（机械制造及其自动化专业论文）微压印聚合物微流控芯片的传热模型及实验研究.pdf

摘要 微流控芯片是一个跨学科的新领域，它是新世纪分析科学、微机电加工、生命科学、 亿学合藏、分析仪器及环境辩学等许多领域的霞要发震前沿。微流按芯片技术的发展， 露要程先进鲍微铡造技术终为基础。 微压印聚合物微流控芯片的传热模型及实验研究课题是国家8 6 3 项耳面向微流控 芯片的微模具制造装备研究的重要组成部分( 项朋编号；2 0 0 2 a a 4 2 1 1 5 ) 。它主要研究 了镦篷印过程中滟传熟模型的建立和求解，并用有限元软件a n s y s 进行了模拟，最后通 过实验终到了最健的瀑度参数。 第一章绪论部分，在综述微流控芯片在当代分析科学中的黧要意义基础上，分缁了 各种材料微流控芯片的常用加工技术，如微压印工艺、光刻技术、l i g a 技术等。并对微 流控芯片檄压印援术酌菡内争 迸展徽了论述。 第二章分缨7 徽压印豹鏊率器淫，并黠聚会耱微滚控苍片瓣重要自i 工方法一徽鹾印 法的工艺流程做了介绍，并把聚合物材料跟其他基片材料如玻璃、硅、石英蒋做了比较。 第三章主要介绍了多层薄膜热传导问题，并讨论了几种求解热传导方程的方法，为 下一章传热模型静建立及求解奠定了基础。 第四章是姨热铸导的基本愿瑾窭发，襁撂微压印过程的实辩情嚣建立了镦压窜过糕 的传热数学模型，并用积分变换的方法进荦亍了求解，褥出了温度场的方程。 第五章庶用有限元方法对微压印聚合物微流控芯片的传热过程进行了数值模拟，获 褥了过程的溢废弱分布。 繁六章介缨了塞行磺裁的微压瓣 规静基本缀藏及微匿露聚合物粼淞徽流控苍片的 实验研究。 第七章对本文的研究内容进行了总结，并对微流控芯片和微压印的发展前景做了展 缓。 关键溺：徽滚控芯片激挺窜璐弧执熟传导有黻元 r e s e a r c ho nh e a tt r a n s f e ra n d e x p e r i m e n t f o r m i c r o i m p r i n to fp o l y m e r i cm i c r o f l u i d i cc h i p a b s t r a c t m i c r o f l u i d i c c h i ps y s t e m s h a v er e c e n t l ye n t e r e dt h ef o r e f r o n to fi n s t r u m e n t a t i o n d e v e l o p m e n t i n a n a l y t i c a ls c i e n c e s ，m e m s ，l i f es c i e n c e s ，c h e m o s y n t h e s i s ，a n a l y t i c a l i n s t r u m e n t sa n de n v i r o n m e n ts c i e n c e sa n db e c o m et h em a i nd i r e c t i o n a d d i t i o n a l l y , t h e d e v e l o p m e n t o fm i c r o f i u i d i c c h i pa n a l y t i c a ls y s t e m s i sb a s e do nt h ea d v a n c e d m i c r o m a c h i n i n gt e c h n o l o g y r e s e a r c ho nh e a tt r a n s f e ra n de x p e r i m e n tf o rm i c r o i m p r i n to fp o l y m e r i cm i c r o f l u i d i c c h i p i sak e yc o m p o n e n to fn a t i o n a l8 6 3p r o j e c tn a m e dt h em i c r o - m o u l df a b r i c a t i o n e q u i p m e n to f m i c r o f l u i d i cc h i p ( i t e mm u b e r ：2 0 0 2 a a 4 2 1 1 5 ) m a i np u r p o s eo f t h i sd i s s e r t a t i o n i st oe s t a b l i s ha n ds o l v eh e a tt r a n s f e ro ft h em i c r o i m p r i n tp r o c e s sa n ds i m u l a t et e m p e r a t u r e f i l e d f o rh o ti m p r i n to fp o l y m e r i cm i c r o f l u i d i cc h i pb yf i n i t ee l e m e n ta n s y s f i n a l l 5w e o b t a i no p t i m i z a t i o nt e m p e r a t u r ef o rm i c r o i m p r i n t c h a p t e r1i st h ei n t r o d u c t i o no ft h i sd i s s e r t a t i o n a no v e r v i e wi sg i v e na b o u tt h e s i g n i f i c a n c eo fm i c r o f l u i d i cc h i p sa n dt h en o r m a lf a b r i c a t i o nm e t h o d so fm i c r o f l u i d i cc h i p s w e r ei n 订o d u c e d ，s u c h h o ti m p r i n t ，p h o t o l i t h o g r a p h y ，l i g aa n ds oo n f i n a l l y , as u r v e yo f t h ed o m e s t i ca n da b r o a dm i c r o i m p r i n tw a si n t r o d u c e d c h a p t e r2i n t r o d u c e st h ee l e m e n t a r yp r i n c i p l eo fm i c r o i m p r i n tt e c h n o l o g y , w h i c hi st h e n o r m a lm a n u f a c t u r et e c h n o l o g yo fm i c r o f l u i d i cc h i p s al o to fa d v a n t a g e so fp o l y m e ri n c o n t r a s tt ot h es u b s t r a t e ss i l i c o n ，g l a s s ，a n dq u a r t zw e r ei n t r o d u c e di nd e t a i l c h a p t e r3i n t r o d u c e sh e a tc o n d u c t i o no fm u l t i l a y e r e df i l m sa n dd i s c u s s e ss o m eo f s o l u t i o nf o re q u a t i o no fh e a tc o n d u c t i o n ，w h i c hi st h eb a s eo fe s t a b l i s h i n ga n ds o l v i n gm o d e l o f h e a tt r a n s f e r c h a p t e r4s t a r t sw i t he l e m e n t a r yp r i n c i p l eo f h e a tc o n d u c t i o n ，a n de s t a b l i s h e st h em o d e l o f h e a tu p i n t e g r a lt r a n s f o r mi su s e dt os o l v et h em o d e l f i n a l l y , t h ee q u a t i o no f t e m p e r a t u r e i so b t a i n e d c h a p t e r5i n t r o d u c e sf i n i t ee l e m e n ta n dt h es o f t w a r ea n s y st os o l v et h em i c r o i m p r i n t p r o b l e mo f h e a tc o n d u c t i o na n dt h et e m p e r a t u r ef i e l d sa r ed e v e l o p e d c h a p t e r6i n t r o d u c e sc o n f i g u r a t i o no f m i c r o i m p r i n te q u i p m e n t ，w h i c hi sr e s e a r c h e da n d m a n u f a c t u r e db yo u r s e l v e s t h e n ，w em a k eal o to f m i c r o i m p r i n te x p e r t m e n tb yp m m a p o l y m e r f i n a l l y , t h er e s e a r c hc o n t e n t so f t h i sd i s s e r t a t i o nh a v eb e e ns u m m a r i z e da r i dt h ep r o s p e c t o f m i c r o f l u i d i cc h i p sa n dm i c r o i m p r i n th a sb e e no p e n e du p k o j w o r d s ：m i c m f l u i d i ec h i p ，m i c r o i m p r i n t ，p m m a ，h e a tc o n d u c t i o n ，f i n i t ee l e m e n t i l l 学号 j 训o a e s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师陈子辰教授和傅建中教授指 导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标 注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得盘鎏盘茎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：彳孑7 丁 矛 签字日期：如。r 年月- 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝垄盘鲎有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权盘婆盘堂可以将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、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书。 学位论文作者签名： 主, i 7 t 7 导师签名 签字日期：加订年多月厂日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 傅盈寸 签字目期：以年；月f 日 电话： 邮编： 渐茳大攀磷士学位论文 赣基球攀台物徽流控芯片浆镑热模型聂实验磷究 1 1 引言 第一章绪论 微流控芯片是一个踌学科的新领域，它是新世纪分析科学、微机电加工、生命科学、 化学合成、分析仪器及环境科学等许多领域的重要发展前沿，具有r 、阈的发展前景和巨 大的实溺价值。为了得到高质量的微流接芯片，磺究先进的微制造技术就成为该领域的 焦点。菇一方藿，为7 将嚣 ；蓍在实验蜜研究开发酌搬滚控芯片囊正遴八百姓生活，藏需 要实现低成本、批量制造的高科技技术。因此，研究通用于微流控稿片的先进微制造技 术及其装备，对微流控芯片技术的发展与实现其产业化都具有决定性的意义| 1 “。 囊藩瘸于激流控蕊冀瓣誊| 糕主要霄疆，玻璃豢| 嚣焚， 蔓它们为蓥冀豹锾淀控芯片鸯籍 工技术融突破发展裙潮加工技术的主簧难关并逐渐走向成熟，这项技术正进入更深入的 研究、扩大应用领域和邂步产业化的哭键时期。但是，硅材料的缺点是易脆、不透光、 价格崽，并且电绝缘性能不够好。玻璃芯片胄作工艺冗长，键合难艘大，用它们制作的 擞流控蕊片难豁避行批艇生产，成本铰离。秀了竞骚渡璃芯片静这些缺点，当今备受关 注的、鞭县优越性的黼聚物有机基体微流控芯片制造正处于探索开发阶段。 有机聚合物微流控芯片的制造方法，是目前国内外研究的热点。主要有反应离子刻 德、激光烧蚀、微压印法积摸塑法等铡造方法。箨必阑家8 6 3 顼基瓣囱擞流控芯片瓣 徽模具制造装备研究的重要组成部分，本文采用的微艇印加工微流控苍片方法可以充 分利用微压印法加工的辫多特点，一方面避免传统的微电子工艺制造徽流控芯片的局限 性，同时解决了当前微流控芯片制造工慧的高成本问题，研究出低成本批囊制造技术，为 激滚控蕊菏技术鲶磅究每产韭捷羹定了蒸搬。对于窝凝耱镦瀛控芯片袋箍静度量，滋发 是一个麓关重要的参数，本文重点研究了高聚物微流控芯片微压印过程中的温度场变 化，最终分析得出加工高质量微流控芯片的最佳温度参数。 1 2 徽全分析系统及徽流羧芯片的概述 1 。2 t 微机电系统( m e m s ) 的发展概况1 2 1 1 譬1 3 i m e m s 一词来源于1 9 8 7 年美国举行的i e e em i c r or o b o t sa n dt e l e o p e r a t o r s 研讨 会，这次研讨会的标题为“小型机器，大的发展机遇”主题报告中首次提出了微机电系 统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，缩写蠢m d i s ) ，开到了微机电系统磺究的先滔。 美国在该领域标志性蔚研究成就是魏娟韬克裁势梭蠲硅片刻蚀工艺帮发出静电直线和 旋转微电机，引起科技界极大轰动，遮给予微机电系统研究人员很人的鼓舞。 浙江大学硕士学位论文 徽压印浆食物擞流控芯片韵倍燕模型及实验骄究 微机电系统有两个基本特征，即微小尺度与系统集成。微小尺魔是微机电系统的重 要特缀，毽并不是定鬟魄特征。微聪媳稠对塞双两吉，只谖蹑是微小豹，面微小至传么 尺度并不重要。一一般理解的徽理是指肉鼹滩以分辩静尺度，戳往认为最1 0 0 m ，避年来 也提出肉眼分辨可达到1 01 2 m ，然而，对于微机电系统的定义并不魁完全决定于特征尺 寸小于l oum 或1 0 0um 的定量概念。丽对于微小尺度的理解应当作力一种技术特征， 静皴鍪i 纯不毂是瓣决徽褒技术彝题静露效途径，释氨逶建畿型纯能够副造蠢具有糖功 能的装嚣。换句话说，微型化的程发决定，在实现低成本的前提下宥可能创造出米具有 新功能器件的特征尺寸。事实上，现代的传统机械有的也已达到微米甚至纳米的特征尺 寸，例如，当今糖密轴承积齿轮传动斡油膜厚度已经达到亚微米或纳张量级； 又螺一 般光学箍徽镜班光渡长为极陵，蔼邋场光学显徽镜和原子力銎徽镜可达到纳米尺度， 这些都是商品化的精密仪器。大体上说，微系统是微米量级的特征尺寸、毫米量级的器 件尺寸。微机电系统另一个基本特征怒系统集成。在微系统的发展过樱中，微电子技术 毙擞撬援按拳发最露翔较莩，困露瞧魄鞍戒熬。1 9 8 7 每人 j 剥嗣徽露造技术善次翻造 出可运动的微机械构件，第二年制造出静电微电机和擞执行器。由于徽制造技术与徽电 子技术之问高度兼容，将微机械与微电子集成就诞生了微机电系统。所以，单独的微机 械器件或单独的微传感器都不是完整的微机电系统。逐可以看出，微枫电系统集成涉及 瑶筏嚣门技术：电方焱静徽电子擅术，撬械方嚣的徽露l 造技术。一簸来说，系统集簸为 微机电系统是由微机械器件与微电子器件统一组成的裟景。由微电子控制微机械动作， 而在控制系统中设有微传感器提供信息，通常整个装鬣集成于一体，除封装外，主臻部 分无嚣装配。 1 2 2 微全分析系统的发展概况 塞麸2 0 整笼9 0 年鼗耪l 4 l 5 l 秘w i d m e r 善次褥赉了擞全势瓣系统( m i n i a t u r i z e d t o t a l a n a l y s i ss y s t e m ，ht a s ) 概念，在短短的十余年中，基于徽电子机械系统 ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n l c a ls y s t e m ，m 瑚s ) 的i jt a s 技术研究迅速发展起来，它已成为分 析化学驰一个独立领域，舞己成为当翦世界上最前沿的辩技领域之一。露辨也有a 稼这 种徽系绫为实验室芯片( l a b 。nc h i p ) 藏徽漉控蕊片( m i c r o f l u i d i cc h i p ) 。遮释徽 芯片大小在厘米量级，采用m e m s 技术谯硅片、玻璃或螺料材料上制避出微驱动泵、微控 制阀、微通道网络、样鼯处理器、混台池、计量器、扩增器、反应器、分析器以及娥测 器等元潞耱势集戒瑟藏为多砖能蕊片，实现微势、纳魏级襻燕戆避捞、穗释、露试勰、 混合、扩增、反应、分离、检测和艏她联等分析全过程，从而把传统的一个分析实验蜜 功能微缩到一个小芯片上。显然g e m s 技术所具有的嵩精度、多功能集成、小型低功耗、 坚固耐兵l 和擞量制造等特点都得到了充分的发挥。这静微全分析系统具有微型化、鬃成 匏和警畿纯的籍点，因两分辑速度炔，可潋提高2 3 个数量缀；需要样品少，可阻降低 到几微升，甚至纳升、皮升级：系统外部连接最少，可以自启动、自治、白闭；污染少， 2 浙江火学硕士学位论文微压印聚合物微流控芯片的传热模型及实验研究 实行一次性使用：可以实时、原位、连续检测，并可用于无法接近的微环境下；可实现 批量制造、降低成本等。这样的分析系统为生物、化学分析系统带来一场重大的革新， 具有广阔的发展前景。 微全分析系统以其高速性、低耗性、集成性、便携性等优势，正逐渐成为世界各国 瞩目的焦点。微流控芯片( m i c r o f l u i d i e c h i p ) 是u t a s 中当前最活跃的领域和发展前沿。 毛细管电泳则是ut a s 装置的最基本的分离技术。大多数微流控电泳芯片都是以玻璃或 石英为基片的，然而石英与玻璃易碎且加工成本较高，且玻璃在湿法刻蚀中的各向同性 使微通道难以得到较高的深宽比【i 。 在叮a s 中，依据j 甚片结构及工作机理又可分为微流控芯片和微阵列( 生物) 芯片， 它们都依托于微机电加工技术，目前又都服务于生命科学，但前者以微通道网络为结构 特征，后者则以微探针阵列为结构特征。因生物芯片的应用对象主要是d n a 分析，所以 早期也称为d n a 芯片，其发展要早于微流控芯片4 5 年，始于8 0 年代末。这类芯片在 前几年发展较快，在国外己实现深度产业化，在国内已经得到了国家的重视，形成了发 展规划，得到较多的开发研究经费支持，从而得到加大发展。微流控芯片则是9 0 年代 初、中期主要在分析化学领域发展起来的，以生命科学为目前主要应用对象，是岬a s 中 当前最重要的发展前沿和最活跃的领域，它最集中地体现了将分析实验室的功能转移到 芯片上的思想，从而使分析科学及分析仪器从化学实验室解放出来，走进千家万户，因 此比生物芯片具有更广泛的适用性及应用前景。表( 1 1 ) 和图( 1 1 ) 中对微流控芯片 与微阵列芯片从多方面试进行了比较，从中可以看出两者之间应是互补与相互融合的关 系而不是以谁为主包容另一方的关系。 表( i 1 )微流控芯片与微阵列( 生物) 芯片的比较 微流控芯片微阵列( 生物) 芯片 主要依托学科分析化学、m e m s生物学、m e m s 结构特征微管道网络微探针阵列 工作原理微管道中流体控制生物杂交为主 使用次数重复使用数十至数千次一般一次 前处理功能多种技术供选择 基本无 集成化对象全部化学分析功能高密度杂交反应阵列 应用领域全部分析领域d n a 等专用生物领域 产业化程度初始阶段深度产业化 浙江大学硕士学位论文微压印聚合物微流控芯片的传热模型及实验研究 图( 1 1 ) 微流控分析芯片和生物芯片的比较 1 2 3 微流控分析芯片的特点【1 3 1 分析系统通过在微米级通道结构中实现微型化，不仅带来分析设备尺寸上的变化， 而且在分析性能上也带来众多的优点。另一方面，微型化也带来了对设备加工的特殊困 难，及与此有关的其他问题。 微流控分析系统主要有以下几个特点： ( 1 ) 微流控分析系统具有极高的效率，许多微流控芯片可在数秒至数十秒时间内自动 完成测定、分离或其它更复杂的操作。分析和分离速度常高于相对应的宏观分析方法一 至二个数量级。其高分析和处理速度既来源于微米级通道中的高导热和传质速率( 均与 通道直径平方成反比) ，也直接来源于结构尺寸的缩小； ( 2 ) 微流控分析的试样与试剂消耗已降低到数微升水平，并随着技术水平的提高还有 可能进一步减少。这既降低了分析费用和贵重生物试样的消耗，也减少了环境污染； ( 3 ) 用微细加工技术制作的微流控芯片部件的微小尺寸使多个部件与功能有可能集 成在数平方厘米的芯片面积上。在此基础上易制成功能齐全的便携式仪器，用于备类现 场分析； ( 4 ) 微流控芯片的微小尺寸使材料消耗甚微。当实现批量生产后芯片成本可望大幅 度降低，而有利于普及。 1 2 4 微流控芯片的国内外发展概况 微全分析系统的概念是在1 9 9 0 年首次由瑞士c i b a - - - g e i g y 公司的m a n z 与w i d m e r 提出，当时主要强调了分析系统的“微”与“全”，及微管道网络的m e m s 加工方法，而 并未明确其外型特征。次年m a n z 等即在平板微芯片上实现了毛细管电泳与流动注射分 析，从而把微系统的主要构型定位为一般厚度不超过5 毫米，面积为数平方厘米至十几 平方厘米的平板芯片，直到1 9 9 4 年之前这一新领域的发展前景并不十分明朗。 4 浙江大学硕士学位论文 微压印聚合物微流控芯片的传热模型及实验研究 1 9 9 4 年始，美国橡树岭国家实验室r a m s e y 等在m a n z 的工作基础上发表了一系列论 文改进了芯片毛细管电泳的进样方法，提高了其性能与实用性，引起了更广泛的关注。 在此形势下，该年首届ut a s 会议以t 作室的形式在荷兰e n c h e d e 举行，起到了推广微 全分析系统的作用。1 9 9 5 年美国加州大学伯克利分校的m a t h i e s 等人在微流控芯片上实 现了高速d n a 测序，微流控芯片的商业开发价值开始显现，而此时微阵列型的生物芯片 已进入实质性的商品开发阶段。同年9 月，首家微流控芯片企业c a l i p e rt e c h n o l o g i e s 公司在美成立，虽然只有三十多名雇员，但一年即集资近千万美元。1 9 9 6 年m a t h i e s 等 又将基因分析中有重要意义的聚合酶链反应( p c r ) 扩增与毛细管电泳集成在一起，展示 了微全分析系统在试样处理方面的潜力，次年他们又实现了微流控芯片上的多通道毛细 管电泳d n a 测序，从而为微流控芯片在基因分析中的实际应用提供了重要基础。 与此同时，有关企业中的微流控芯片研究开发工作也在加紧进行，1 9 9 8 年之后专利 之战日益激烈，一些微流控芯片开发企业纷纷与世界著名分析仪器生产厂家合作，利用 各自的优势技术平台抢先推出首台微流控分析仪器。1 9 9 9 年9 月惠普( 现k g i l e n t ) 与 c a l i p e r 联合研制的首台微流控芯片商品化仪器开始在欧美市场销售，至今年8 月已可 提供用于核酸及蛋白质分析的5 6 种芯片。其它几家厂商也于今年开始将其产品推向 市场。 2 0 0 0 年5 月第四届国际ut a s 会议上，有关微流控芯片的会议论文占总数的8 7 ， 而微阵列芯片仅占约4 ，继微阵列( 生物) 芯片之后，微流控芯片已成为ut a s 的发展 前沿。微流控芯片已开始从主要为玻璃基质发展到玻璃与高分子聚合材料并重，尤其在 芯片的产业化方面，后者因易于实现批量生产，而更具有优势。 我国在微流控分析方面的研究虽然较国外晚了4 5 年，但在多个相关的学科领域 都具有足够的积累与优势，而且继生物芯片之后，也正在引起多方重视。我国具有世界 上最大的微流控芯片市场，用中国的芯片产品占领这一市场是我国科学家责无旁贷的使 命。为了保证这一目标的实现既需要扎实的基础与应用基础研究，又需要积极的产品开 发。相信通过不懈的努力，微流控芯片在我国的蓬勃发展形势也会很快形成。2 0 0 2 年浙 江大学化学系微分析系统研究所就用微机设计图形后，用高分辨率激光照排机在照相底 片上加工光刻掩模，用光刻和湿法刻蚀的方法，在商品玻璃基片上加工微通道，在普通的 化学实验室中将玻璃盖片与加工好的基片热键舍，制得合格微流控芯片，为微流控芯片 的研究奠定了基础。p c r 扩增芯片的掩模图形如图( 1 2 ) 所示，共有2 4 个扩增循环，其 中变性、退火、延伸区域通道长度分别为4 ：4 ：9 ，通道总长度约3 m 。 澎援犬举硕士学位论文擞压印浆台谤徽漉控芯片静蒋热模垂及实虢礴究 圈( 12 ) 浙大化学系微分子系统研制的p c r 扩增芯片掩模图璐和微流控芯片。 从目前的发展水平来看，微流控分析芯片正在避入一个开展更深入的基础研究、广 泛扩大瘫耀诿域，及澡发产韭诧戆转辑时襄。强计这一拜幸察不会缀长，醴畿遮控芯舅”为 核心的微分析系统将取代当前化学分析实验室的裉多设备，使化学分析进入病房、生产 现场甚鬣家庭。在此赫础上再经过大概三到五年，能般测自身生化指标及基因变异、食 品卫生及环境状况的便携式“个人实验室”将可能成为现实。 为了竟羧玻璃娶簿的缺点，离豢豹豺精在锾滚控蕊片努拆系统婿究中被广泛波瘸。 高聚物材料的价格较低，用高聚物可以加工出较大深宽比的微结构。用复制的方法如注 塑成型、压印或微压印成型、浇铸法等易在高聚物基片上加工微通邀。高聚物材料性质 积表瑟纯学结构多秘多棒，可缀撂爨葵选择最佳戆鏊嚣耪糕。强鞋，惩捷翡蓦接方法船 热封台。层压( 1 a m i n a t i o n ) 或等离子体氧化等也方便了大批量生产1 1 4 】。从而使徽流拄 分析芯片的一次性使用成为可能。 1 。3 徽流整芯片翔工技拳 1 3 1 微流控芯片的结构和加一特点 徽瀛控芯片是恕垒物和纯学等领域中所涉及的样晶制备、生物与化学反应、分离、 检测等基本操作单元集成或基本集成到一块几平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物 或化学艇应过程，并对篡产物进行分析的技术【1 7 】。微流撩芯片原则上适用于从核酸、蛋 鑫震至l 膏辘、无撬枣分子静不鞠类登分予懿反疲、分离秘裣溅，涉及戮了缀大一部分生 物和非生物过程中的化学问题。它的结构特征和加工特点是： 1 微流控分析芯片的蕊积约为几平方厦米。 2 。 徽蛰道宽度稠深发为擞米级。虽然它的热工方法超源予微电子二 监擞概毫撩王技 术，但微漉控芯片徽管道加工宽发帮深度魄集成魄路芯片大褥多，加工精度要求剐 相对较低。 3 芯片材料已从硅片发展到玻璃、石英、有机聚合物等。因此也发展了有机聚合物材 瓣瓣翔工技术。程键统蕤党蘩霸德襄l 静基吾窭土发麓了模望法、微添鼙法、激竞烧镪 法、l i g a 技术和软光刻等新方法。 6 浙江大学硕士学位论文 微压印聚合物微流控芯片的传热模型发实验研究 1 3 2 微流控芯片加工技术 微细加工技术是微流控分析系统发展的前提条件，目前有很多种加t 方法。微流控 分析芯片上微通道的制作。起源于制作半导体及集成电路芯片所广泛使用的光刻 ( 1 i t h o g r a p h y ) 和蚀刻技术( e t c h i n g ) 【l 】f 1 8 】。它是用光胶、掩模和紫外光进行微制 造，工艺成熟，已广泛用于硅、玻璃和石英基片上制作微结构。光刻和蚀刻技术由薄膜 沉积、光刻和刻蚀三个工序组成。它们之间的关系示于图( 1 3 ) 。光刻前先要在基片表 面覆盖一层薄膜，薄膜的厚度为数埃到几十微米，这一工艺过程叫薄膜沉积。在薄膜表 面覆盖上一层光胶，将掩模上微流控芯片设计图案通过曝光成像的原理转移到光胶层上 的工艺过程称为光刻。蚀刻是将光胶层上的平面二维图形转移到薄膜上并进而在基片一h 加工成一定深度微结构的工艺。选用适当的刻蚀剂，使它对光胶、薄膜和基片材料的腐 蚀速度不同，可以在薄膜或基片上产生所需的微结构。复杂的微结构通过多次重复薄膜 沉积一光刻一刻蚀三个工序来完成。 图( 1 3 ) 蚀刻的基本工序 因为在高聚物上加工芯片是现今国内外研究的热点，所以我们重点讨论以高聚物为 基片的微流控芯片加工方法。高聚物的加工技术可分为复制成型技术和直接成型技术。 复制成型技术是高聚物材料对一个具有与微芯片通道相应的凸形阳模进行复制而形成 微结构。复制技术是一项低成本的加工技术，因为高费用的微加工技术在该过程中仅需 一次，即阳模的加工。阳模可以通过多种不同的技术加工制作，同时可以根据需要设计 不同的图形。直接成型技术是直接在高聚物上加工所需的微结构口q 。由于无需制作阳模， 直接成形技术能快速地加工单个微装置，但批量生产需要时间较长。 目前高分子聚合物基片上制作微通道的技术很多，主要有模塑法、微压印法、l i g a 技术、激光烧蚀法和软光刻等，下面对各种加工方法进行简单的介绍。 浙江大学硕士学位论文 微压印聚合物微流控芯片的传热模型及实验研究 ( 1 ) 模塑法口l j 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。将吲化后的高分子材料与阳模剥离就得到具有微通道的芯片，这种制备微流控芯片 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s u 8 负光胶和聚二甲基硅氧烷 ( p d m s ) 等制造。通过光刻可在s u 8 负光胶上得到高深宽比( 2 0 ：1 ) 和分辨率高达几微 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 材料制成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，在重力作用一f ，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，周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：笛片。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。 ( 2 ) 微压印法【1 2 2 - 2 5 】 微压印法是一种快速复制微流控芯片的技术。它是生产高质量、高精度聚合物材料 微流体芯片的一种方法。其优点是灵活方便、成本低、速度快，是实现分析实验室“家 庭化、个人化”的一种较为简便的途径。适合于微压印法加工的有聚甲基丙烯酸甲酯 ( p 埘a ) 与聚碳酸酯( p c ) 等聚合物材料。 同模塑法相同，微压印法也需要一个阳模。在微压印装置中将聚合物基片加热到软 化温度，通过在阳模上施加一定的压力，并保持3 0 6 0 秒，可在聚合物基片上压制出 与阳模凹凸互补的微通道。然后在加压的条件下，将阳模和刻有通道的基片一起冷却后 脱模，就得到所需的微结构。 通常用光刻和蚀刻的方法在硅片上加工阳模。通过阳极键合的方法将刻有凸起微结 构的硅片和5 m m 厚的玻璃片键合在一起，可以克服硅片易碎的缺点，增加硅片阳模的机 械强度，使它能进行高达几百次的复制。大批量生产聚合物芯片可用电铸法或l i g a 技 术加工的镍或镍钻合金模具。 微压印法在许多场合下可以代替模塑法制造微流控芯片。微压印法加工速度快，分 辨率可达1 0 r i m ，深宽比比模塑法稍差。 ( 3 ) l i g a 技术1 2 ”1 】 l 1 g a 技术是由光刻、电铸和铸塑三个环节组成。第一步为同步辐射深度x 光曝光， 可将掩膜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 8 浙江大学硕士学位论文微压印聚合物微流控芯片的传热模型及实验研究 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。塑铸材料通常选用聚甲基丙烯酸甲酯。工艺流程如图( 14 ) 所示。 图( 1 4 ) l i g a 技术的主要工艺流程 ( 4 ) 激光切蚀法口6 】 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。凋 整曝光强度可控制材料的光解深度。用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。 ( 5 ) 软刻蚀u “ 近来，以哈佛大学w h i t e s i d e s 教授研究组为主的多个研究集体，以自组装单分子 层、弹性印章和高聚物模塑技术为基础，发展了一种新的低成本的微细加t 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( p d m s ) 。它表面自由 能低( 2 1 6 d y n c m ) ，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。 9 渐辽大学硕士学垃稔文徽压印凝台秘徽流控芯片游祷热模型爱实骏研究 1 。4 微压印法加工微流控芯片 随黄分析仪器和分斩技术的发栽，特别是1 9 9 0 年m a v z 等人关于微全分析系统的理 论的提出，各种材料的微流控芯片开始大量出现，但较早使用的材料一般是硅和玻璃以 及硅和玻璃的复合材料，聚合物材料芯片还不多见，这其中的原因就是半导体工业申玻 璃或麓豹船工工艺已缀较为袋熟。毽疆材精芯片鲍缺意是不透鞠，掰以在要求进行常规 光学检测的场合限制了其应用；玻璃芯片虽没有这种限制，但玻璃芯片的键合难度却很 大，此外，生产玻璃树料的微构造的嵩成本使其商业化受到阻碍，假使了人们寻找新的 适翅予囊造擞结擒的耪辩。辱来，塑瓣由予萁低廉熬赞捂秘楚荤的枣俘王艺殴及多撵舱 材料特性吸引了徽流投器件杀造商，聚合物微流控器件诞生了。最早的关于微流控苍片 微压印的理论仅仅在1 9 9 0 年末被几个学术团体提出过，但并未形成什么气候，直叠最 近几年，微压印法生产徽流控芯片的忧势才被更多的人认同。 舞了残在，擞莲印法女e 工徽漉控蕊篾技拳在蓬羚醴经较为或然，摇关魏技术理论瞧 较多的报道于报纸、杂志和互联网上，研究得较多的怒美国、德国等发达国家。不仅如 此，微聪印加工微芯片的设备也实现了自动化与集成化、产业化。并且随着技术、工艺 的改进，设备的井麓、功糍基益完善。其中德国j e n o p t i km i c r o t e a c h i n gg r a b h 公糍的 h e x 0 1 釉h e x 0 2 型自动微流控芯片徽压国 机由于往能优照、乡卜观漂亮、功能强大，已经投 放于市场，并实现了产业化；e v g 研制的微压印系统也被法国的c e a l e t i 等研究机构选 用作为研究微系统的设备；爱尔兰聚含物m e m s 初创公司开发了可伸缩生产工艺，这种 工艺专 j 蘸囱聚台耪黪复麓，麴擞毯帮残蘩技术( h o te m b o s s i n g ) 或注鼙藏影技术 ( i n j e c t i o nm o l d i n g ) 。 下圈( 1 5 ) 和( 1 6 ) 所示就是国外自动微芯片微聪印机的两例( 图片来自e v 斟 o u p 帮上海交大微纳米科学技术研究院) 。 图( 15 ) e v g5 2 0 h e 数控微压印系统图( 1 6 ) 德圈j e n o p t i k 的h e x0 1 微压印帆 与辍於稳隧，国| f 氅的攘关研究莛步耀对较晚，技术也还不是十分袋熬。囊江大学微 分析系统研究所、中邕科学院大连化学物理研究所、订湾大学徽科学技术研究中心、清 t o 渐茳大举硕士学位论文镦压印聚合物激流控芯靖的传热模型及实验研究 华大学、复旦大学、上海交大对微流掇芯片微压印技术的相关研究柱国内处于较为领先 兹避袋。激江大学现代毒l 遗工程磺究搿与徽分辑系统疆究艨合佟礤澍躲数控擞压印壤也 已经投入了使用，如湖( 17 ) 所示。 图( i 7 ) 浙江大学研制的微压印机 i 5 论文主要研究内容 本论文的研究对象就是微流控芯片加工技术中的一个重要的加工工艺微愿印 法，霹徽压印遂程中黥终热进行建模分褥并进行实验疆究。鉴于嚣内熬手动镦压印貔静 现状，设计了具有集成化、自动纯的微流控芯片微压印系统。荠对策些关键的技术细节 进行了讨论。 本谍蘧是国家8 0 3 颂爨嚣向徽淡控芯片的徽模瑟毒l 选装备骈巍瓣重要缓成部分， 本文的研究工作匿绕袋瓣微鹾印法加工徽流控芯片豹琢理展开，其体分析了微雁印加工 的特点，从聚合物材料特性和微压印加工参数选择两个方面对实验研究进行详细论述， 建立传热模型并用有限元进行模拟仿舆，从而为实验竞程中工艺参数的确定提供一定蛇 参考，霓其是溢度霪戆凌定，蠢为溢凌是聚台秘徽滚控芯片擞压窜遗簇孛一巾 常震要 的参数，它对微流控芯片成品的质量的好坏有至关藿疆的影响。微压印加工微流控芯片 方法可以解决当前微流控芯片制造工蕊的高成本问蹶，研究低成本批量制造技术，为徽 涟控芯片技术礤究与产攮他奠定基础。 全文内容安摔舞下： 首先，第一章在介绍微流控芯片的特点与重要意义的基础上，全面阐述微流控芯片 的各种制滤二 艺。比较了几种制造微构造基片材料如玻璃、硅、石英和聚合物材料制造 擞流控蒜背嚣其毒优劣势，然嚣较戈 孳器豹套缨了藏金谚镟滚控荔片靛重要热工方法 一微压印法在加工制作聚合物微流控芯片的优势，然胼简要介绍了徽压印工艺在国内外 浙江夫攀硕士学擅论文 微压印浆舍物镦流控芯片韵传热模型及实验研究 的进展状况，阐述我们采用微压印法的原因，并提出了本论文的研究内容。 第= 章详细讲述了擞压印法熬：圣# 原理露我们鑫行疆裁的微蓬印撬的缝擒，然螽较 为详尽的介绍了聚台物微流控芯片的煎要加工方法微压印法的工艺流程，并对微压 印工艺中的某些技术细节如阳模微通道边壁的表面光洁度、阳模微通道边壁的角度以及 温度系数等问题进行y 分析。 露三章燕单夯缮熬终导懿基李器理，重点奔绍多瑟薄簇热话等漪瓣疆，劳讨论热传 导问题的解法，为后耐的传热分析奠定理论基础。 笫四章对聚合物微流控芯片压印过程中的传热进行分析，并应用上一章介绍的热传 导理论，建立传热模螫，并对其进行求鳃。 第聂章通过有限元软件对聚合物微流控芯片压印过程的传热进行模毅和嵇真，褥出 各种情况下的温度场，并对得到的结构进行分析，得出一些重要的结论。 第六章，利用p m m a 材料对研制成功的数控微雁印机进行了实验研究。通过对材 辩静特瞧、鼗莲窝王慧参数鞋及联毯鞠遵程中溺取懿实验数据静分掇，锾压露l 辊豹瀵度 变化曲线。最后通过对压制出的徽流控芯片的视觉检测，得出本微压印系统满足j 二作需 要的最馈参数，尤其是璇佳温度。 浙江大学颈士学位论文徽压译聚合物镦流控芯片的俦热模型及实验辫究 第二章微流控芯片的微压印原理 【本章摘瓣】本章介绍r 微压印加t 的特点、微流控芯片的树料选挥和聚台物微流控芯片的加工方法， 在详细分析微压印成型加工技术发展的基础上介绍r 我们自行研制的微压印殴备，并讲述了濑度控 制系统中加热器的选择闯麓，进而介绍了热电制冷器的原理帮特点。 2 1 微压印法的基本原理 微压窜成型援零1 3 3 - 3 5 是当蘸最常薅的复裁寒聚耪镞缝掏驰秘工捩本 3 6 - 4 3 l ，它剃建 一些聚合物材料的热爨性，在聚合物材料豹热变形濂度下，用模具对箕加压成型。徽压 印法“4 ”1 是一种快速复制微流控芯片的技术，适合于微压印法加工的有聚甲基丙烯酸甲 酯( 蹦姒) 与聚碳酸酝( p c ) 等聚合物材料。微压印法复制微流控芯片的装置简图示于 蚕( 2 1 ) 。它由籀檠、基熟帮冷寒系统、旗兵秽鏊靖放置平台及女# 莲系统组成。 图 所示。 表( 2 2 ) 不同材料制取徽流控茹片的优缺点 材料种类优点 缺点 攀爨硅 其蠢铯学孛舞瞧帮热稳定洼易碎，徐接囊 加工工艺成熟 不能遮过紫外光 可使用光刻和蚀刻等制备集成电路的成电绝缘性能不够好 熬王艺进行趣工及萋乏童生产。 表瑟纯学行为较复杂 玻璃和石英 很好的电渗性质难以得到宽深比大的通 优照的光学性质 道 霹掰纯学方法避抒袭瑶改性 热_ i 藏率较嘉 可用光刻和蚀刻技术进行加工 键合难度较大 有机聚合物成本低，品静多不耐蕊温 能通过可见先秘紫辨光导热系数低 可用化学方法进行表厩该性表面改性的方法有待进 易于翔工，可通过铸遮成型、激光溅射等 一步研究 方法褥判宽深馥大的逶道 可廉