主要有三类： 热塑性聚合物、固化型聚合物、溶剂挥发型聚合物，目前在微流控领域，三类高 分子聚合物微芯片的加工应用都已受到研究人员极大的关注。 聚二甲基硅氧烷( p d m s ，p o l y d i m e t h ) r l s i l o x a n e ) 是一类固化型聚合物，与固 化剂混合，经过一段时间固化变硬后得到微流控芯片 3 0 , 3 1 1 。近年来，p d m s 基材 的微芯片在ut a s 领域中得到了广泛的应用，已成为微芯片加工采用的主要基体 材料之一，因此越来越受到业界人士的关注。 p d m s 也称为硅酮弹性体或硅橡胶，高弹性是其区别于其它类型芯片的最显 著特征。除此之外，它还有以下特点： ( 1 ) 能可逆和重复变形而不发生永久性破坏 ( 2 ) 能用模塑法高保真地复制微流控芯片 ( 3 ) 能透过3 0 0 r i m 以上的紫外和可见光 ( 4 ) 耐用且有一定的化学惰性 ( 5 ) 无毒价廉 p d m s 除了可以加工芯片在g t a s 中得到应用以外，其高弹性，高韧性的特 征目前也已被广泛利用于微流体控制器件的加工上。传统的硅基底虽然加工技术 晰汪土学嘎士学位话文 比较成熟，但机械特性不够优良，由于硅的弹性模量比较高，加工制作的泵膜在 竖直方向上的位移受到了严重的限制，且寿命短而成本高。将p d m s 加工的薄 膜用作泵膜，机械性能优良，弹性模量低( 7 5 0 k p a ) ，在竖直方向上也允许达到 很大的位移，无色透明且光学特性好，非常适合在ut a s 中作为微流体的控制器 件。2 0 0 0 年，u n g e r 等“1 最早把p d m s 薄膜使用到气动微阀及蠕动型气动微泵 的加工中，实现了理想的微流体控制的效果( 后文详细介绍) 。图1 1 2 中采用的 p d m s 薄膜也是充分利用了这一特征。 p d m s 材料的强疏水性是其应用于微阀微泵加工制作的另一重要特征。图 1 7 中的突破阀就是离心力与疏水性的p d m s 通道产生的表面张力共同作用的 结果。 1 3 2p d m s 微芯片加工工艺简介 p d m s 材料易固化，易脱模，因此非常适合用模塑法【3 2 1 加工微芯片。在d u f f y 等1 2 9 1 报道的文献中，详细的介绍了一套p d m s 微流控芯片的软光刻模塑法加工 流程，如图1 1 3 所示： af a b n t em a s t e r b yr a p i dp r o t o t y p i n g 习 a b e t p | n l a 。c e m p 。o 。s 。t s 幛t o j 么虱 dr e m o v e pdmsrepl。from m a s t e r l f 流程 铲觥 雯 二， 忱僦 唧 图 晰江土学匾士学位论文 1 用c a d 制图程序设计微通道构型并制作掩膜，通过高速凸版光刻技术 在敷有光胶的硅片上制得带有凸出通道构型的模具。 2 将几小段玻璃柱垂直放置在硅片上各微通道端口处储液槽的位置上，玻 璃柱的长度、直径与所需芯片的厚度、液槽孔径一致。 3 将与固化剂混和的p d m s 均匀浇注于处理好的硅片上，在6 5 。c 下加热固 化1 h 。 4 从硅片上剥离整片已固化的p d m s ，出去玻璃柱，得到带有均匀凹陷通 道，通道端口垂直贯穿的p d m s 微芯片的基片。 5 在制各好的p d m s 基片的通道面覆盖以另一片大小一致的平整p d m s 盖 片，然后用等离子体放电处理一分钟，目的是完成两片p d m s 的永久封 合，形成封接可靠的p d m s 微流控芯片。 芯片通道的宽度通过c a d 程序设计控制，最小可达到2 0 t m ，通道深度取 决于光胶( 通常使用的是s u 8 负光胶) 厚度，通过匀胶机的转速和时间来控制 3 3 , 3 4 。用模塑法加工p d m s 微芯片，优点主要表现在以下几个方面：用c a d 制 图程序设计芯片的通道网络，准确快速；芯片原料便宜，加工损耗小；与玻璃和 硅芯片相比，需要的微加工技术要求相对较低：芯片的封接简单快速；制得的 p d m s 芯片耐用性强，不易损坏。 早在1 9 6 9 年，d e l m a n 等口5 】就发现通过紫外光照射高分子材料表面可以改善 其浸润性和粘接力。孟菲等1 3 6 1 将这套技术成功应用到p d m s 微流控芯片的加工 过程，从实验结果中可以看出( 如图1 1 4 ) ，同批制备的p d m s 芯片经3 h 的光 照和3 6 h 的静置片基合拢，可替代等离子体表面处理完成p d m s 芯片的永久性 封合。图1 1 5 的红外光谱图说明了实现永久性封合的机理：由于紫外光照处理 后在3 3 1 5 e r a - 1 处出现了较强的羟基特征宽吸收峰，且2 9 6 3 c m - 1 处的与s i 原子 相连的甲基上的c - h 键伸缩振动峰和1 2 5 9 c m - 1 的该甲基c h 键弯曲振动峰明显 减弱，推测出紫外光照处理使p d m s 芯片表面的部分- - o s i ( c h 3 ) 2 0 一基团转 化为1 0 4 s i ( o h ) 4 一。一基团。硅羟基的增加不仅使p d m s 芯片的亲水性得以改 善，电渗流增大，同时片基表面的活性硅羟基可能由于紧密接触而发生缩合反应 致使片基间发生永久性封合。采用紫外光处理，设备要求低，操作简易，更适宜 普通实验室采用。 4 晰江土学礓士学佳语文 图1 1 4 紫外光照处理与片基静置时间对p d m s 芯片间粘接强度的影响 图1 1 5 紫外光照处理前后p d m s 片基的红外谱图对比 ( a )为紫外光照处理前：( b ) 为紫外光照处理后 国内的金鹏等p7 j 于2 0 0 1 年首先报道了关于p d m s 微小流路微加工技术的研 究进展。采用的整套加工技术与d a f f y 的报道类似，建立在深层刻蚀工艺和微复 制工艺的基础上。加工过程如图1 1 6 所示。 首先，在硅基片上旋涂一层8 1 0 p x n 厚的h p r 一1 1 8 3 光刻胶，在经过1 1 0 4 c ， 4 分钟的坚膜之后，进行紫外曝光，然后使用m i f 显影液进行显影。经过显影后 的石英基片，放入s p m 2 0 0 工作室内，进行电感耦合等离子体( i c p ) 高深宽比 深刻蚀。刻蚀时间为1 1 0 分钟，刻蚀深度约为1 4 0 9 m 。然后将i c p 刻蚀后的硅基 片进行清洗，以除去表面残留的光刻胶。再以次硅片为模具，采用注射成型的微 复制工艺，进行p d m s 微小开放流路的大规模加工。经加工后材料的密封特性 和光学特性均满足了实验的需要。 p d m s 芯片在应用性上主要有两点不足，表现在： 晰江土学曩士学位论文 1 用模塑法制得的p d m s 芯片，通道表面的粗糙程度相对硅芯片要高，在 某些实验条件下对结果的影响比较大，而且至今还没有研究出非常有效 的改进方法。 2 由于p d m s 芯片由两层p d m s 不可逆封接形成，制备好的芯片无法拆 除清洗，在实验完毕后需要用n a o h ，水和缓冲液轮流冲洗通道，过程 比较繁琐。因此，p d m s 更适合作为一次性芯片使用。 亡：互： “光刻肢 些锹 广i 。_ j 暑i 。_ 1 匕点墨型 二= 至卫当 e 至匹j k _ _ = ，r a 瓯m s = 一j 错讧土学鱼士学位论文 参考文献： 1 m a n z a ，g r a b e r n ，w i d m e r h m s e n s a c t u a t o r s b 1 9 9 0 ，b i ：2 4 4 2 f a n gz h a n l u n ( 方肇伦) u n i v e r s i t yc h e m i s t r y 2 0 0 1 ，1 6 ( 2 ) ：1 3 x u y i ( 徐溢) ，e i j k e l j a nct m a n za c h e m j c h i n e s eu n i v e r s i t i e s 2 0 0 0 ，2 l ( 7 ) ：1 0 2 8 4 m a n za ，f i t t i n g e rjc ，v e r p o o r t eem j ，l u d ih ，w i d m e rhm ，h a r r i s o nd j t r e n d s a n a lc h e m 1 9 9 1 1 0 ：1 4 4 5 k i m e ，x i ay ，w h i t e s i d e sgm n a t u r e 1 9 9 5 ，3 7 6 ：5 8 1 6 w o o l l e y at m a t h i e sr a a n a l c h e m ，1 9 9 5 ，6 7 ：3 6 7 6 7 w o o l l e yat ，h a d l e yd ，l a n d r ep ，d em e l l oaj ，m a t h i e sra ，n o r t h r u pm a a n a l c h e m 1 9 9 6 ，6 8 ：4 0 8 1 8 s h o j i s m i c r o s y s t e mt e c h n o l o g y i n c h e m i s t r y a n d l i f e s c i e n c e b e r l i n ：s p r i n g e r ，1 9 9 9 1 6 3 9 s m i t h sjgs e n sa c t u a t o r sa 19 9 0 2 1 - 2 3 ：2 0 3 1 0 v a nl i n t e lhtgv a nd ep o lfc m ，b o u w s t r as s e n s a c t u a t o r s1 9 8 8 ，1 5 ：1 5 3 1 1 j a n gj ，l e ess s e n s a c t u a t o r sa 2 0 0 0 ，8 0 ：8 4 12 l e m o f f av ，l e eaps e n s a c t u a t o r s 且2 0 0 0 ，6 3 ：17 8 1 3 z e n g e r l er ，r i c h t e r a ，s a n d m a i e rh ，p r o cm e m s 9 2 1 9 9 0 1 9 1 4 u n g e rm a ，c h o u h p ，t h o r s e nt ，s c h e r e r a ，q u a k esr s c i e n c e2 0 0 0 ，2 8 8 ：1 3 3 1 5 h a n d i q u ek ，b u r k e d t ，m a s t r a n g e l och ，b u m sm a x h a l c h e m 2 0 0 1 ，7 3 ：1 8 3 1 1 6 b a r t hpw d i g t r a n s d u c e r 9 5 1 9 9 5 v 2 ：2 7 6 1 7 e s a s h im s e n sa c t u a t o r a 1 9 9 0 2 1 - 2 3 ：1 6 1 18 l o c h e lb ，m a e i o s s e ka ，q u e n z e rh j ，w a n g e rb ，e n g e l m a n ng s e n s a c t u a t o ra 1 9 9 5 ，4 6 ：2 18 19 z d e b l i c km j ，a n d e r s o nr ，j a n k o w s k ij ，k l i n e s c h o d e rb ，c h r i s t e ll ，m i l e sr ， w e b e rw t e c h d i g e s to f s o l i d - s t a t es e n s a c t u a t o r sw o r k s h o p19 9 4 2 5 1 2 0 t a nh ，y e u n ge s ，a n a t c h e m 1 9 9 8 ，7 0 ：4 0 4 4 2 1 ，d u 田dc ，g i l l i s hl ，l i n j ，s h e p p a r dnf k e l l o g ggj a n a lc h e m 1 9 9 9 ，7 1 ：4 6 6 9 2 2 s h o j is ，e s a s h imj m i c r o m e c h m i c r o e n g 1 9 9 4 4 ：l5 7 i7 晰汪土学厦士学位论文 2 3 v a nl i n t e lht gv a nd ep o lfcm ，b o u w s t r as s e r e a c t u a t o r s 1 9 8 8 ，1 5 ：t 5 3 2 4 v a nd e nb e r ga ，l a m m e r i n ktsj ，m i c r o s y s t e mt e c h n o f d g yi nc h e m i s t r ya n dl 塘 s c i e n c e ，b e r l i n ：s p r i n g e r ，1 9 9 9 ，2 2 2 5 ，b a il a n ( 白兰) ，w uh u i ( 吴辉) ，z h a n gp i n g ( 张平) ，w a n gs h u r o n g ( 3 e 淑荣) m i c r o f a b r i c a t i o nr c h n o l o 斟i 微细抽i 技雨2 0 0 3 ，6 ( 2 ) ：5 4 2 6 z e n g e f l er ，r i c h t e ra ，s a n d m a i e r h p r o cm e m s 9 2 19 9 0 19 2 7 n ij ，z h o n gcj ，c o l d i r o nsj ，p o r t e r md a n a l c h e m 2 0 0 1 ，7 3 ：1 0 3 2 8 q i nd ，x i ayr o g e r s ja ，j a c k m a nr j ，z h a oxm ，w h i t e s i d e sgm m i c r o s y s t e m t e c h n o l o g y i n c h e m i s t r y a n d l i f e s c i e n c e e d s m a n z a ，b e c k e r h s p r i n g e r , b e r l i n ，1 9 9 9 2 9 s o p e rsa ，f o r dsm ，q is ，m c c a r l e yrl ，k e l l yk ，m u r p h ym c a n a lc h e m 2 0 0 0 ，7 2 ：6 4 3 a 3 0 d u l l ydc ，m c d o n a l djc ，s c h u e l l e roja ，w h i t e s i d e sgm a n a l c h e m 19 9 8 ，7 0 ：4 9 7 4 3 1 e f f e n h a u s e rc s ，b r u i n0 jm ，p a u l u s a ，e h r a t m a n a l c h e m 1 9 9 7 ，6 9 ：3 4 5 1 3 2 c h i a n gy m ，b a c h m a nm ，c h uc ，l ig ps p i e1 9 9 9 ，3 8 7 7 ：3