（机械电子工程专业论文）复杂结构聚合物微流控芯片制作工艺研究.pdf

大连理工人学硕十学位论文 摘要 微流控芯片是微型全分析系统重要组成部分和重点发展的方向，聚合物微流控芯片 以其品种多、成本低、易于加工等特点已成为目前微流控芯片制作采用的主要材料，产 业化前景十分广阔。本文在分析聚合物热压基本原理的基础上重点研究了两种具有复杂 结构聚合物微流控芯片的制作工艺。 研究了微通道内带有微柱结构的聚合物微流控芯片的制作。基于传统的光刻刻蚀工 艺制作了硅模具，并利用此模具在r y j 1 型热压机上进行热压实验。该芯片热压的难点 在于聚合物对凹模结构的填充，本文在分析热压实验数据的基础上探讨了聚甲基丙烯酸 i 隅( p m m a ) 在微细凹模结构中的填充规律，同时讨论了各热压参数对p m m a 填充效果 的影响，工艺实验的结果表明：在热压温度1 2 5 ，压力1 7 0 k g ，保温保压6 0 0 s 的工艺 条件下p m m a 对凹模结构的填充状态最理想；最后利用a n s y s 软件对微柱结构的热 压过程进行了仿真。 在大量工艺实验的基础上研究了一种具有高深度、高密度微通道结构微流控芯片的 制作工艺，首先在j 下交试验的基础上探讨了温度、压力和脱模温度三个主要工艺参数对 复制精度的影响；针对热压脱模困难的问题，设计制作了一种真空吸盘装置，利用真空 吸附辅助脱模的方法，成功解决了热压后芯片与模具紧密粘连的问题，并估算了脱模力 的大小；随后针对高密度微流控芯片热键合后微通道深度损失严重的问题，在探讨了键 合参数在热键合过程中的影响并优化键合参数的基础之上提出了弹性薄膜辅助键合的 方法，通过仿真和实验验证，该方法能够解决微通道深度损失严重的问题，从而制作出 了高深度、高密度微通道结构的微流控芯片。 最后研究了一种微通道深度变化的聚二甲基硅氧烷( p d m s ) 微流控芯片制作工艺。 利用p d m s 模塑法制作了一种具有多深度微通道结构的微流控芯片，同时对微通道内带 有微柱结构的凹模硅模具也进行了p d m s 浇铸实验，与热压法制作的芯片比较表明 p d m s 对微细结构填充性极佳。 关键词：聚合物微流控芯片；热压；热键合；p d m s 复杂结构聚合物微流控芯片制作t 艺研究 r e s e a r c ho nt h ef a b r i c a t i o no fp o l y m e rm i c r o f l u i d i cc h i p sw i t h c o m p l i c a t e dm i c r o s t r u c t u r e s a b s t r a c t m i c r o f l u i d i cc h i pi so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r t so fm i n i a t u r i z e dt o t a la n a l y s i ss y s t e m s ( u t a s ) ，a n dt h ep o l y m e r sh a v eb e e nt h ek e ym a t e r i a lo nt h ef a b r i c a t i o no fm i c r o f l u i d i cc h i p s b a s e do nt h eb a s i cp r i n c i p l e so fp o l y m e r s e m b o s s i n g ，t h ef a b r i c a t i o no fv a r i o u sm i c r o f l u i d i c c h i p sw i t hc o m p l i c a t e dm i c r o - s t r u c t u r e si sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r t h ef a b r i c a t i o nm e t h o do fm i c r o f l u i d i cc h i p sw i t hm i c r o - p i l l a r si nt h em i c r o - c h a n n e l si s p r e s e n t e di nt h i sp a p e r , t h es i l i c o nm o l di sf a b r i c a t e db yt r a d i t i o n a lp h o t ol i t h o g r a p h ya n dd r y e t c h i n gm e t h o d ，a n dt h e nt h ee m b o s s i n ge x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u to nt h er y j ie m b o s s i n g m a c h i n e t h ed i f f i c u l t yo ne m b o s s i n go ft h i sm i c r o f l u i d i cc h i pi sh o wt om a k et h ep o l y m e rf i l l i nt h ec o n c a v ec a v i t yo ft h es i l i c o nm o l d ，b a s e do na g r e a td e a lo fe m b o s s i n ge x p e r i m e n td a t a s ， t h el a w so fp o l y m e rf i l l i n gi nt h ec o n c a v ec a v i t ya n dt h ei n f l u e n c eo fe a c he m b o s s i n gp a r a m e t e r o nt h ep m m a r e p l i c a t i o na c c u r a c ya r eb o t hd i s c u s s e d i ti si n d i c a t e dt h r o u g ht h ee m b o s s i n g c r a f te x p e r i m e n tr e s u l t st h a tt h em o s td e s i r a b l ec r a f ts t a t eo fc o n c a v ec a v i t y sf i l l i n gi sa p p e a r e d w h e nt e m p e r a t u r e1 2 5 c ，p r e s s u r e1 7 0 k g ，a n dk e e pt e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r ef o ra tl e a s t6 0 0 s f i n a l l y ，t h e s i m u l a t i o no ft h em i c r o f l u i d i c c h i p se m b o s s i n gw i t hm i c r o - p i l l a r s i nt h e m i c r o - c h a n n e l si se m p l o y e d t h ef a b r i c a t i o nm e t h o do fm i c r o f l u i d i c c h i p sw i t hh i g h - - d e p t ha n dh i g h - d e n s i t y m i c r o - c h a n n e l si sa l s op r e s e n t e d i no r d e rt oa c h i e v eh i g hr e p l i c a t i o na c c u r a c y ，t h ee f f e c to f m a i ne m b o s s i n gp a r a m e t e r si ss t u d i e df i r s t l y t h e n ，am e t h o do fa i d e dd e m o u d i n gw i t hv a c u u m i se m p l o y e d ；av a c u u md e v i c ei sd e s i g n e di n d e p e n d e n t l ya i m i n gt os o l v et h ep r o b l e m so f d e m o u d i n g c o n s e q u e n t l y ，m i c r o f l u i d i cc h i p sc o u l db es e p a r a t e df r o ms i l i c o nm o l d a u t o m a t i c a l l y t h ef o r c e sd u r i n gt h ed e m o u d i n gp r o c e s sa r ec a l c u l a t e d a n dt h e n ，t h er e l a t i o n o fh o tb o n d i n gp a r a m e t e ra n dt h ed e p t hl o s so ft h em i c r o - c h a n n e l si si n v e s t i g a t e db a s e do n e x p e r i m e n t s ，am e t h o do fa i d e db o n d i n gw i t he l a s t i cf i l mi s i n t r o d u c e do nt h eb a s i so f o p t i m m i n g t h ee x p e r i m e n tp a r a m e t e r s t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h e d e p t hl o s so ft h em i c r o - c h a n n e l sc o u l db ed e c r e a s e do b v i o u s l ya f t e rt h en e wm e t h o de m p l o y e d f i n a l l y ，t h em i c r o f l u i d i cc h i p sw i t hh i g h d e p t ha n dh i g h - d e n s i t ym i c r o - c h a n n e l sa r ef a b r i c a t e d f r o mp m m a s u c c e s s f u l l yt h r o u g hh o te m b o s s i n ga n dh o tb o n d i n g f i n a l l y ，t h ef a b r i c a t i o no fp d m sm i c r o f l u i d i cc h i pi ss t u d i e d am i c r o f u i d i cc h i pw i t h m u l t i d e p t hm i c r o c h a n n e li sf a b r i c a t e db yp d m sc a s t i n g ，a tt h es a m et i m e ，t h em i c r o f u i d i c i i 火连理上人学硕十学位论文 c h i p sw i t hm i c r o p i l l a r sa r ef a b r i c a t e di nt h es a m ew a y p d m s h a sab e t t e rp e r f o r m a n c eo i l f i l l i n gc a v i t yt h a np m m at h r o u g ht h ec o n t r a s tw i t ht h e m e t h o do fh o te m b o s s i n g k e yw o r d s ：p o l y m e rm i c r o f t u i d i cc h i p ；h o te m b o s s i n g ；h o tb o n d i n g ；p d m s i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：复盘结掐塞佥堑邀流控芷压剑簋三艺盈究 作者签名：磕虚一日期：耳年旦月丛日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：复塞结抱鬈佥堑邀速控芷崖剑佳王艺珏窒 作者签名：醯盘 日期：丝翌年旦月j 厶日 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的背景 1 1 1 微流控芯片概述 微型全分析系统( m i n i a t u r i z e dt o t a la n a l y s i ss y s t e m s ，u t a s ) 是一个跨学科的新领 域，由瑞士的m a n z 和w i d m e r 在1 9 9 0 年首先提出的，其目标是通过分析化学、微机电 学( m e m s ) 、电子学、材料学、计算机学、生物学以及医学等多学科的交叉实现化学分 析的微型化、便携化、集成化与自动化，它可以使试样、试剂的消耗量大大降低，而 分析的速度却成十倍百倍地提高，成本成十倍百倍地下降。微流控芯片( m i c r o f l u i d i c c h i p s ) 是微型全分析系统的重要组成部分之一，j 下处于科学研究的最前沿，最具广阔的 市场发展前景，已成为国内外众多学者的研究目标l l 翻。 微流控芯片也称芯片实验室( l a bo nac h i p ，t o c ) ，是将化学和生物等多领域中的样 品制备、分离、反应、检测以及细胞对培养、分选、裂解等基本操作单元集成到一块平 方厘米级或更小的芯片上，将可控微流体贯穿于整个由微通道组成的网络系统中，完成 不同的生物化学反应并分析生成的产物，用以取代常规生物化学实验室各种功能的一种 高技术平台，其最大的优势和基本特征是将多种操作单元灵活地组合和集成在微小平台 之上【孓5 1 。 2 0 0 3 年f o r b e s 杂志在纪念其创刊8 5 周年的一期特刊上列出影响人类未来的1 5 件 最重要的发明，微流控芯片名列其中。2 0 0 4 年美国b u s s i n e s s 2 0 杂志的封面文章称，微 流控芯片是“改变未来的七种技术 之一。 1 1 2 微流控芯片的材料 微流控芯片材料的选取要求与工作介质之间有良好的生化相容性，不能发生任何反 应；要有良好的电绝缘性和散热性以及良好的光学性能，对检测信号干扰较小；材料的 成本应该低廉，制作工艺简单。 目前用于制作微流控芯片的材料主要有单晶硅片f 6 7 1 、玻璃【8 ，9 1 、石英以及高分子 聚合物，如聚甲基丙烯酸甲酯( p o l y m e t h y l m e t h a c r y l a t e ，p m m a ) 、聚二甲基硅氧烷 ( p o l y d i m e t h y l s i l o x a n e ，p d m s ) 、聚碳酸酯( p o l y c a r b o n a e ，p c ) 和水凝胶等【1 0 ，1 1 】等。 在微流控芯片发展的初期主要采用硅、玻璃和石英作为材料，这是因为有成熟的微 电子加工工艺的支持，然而硅材料有成本高、易碎、电绝缘性差、不透光等缺点，现在 多利用其制作微泵、微阀等复杂结构微器件。虽然石英和玻璃的电渗性能及透光性好， 复杂结构聚合物微流控芯片制作工艺研究 但其成本高，且难以加工出深宽比高的微结构，这些缺点限制了它们在微流控芯片领域 的更广泛应用。 有机高分子聚合物的种类繁多，它们具有成本低、电绝缘性好、易复制成型、适于 进行批量化生产等优点，成为目前微流控芯片加工所采用的主要材料，应用前景十分广 阔1 1 2 1 引。 现阶段常用于微流控芯片加工的聚合物主要分为以下三类：热塑性聚合物、固化型 聚合物和溶剂挥发型聚合物。热塑性聚合物主要有p m m a 、p c 、p e ( p o l y e t h y l e n e ，聚乙 烯) 等；固化型聚合物有p d m s 、环氧树脂和聚氨酯等，他们与各自的固化剂混合一段 时间后会固化成型，得到具有相应结构的微流控芯片；溶剂挥发型聚合物有丙烯酸、橡 胶和氟塑料等，将它们的溶液浇铸到相应的模具上，在溶剂缓慢挥发之后即可得到具有 一定结构的微流控芯片1 3 】。由于不同聚合物的物理化学性质存在一定的差异，制作微流 控芯片时应全面考虑应用对象、检测条件及加工工艺等实际因素，选用合适的聚合物材 料。 1 1 3 聚合物微流控芯片的制作方法 聚合物微流控芯片的制作方法主要有：热压法( h o te m b o s s i n g ) 、模塑法( r c p l i c a m o l d i n g ) 、注塑法( i n j e c t i o nm o l d i n g ) 、激光烧蚀法( 1 a s e ra b l a t i o n ) 、软刻蚀法( s o f t l i t h o g r a p h y ) 等，具体制作时应根据所采用聚合物的性质来选择合适的加工方法。 ( 1 ) 热压法是指将热塑性聚合物放置于带有微通道结构的模具之上加温到聚合物玻 璃态转化温度( t h eg l a s st r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ，t 0 以上，施加一定时问压力使聚合物复制 出模具的通道结构的方法1 3 j 。热压法是目前制作聚合物微流控芯片所采用的主要方法之 一o ( 2 ) 模塑法是指将固化型聚合物及其固化剂的混合溶液浇铸于带有微通道结构的阳 模上，待聚合物固化成型后将其与阳模分离即得到了带有微通道结构的聚合物基片i 引。 ( 3 ) 注塑法是指将模具安装在注塑机上完成批量注塑聚合物微流控芯片基片的过 程。其中注塑的模具先利用光刻、刻蚀以及微电铸技术制作出金属模具，再加工成金属 注塑模具，其制作过程复杂，周期长，技术难度大，是整个工艺的关键步骤【3 l 。 ( 4 ) 激光烧蚀法是非接触式的微细加工技术，它根据计算机c a d 的设计图形和数据 精密地控制着激光的x y 方向位置，配合相应的铜箔制备光刻掩模即在聚合物上烧蚀出 不同形状的微通道结构，该方法具有受热区域小、通道壁垂直、深宽比大等特点。但紫 外激光器价格昂贵、能量大，有一定的危险性，需要在标准激光实验室中操作，并且佩 戴安全保护装置和防护眼镜【引。 大连理上人学硕士学位论文 ( 5 ) 软刻蚀技术用弹性模代替光刻中使用的硬模产生的微形状和微结构，其核心是 弹性模印章，与传统的光刻技术相比，软光刻有着更加灵活的特点，它能制造出复杂的 三维结构，甚至可以应用在不规则曲面上。软光刻技术的研究还刚刚起步，还有很大的 研究价值等待开发p j 。 1 1 4 具有复杂结构的微流控芯片 随着近些年国内外微流控相关学科的快速发展，具有复杂结构结构微流控芯片器件 的设计与制备已成为当前微流控领域研究的热点。我们认为，所谓微流控芯片的复杂结 构大致可分为两类： ( 1 ) 微通道内集成某种微结构的微流控芯片。 微流控芯片最大的优势之一在于实验室的规模集成，这种微型化的集成整体又以微 型的操作单元为基础。将所有过程和操作按需求灵活组合，这种组合的有效运行则借助 于芯片中流体控制的基本元件等。 首先在微流体控制方面，微流控芯片领域中包含一种单片集成式微流体控制系统， 这将是集成微结构式微流控芯片的一个主要研究方向，这个系统将微泵【1 5 1 7 1 、微阀【1 8 - 2 0 ! 、 微传感器、微过滤网等其它辅助器件集成到同一基片上，以获得一个整体性智能化芯片 器件。因此，能够与芯片尺寸相适应的微阀、微泵的深入研究是微流控芯片发挥集成性 优势的关键。 其次在微流体混合及反应方面，传统的微混合器和微反应器多是利用频繁改变微通 道在二维甚至三维方位上方向的原理来促进混合和反应的进行。当前的研究人员常在芯 片微通道内适当的位置安置一定量的微柱( m i c r o p i l l a r ) 、微鱼脊形柱( h e r r i n g b o n e ) 等特殊 微结构，以加速微流体在微通道内的流动，促进其混合。 在其他方面，通过在微通道内安置微坝结构( m i c r o w e i r ，m i c r o d a m ) 或微柱结构实现 对不同体积粒子的筛选过滤；在微通道内安置特殊结构的俘获装置，可以实现单细胞培 养等生物实验操作。 ( 2 ) 微流控芯片的微通道或微细结构具有高深度或高密度、高深宽比等特征。 深度、密度及深宽比的增加可以在更小面积的微流控芯片上集成更多的基本操作单 元，使其具备高通量和平行处理分析多个样品的能力，早期的文献曾把高通量视为微流 控芯片的基本特征之一，事实上高通量是规模集成的一种形式，只是被集成的操作单元 或单元群是相同或基本相同的【2 1 】。显然增加微流控芯片的规模集成度是提高其性能的一 种重要手段，然而随着深度或深宽比的增加也给刻蚀及薄膜淀积等工艺过程带来了较大 复杂结构聚合物微流控芯片制作工艺研究 的困难，因此设计制作具有较高深度、密度和深宽比微结构的微流控芯片是目前探索 的一个重要方向。 可以推测，随着微流控芯片产业化进程的加快，复杂结构微流控芯片的相关研究必 将掀起新一轮微流控学快速发展的热潮。 1 2 复杂结构微流控芯片的研究现状 121 微通道内含有微结构微流控芯片的研究现状 目前，国内外的一些学者通过在微流控芯片的微通道内安置特定的微细结构使其具 备不同优异性能。浦项科技大学的d o n g s u n gk i m 等学者通过在金属镍模具内微注塑 c o c ( c y c l i c o l e f i nc o p o l y m e 订的方式制作了一种用于血型分析的微流控芯片i 矧。如图1 1 所示，其微通道内沿着样品流动方向由稀到疏地分布着不同大小的微柱阵列，其中最小 微柱的直径与相邻微柱的间隙均为5 叫m 。 图11 一种用于血型分析的微流控芯片 f i g - 1 _ 1m i c r o f l u i d i c c h i p s f o r b l o o d t y p ea n a l y s i s 三菱电器公司高科技研究发展中心的k e n i c ml n a t o m i 等学者采用在硅模具上浇铸 p d m s 的方法制作了一种可用于d n a 分析检测的微流控芯片田】。芯片上一条长1 5 m m 、 宽2 0 陬m 、深1 q 曲的微通道内布满了直径1 靴m 、高度1 印蛐的微柱，其中相邻两柱最近 间距仅为m 。该芯片 扫p d m s 与有机玻璃封合而成，如图1 2 所示。 大连理工大学硕士学位论文 圈12 徽通道内古有微柱结构的芯片 f i g 1 2m i c l o f l u i d i c d i i 鹏w i t h m i c l n - p i h a t s i n t h e c h a n n e l 同样是利用在硅模具表面浇注p d m s 的方法，哈佛大学的d e r e k a b r u z c w i c 2 等人 制作了微通道内含有微柱过滤结构的芯片i 洲，如图13 所示。 o u t l e t 酗13 具有过滤作用的微流控芯片 f 蟾1 3 m i c t o f l u i d l cc h 晒w i t h m i c r o - p i l l a r s 中国科学院电子学研究所的x i n gc h e n 等学者设计制作了微柱过滤型微流控芯片 陋i 如图1 州1 ) 所示。芯片的微柱结构制作于硅基底之上。并与玻璃盖片封合，其中微 柱的直径2 吼m ，高度3 0 , m ，相邻两微柱的间隙65 f , m 。 x i n g c h e n 等人同时还基于微堰过滤原理制作了微通道内带有微堰结构的微流控芯 片。如图1 4 ( 2 ) 所示。该芯片的材料同样是采用硅作为基底，并与玻璃封合。其中微= i 嗟 与盖片之间的微过滤缝隙高度为3 和m 。实验表明，微通道内带有微柱结构和微堰结构 的两种微流控苍片同样具备分离血液中红细胞和白细胞的能力。 、 ，隧 复杂结构聚台物微流控芯儿制作f 艺研究 剀14 带打过滤功能的微流控卷片 f i g 1 4m i c r o f l u i d i cc h i p s w i t h t h e f u n c t i o no f f i l t r a t i o n 美国华盛顿大学的j e n n i f e rof o l e y 等学者在p d m s 材料微流控芯片5 0 0 p m 宽的微 通道内制作了如图1 5 中所示的“鱼脊形结构”，该鱼脊形结构高5 印m 。作者在文中 说此种结构的微混合器是由s t r o o c k 首先提出的，微通道内的鱼脊形结构可以改变压力 场并且形成垂直于主流动方向的混池再流动，有效地缩短了微通道内流体的混合时f 1 j 陋j 。模具制作在3 英寸硅片之上，曝光两次分别制作微沟道和鱼骨形结构最后用模塑 法复制出相麻的p d m s 微流控芯片。作者对积种囱脊形结构与般直通道的混合效果进 行了软件仿真对比，结果表明其混合效果优于般直通道微流控芯片。 。1 一二：! 一一一一t o 二= 0 二i ，一i 二一 lr r 二 鬈：一簟。， 幽15 微通道内f 口有的“鱼脊形结构”的微流控芯h 驶其混台仿真 f i g 】5 m i c r o f l u l d i cc h i p s w i t hh e r r i n g b o n ea n d t h es i m u l a t i o no f m i x i n g 122 具有高深度高密度微通道结构微流控芯片的研究现状 韩困科学技术院复合流体研究实验室的m y u “g s u kc h u n 等学者制作了一种利用微 通道流动势能产生微电势能的微流控芯片，如吲1 6 所示。该芯片上具备高密度的微 通道结构，因此能在微通道之问产生不同的流动势能，其微通道深度1 0 0 u m ，宽度2 0 # m 芯片的制作方法采用在具有图形的硅基底上浇铸p d m s 。 大连理工大学硕士学位论文 拜 厶 圈16 带有高密度微通道结构的微流控芯片 f i g 1 6 d e n s e m l c r o - c h a a n e l s o b t h e m l c r o f l u i d i cc h i p s t o d d t h o r s e l l 等学者于2 0 0 2 年在s c i e n c e 上发表了一篇文章称他们成功的在一个微 流控芯片上集成了数以千计的微阀和数以百计的独立可控微泵，其高密度、大规模集成 的趋势作者认为类似于电子集成电路的制作，也有评论认为，此种它的出现显示了微流 控芯片从简单的电泳分析到大规模多功能集成实验室的飞跃 2 s 】，如图1 7 所示。该芯片 e 的核心是双阀阵列组成的多路流体复合器，可以在样品小流量注入的前提下增加复杂 流体网络操纵能力，这种通过不同行列中微阀及微泵的控制微流控阵列中样品流动与随 机存取存储器( r a m ) 的工作方式十分相似。芯片上的微通道宽度为1 0 0 p m ，而深度只有 9 * m ，同样是采用p d m s 模塑法制作的。 一 酗17 大规模集成的高密度徽流控芯片 f i g 1 7m i c r o f l u i d i c c h i p s w i t h l a r g e - s c a l es t r u c t u r e 同本国家高级工业科学技术研究所的m a s a h a r ut a k a h a s h i 等学者研究了利用玻璃炭 ( g l a s s yc a r b o n ) 模具在不同压力及热压时间条件下对派勒克斯耐热玻璃( p y r e xg l a s s ) 材 料的大规模微纳压印规律。文中同时制作了多种深宽比的玻璃炭模具，讨论了模具深宽 比对派勒克斯耐热玻璃在热压中填充的影响【卅。图18 所示为当深宽比为1 6 6 时热压完毕 曩一纠竺一 一誉 复尔结构策台物微流控芯片制作l ，艺研究 的微结构及其在不同情况下填充深度数据图。 i 量罨。 图18 高深宽比的聚台物热压 f i g 1 8 h o te m b o s s i n g o f m i c l o s t n l c t u f e s w i t hh i g ha s p e c t m i i o 德国尔斯鲁尔厄微结构技术研究所的mw o r g u l l 等学者深入的研究了具有高密度、 高深宽比结构微流控芯片热压中的脱模问题，作者认为具有高的深宽比时，横截面较小 的以及孤立存在的微结构在脱模中容易造成损毁，l i g a 工艺制作的模具上小存在脱 模斜度，在一定程度上增加了微结构损坏的可能性，作者因此称脱模环节是整个热雎过 程中最至关重要的环节j 驯。 热压后的冷却过程中模具与芯片的不同收缩程度在微通道侧壁产生了较大的面接 触应力，这是造成脱模困难和微结构损毁的原因之一。文中i 习时还提出芯片外圈接触应 力过大是造成较大脱模力的主要原因因此作者在模具周围添加了一种带有脱模斜度的 辅助脱模结构达到将脱模力转移的目的，如图1 晰示，软件仿真验证采月j 这种改进之后 脱模力减小了7 5 。 呵制 l 坠雄堑蛐 _ ，日 f 士j | 口 圈1g 一种针对热乐法定辅助脱模装置 f i g1 9 ad e v i c e f o r d c m o l d i n g i nh o le m b o s s i n g 图1 1 0 所示为东京工业大学精密与智能实验室的t a k a s in i s i s a k o 等学者制作的一种 0 4目” i，；d 大连理工大学硬士学位论文 高密度微流控芯片，它可以大量地产生单分散( 性) 的微粒液滴。这个规格为4 2 m m 4 2 m m 的芯片中心沿圆周密集地分布着1 2 8 个“微粒液滴形成装冕”，该微流控芯片的微通道 采用深反应离子刻蚀法在硅玻璃上刻蚀而成，最后将其与另一块玻璃封合，微通道深度 1 0 哗锄，宽度为l o 叫m 或2 0 即m 不等川。 阳i i o 一种高密度微流控芯片 巧& 1 1 0 m i c r o f l u i d i cc h i p s w i t h d e n s e m i c r o - c h a n n e l s 由目前复杂结构微流控芯片的研究现状可以发现，在制作方法上大多采用在硅模具 浇铸p d m s ，这是因为液态的p d m s 流动性好，可以对高深度和密集的微通道进行充 分填充，而很少关于采用聚合物热压法制作复杂结构微流控芯片的报道。 1 3 论文的主要研究内容 本文在介绍了聚合物热压基本理论的基础上，重点研究以下几个方面内容： 研究了微通道内带有微柱结构的聚合物微流控芯片的制作。聚合物在模具上凹模结 构的填充，本文在热压实验数据的基础上探讨了聚合物p m m a 在微细唧模结构中的填 充规律，同时讨论了各个热压参数对p m m a 填充的影响，最后用a n s y s 软件对热压 过程进行了仿真。 研究了一种具有高深度、高密度微通道结构微流控芯片的制作工艺，探讨了温度、 压力和脱模温度三个主要工艺参数对复制精度的影响；成功解决了热压后芯片与模具 脱模困难的问题，估算了脱模力的大小；在探讨键合参数在热键合过程中的影响并优化 键合参数的基础之上提出了弹性薄膜辅助键合的方法，解决微通道深度在热键合中严重 损失的问题。 最后研究了利用p d m s 模塑法制作了一种微通道深度变化的微流控芯片。 复女? 结构壤台物微流控芯片制作i ：艺研究 2 聚合物热压理论概述 21 热压法的概念及优点 热雌( h o t e m b o s s i n g ) ，是指将聚合物的基片放置在带有微结构的模具上加热使其 软化，即略高于玻璃点转化温度f i h cg l a s st r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ，1 0 ，加压并保持一定 的时间，然后在加压的条件下，将模具和基片一起冷却至玻璃点转化温度之下某温度 脱模，就得到所需要的微结构，如图21 所示。 oi 圈2 l 热压法示意矧 f i g2 1h o t - e m b o s s i n g p r o c e s s 热压法虽早提出于1 9 9 6 年，美国国家标准化与技术研究所的l a t i s a 等学者p 2 i b - g u 用1 3 b i n 和2 s t e m 粗的镍锦合盒丝在p m m a 基片上热压出分离进样微通道如图2 2 所 示。金届丝热压存在诸如微通道的毛刺、微通道侧壁不直等许多问题但是这种初级的 热压法证明该方法来制作聚合物微器件是可行的，从此人们沿着该方向开始太规模研究 模具热压工艺。 f 1 0 5 c o 。 一i 一。 l 一 一h 匮喜掣 f 一 。 z03 0 0 帅 | 生l22 最早的热压法及其微通道轮廓 盹2 2w i r e , - i m p r i n t e da n d t h e p r o f i l eo fa w i r e - i m p r i n t e d c h i p 大连理工大学硕+ 学位论文 热压法所采用的材料来源广泛，并且由于其操作方法简单、制作周期短、容易实现 批量生产和自动化生产等优点而正得到广泛的应用。 2 2 聚合物热压工艺过程 聚合物热压的主要环节是聚合物在玻璃态转化温度以上某温度进行的一个复杂过 程，同时模具在一定的压力下压入处于高弹态的聚合物中，受模具挤压区域的聚合物向 四周流动直至最终平衡，当温度再次降低到玻璃态转换温度以下时，聚合物的形状得到 固定。整过热压过程中的温度、压力和时间关系曲线如图2 3 所示，下面分别对图中的 各个阶段给予详细的解释。 图2 3 热压过程温度、压力与时间关系曲线 f i g 2 3t e m p e r a t u r ea n dp r e s s i n gf o r c ev a r i a t i o n si nh o te m b o s s i n gp r o c e s s ( 1 ) 图中区域为最初的升温阶段，升温速率较快。但此阶段最高只升至玻璃态转换 温度l 以下5 左右，并维持一段时间，这个阶段的目的是在模具和聚合物之间形成均 匀的温度场。 ( 2 ) 图中区域在前一阶段温度的基础上再次快速升温到k 以上某温度t e ，该温度 为热压成型的主要因素之一：温度过低时聚合物的流动性不够，而且可逆流动较多，导 致聚合物对模具填充不完全的现象；温度过高则可能破坏聚合物原有的分子链结构，导 致热压出的微结构产生缺陷，因此热压要选择合适的温度，一般选择在l 以上5 1 0 。 此阶段升温的同时还预施加了一定的压力。 ( 3 ) 图中区域是保温保压阶段，热压温度始终保持在t e ，压力在此阶段也保持在 最大值p e ，并将这个状态维持一定时间t 。这个阶段是聚合物对模具填充的主要阶段， 在温度选取合适的条件下t 。的长短在一定程度上决定了聚合物填充完全与否，通常选择 为9 - - - 1 0 r a i n 或者更长。 复杂结构聚合物微流控芯片制作工艺研究 ( 4 ) 图中区域是脱模阶段，此阶段中的聚合物已经对模具完全填充，将温度快速降 低至l 以下5 - q 0 c ，温度的迅速降低使聚合物保持了上一阶段的状态，同时在这个温 度范围内脱模可以防止微结构的损坏。脱模速率应该控制在一定范围内，过快可能导致 微结构的损坏；过慢则可能造成脱模的失败。 ( 5 ) 图中区域是最后的降温阶段，脱模完毕将模具和芯片降温至室温。 2 3 聚合物热压基本方程 2 3 1 粘弹性行为时温等效关系 w i l l i a m s ，l a n d e l 和f e r r y 发现在t g t t g + 1 0 0 的温度范围内，几乎所有非晶态 聚合物的时间一温度关系特性可用一个方程式表示，这就是w i l l i a m s ，l a n d e l 和f e r r y 方 程，简称w l f 方程【3 3 j ： 。g ( 丢) = ，。g ( 豸 ) = 一黜 ( 2 1 ) ，7 0乙2 + 一o 其中，t 是聚合物的松弛时间，1 1 是粘度，t 是温度，带下标o 的参数表示参考温度 时刻各参数的值，c 1 和c 2 为常数，几种常见的聚合物的c 1 和c 2 值见表2 1 所示。 表2 1w l f 方程参数 t a b 2 1t h ep a r a m e t e ro fw l f e q u a t i o n 根据w l f 方程，热压中聚合物的松弛时间比值与温度呈指数关系。这意味着在实 际热压过程中，如果将热压温度限定在较低的值，要想达到同样的热压效果，热压时间 则应该相应增加；同理，如果期望热压时问缩短，则需要将热压温度升高，并且在实际 操作中升高温度往往比增加热压时间更有效。 大连理t 大学硕+ 学位论文 2 3 2 聚合物热压速率的估算 德国学者h c s c h e e r 在一篇文章中根据流体动力学理论提出了热压速率的估算公 式1 3 4 1 ： u 岛p e l f j h i ( 一t ) 3 ( 2 2 ) u 岛了 2 2 ) 其中，v 。是聚合物热压的速率，p e l f 是聚合物受到的有效压力。h ( t ) 是聚合物材料的 厚度，t 1 是聚合物材料的粘度，r 是指有效的热压范围的半径或相当半径，公式适用的 前提是认为热压中的聚合物为不可压缩牛顿流体。 2 3 3 聚合物热压时间的估算 瑞士保罗谢勒研究所的l j h e y d e r m a n 在假设聚合物在热压过程中表现为纯粘性且 表面有着良好附着力、在软化变形时不可压缩等前提下，静压流体学基础上给出了微结 构完全被聚合物填充所需时间的估算公式【3 5 】： 铲t 2 0 s 川2 ( 庇1 尹一吉) 亿3 ， 其中t f 为热压中聚合物填充的时间，”o 为聚合物软化时的粘度，s 为热压中的有效 面积，p 是模具对聚合物施加的有效压力，l l o 为热压之前聚合物材料的厚度，h f 为热压 之后聚合物材料的厚度。h f 和h o 应该有下面的关系式： ，形d ，z ，2 一- ( 2 4 ) w 和d 分别是模具上待填充部分的宽度和深度。 综合观察式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 和( 2 3 ) 分析提高热压效率的几种可能的方法： ( 1 ) 适当提高热压温度，适当提高对聚合物施加的压力，这样有助于促进软化聚合物 在微结构中的流动。 ( 2 ) 尽可能地减小热压中聚合物与模具接触的面积，这样既增大了施加在单位面积聚 合物上的压力，同时减少了聚合物填充的时间。 ( 3 ) 尽量采用较厚的聚合物材料热压微流控芯片，因为聚合物厚度的增加可以增加聚 合物的流动性，提高热压填充效率。 ( 4 ) 尽可能选取粘度较小的聚合物材料。同一非晶态聚合物的粘度和分子量的大小有 着直接关系，同时也对温度有着较大的依赖性。随着热压温度的升高，聚合物的粘度会 复杂结构聚合物微流控芯片制作工艺研究 有所下降，同时平均分子量也会有所下降。由此可见，温度对其他参数的影响也利于聚 合物填充的进行。 2 4 本章小结 本章主要研究了聚合物热压的基本原理。在详细介绍了热压法的概念及其操作简 单、制作周期短等优点之后，介绍了聚合物热压的一般工艺流程，并对流程中的每个工 艺步骤进行了详细解释；最后列出了几个聚合物热压的相关公式，由公式讨论提高热压 填充效率的途径，为下面章节的实验提供理论基础。 大连理工人学硕士学位论文 3 微通道内带有微柱结构微流控芯片的制作 31 微通道内带有微柱结构的硅模具 31 1 掩模版结构设计 掩模版的功能是当基片受到射线照射时，在图形区和非图形区产生不同的光吸收和 透过能力。由于使用的光刻胶有正光刻胶和负光刻胶两种，相应的掩模扳也有两种结构。 本次工艺中将使用正光刻腔。所以掩模版的图形区域为不透光的。铬版具有颗粒极细， 膜层薄且均匀，光刻图形整齐、光滑、精度高等优点，同时铬版粘附性好，耐磨性强， 所以用铬版制作的掩模版在光刻工艺中占有极其重要的位置。掩模版结构设计图及铬版 照片如图3 i 所示，其结构由中科院力学所的于泳副研究员设计。 + 唑加+ 4 a 坚隧 图3 1 掩模版结构及其实物凹 f i g31 t ks m k m mo f m c m a s k a n d 虹p h o l o 3 1 2 硅模具的光刻 在光刻步骤之前首先要对硅