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河北工业丈学硕士学位论文 基于快速成型技术的微流控芯片 制造方法研究 摘要 面临着2 l 世纪科技发展中提出的众多挑战，分析仪器和分析科学也正经历 着深刻的变革，其中一个曰益明显的发展趋势就是仪器设备的微型化、集成化与 便携化，微全分析系统是这一发展时期的典型代表。 本文在对现有微流控芯片加工方法以及快速成型工艺进行综述的基础上，提 出了利用液态树脂光固化快速成型法加工微流控芯片的方法。将快速成型技术引 入到微流控芯片加工领域，在相关文献中尚未见报导，具有重要的创新价值。 本文系统论述了液态树脂光固化快速成型法的加工原理，并分析了目前大部 分快速成型机采用的s t l 文件格式的不足。由此提出，利用直接分层的方法代替 先对三维实体进行s t l 面片化再分层的方法。利用对a u t o c a d 的二次开发，实 现了对三维实体直接分层并存储为b m p 文件的功能。在v c + + 6 0 编程环境 下，编制软件对所得b m p 文件进行了处理，使其满足快速成型工艺的要求。读 取b m p 文件信息，通过计算机并行口，直接发送脉冲控制步进电机带动工作台 运动，完成整个芯片的加工。最后通过具体实验验证了本实验装置的可行性，并 提出了改进方案。 关键词：微流控芯片微全分析快速成型c a d 二次开发 基于快速成型技术的微流控芯片制造方法研究 r e s e a r c ho fm i c r o f l u i d i cc h i pm a n u f a c t u r i n gm e t h o d b a s e do nr a p i dp r o t o t y p et e c h n o l o g y a b s t r a c t f a c e dw i t ht h en u m e r o u sc h a l l e n g e sw h i c ha r e p u tf o r w a r dd u r i n gt h e d e v e l o p m e n to fm o d e r ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，a n a l y t i c a l i n s t r u m e n t sa r e g o i n gt h r o u g hg r e a tc h a n g e s m i c r o m a t i o n ，i n t e g r a t i o na n dc o n v e n i e n c yo f i n s t r u m e n ta r ei no b v i o u sd e v e l o p m e n tt r e n d m i c r ot o t a la n a l y t i c a ls y s t e mi sa t y p i c a lr e p r e s e n t a t i o no ft h e mi nt h i sd e v e l o p i n gp e r i o d s u m m a r i z a t i o no fc u r r e n tm a n u f a c t u r i n gm e t h o d so fm i c r o f l u i d i cc h i pa n d r a p i d p r o t o ( r p ) t e c h n o l o g yi sm a d ei nt h ea r t i c l e a n dt h e n an e wm e t h o d w h i c hu s e ss t e r e o l i t h o g r a p h y ( s l a ) t e c h n o l o g yt om a k em i c r o f l u i d i c c h i pi s p u tf o r w a r d t h i sm e t h o di so fi m p o r t a n ti n n o v a t i v ev a l u e t h et h e o r yo fs l a t e c h n o l o g yi sd e t a i l e dd e s c r i b e di nt h i sa r t i c l e t h e n t h e d e f i c i e n c yo fs t lf o r m a ti sa n a l y z e d an e wm e t h o di nw h i c ht h et h r e e d i m e n s i o n a lb o d yi sd i r e c t l yd e l a m i n a t e di sp u tf o r w a r d t h ed e l a m i n a t i o nf i l e i ss a v e da sb m pf o r m a t t h eb m pf i l ei sp r o c e s s e db yv c + + p r o g r a m m e t h e s t e pm o t o ri s c o n t r o l l e d t h r o u g hc o m p u t e rp a r a l l e lp o r t t h es t e pm o t o ri s c o n n e c t e dw i t hw o r k b e n c h i nt h ee n d ，e x p e r i m e n ti sm a d et op r o v et h e f e a s i b i l i t yo ft h ew h o l es y s t e m k e yw o r d s ：m i e r o f l u i d i c c h i p ， ut a s ， r a p i d p r o t o t y p e ， c a ds e c o n d a r y d e v e l o p m e n t i l 河北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 当前许多发达国家已把现代科学仪器当做信息社会的源头和基础纳入未来发展的战略重 点，而分析仪器又是现代科学仪器重要的组成部分之一。人类基因组计划的提前完成充分说 明了先进的分析仪器与技术在现代高科技发展中的关键作用。面对2 1 世纪科技发展中提出的 众多挑战，分析仪器和分析科学也正经历着深刻的变革，其中一个日益明显的发展趋势就是 仪器设备的微型化、集成化与便携化。当前，分析仪器的发展正在出现一个以微型化为主要 特征的、带有革命性的重要转折时期。其中，微分析系统是这一发展时期的典型代表，以 1 9 9 0 年由瑞士的m a n z 和w i l d m e r 首先提出的“微全分析系统( m i c r ot o t a la n a l y s iss y s t e m ， 即l jt a s ) 和媒体报道较多的“生物芯片( b i o c h i p s ) ”或称“微阵列芯片”( m i c r o a r r a y c h i p s ) 的发展势头最为强劲。在ut a s 中，微流控芯片系统( m i c r o f l u i d i cc h i p s y s t e m s ) 也通俗地称为芯片上的实验室( l a b o n a c h i p ) ，正处于当前发展的前沿，具 有广阔的发展前景。 4 0 年前微电子技术在信息科学的发展中引发了一场革命，并对2 0 世纪的科技发展起了藿 要的推动作用。最近的发展表明，从z o 世纪9 0 年代开始的以微细加工技术为基础的ut a s ， 预计在未来1 0 年内也将对分析科学乃至整个科学技术的发展发挥相似的作用。l jt a s 是为了 适应信息时代的需要，最早在1 9 9 0 年提出的。其最终目的是通过分析设备的微型化与集成 化，最大限度地把分析实验室的功能转移到便携的分析设备中，实现分析实验室的“个人化” 和“家用化”。当前的微分析系统可分为芯片式与非芯片式两大类( 如图1 1 ) 。 基于快速成型技术的微流控芯片制造方法研究 图1 1 微分析系统 f i g1 1m i c r o a n a l y t i c a ls y s t e m s 目前芯片式是发展重点，其中依据芯片结构及工作机理又可分为微阵列( 生物) 芯片和u t a s 中的微流控芯片，这两种技术间虽有少量交叉，但基本经历了各自独立的发展过程，所 依托的基础学科与技术以及应用领域也不尽相同。微阵列( 生物) 芯片主要以生物技术为基 础，咀亲和结合技术为核心，以在芯片表面固定一系列可寻址的识别分子阵列为结构特征。 因为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80 年代末。它使用方便，测定快速。但一般是一次性使用，并有很强 的生物化学专用性。这类芯片在前几年发展较快，在国外已实现深度产业化，生产技术已趋 于成熟，生产生物芯片的企业数以百计。微流控芯片则主要以分析化学和分析生物化学为基 础，以微机电加工技术为依托，以微管道网络为结构特征，以生命科学为目前主要的应用对 象，是当前微全分析系统发展的重点。它把整个化验室的功能，包括采样、稀释、加试剂、 反应、分离、检测等集成在微芯片上，且可多次使用，因此具有更广泛的适用性。从表1 1 中 对微流控芯片与生物芯片的比较总可看出二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，这样才能有利于两种芯片的平行健康发展。 微芯片分析系统的出现不仅可使珍贵的生物试样与试剂消耗大大降低到微升甚至纳升 级，而且使分析速度成十倍百倍地提高，费用成十倍百倍地下降，从而为分析测试技术普及 到千家万户创造了条件。微流控芯片分析系统除涉及到大量的微加工技术和芯片材料的知识 外，还涉及到广泛的基础理论和应用基础知识，例如微米通道中的传质、导热、吸附及微区 反应规律等。这些都对相关的研究提出了挑战。 河北工业大学硕士学位论文 表1 1微流控芯片与生物芯片比较 t a bl el1 c o m p a r i s o nb e t w e e nm i c r o f l u i d i cc h i pa n db i o c h i p 微流控芯片生物芯片 快速成型( r a p i dp r o t o t y p i n g 简称rp ) 技术是20 世纪80 年代末期诞生的 种高新制造技术。是将计算机辅助设计( cad ) 、计算机辅助制造( cam ) 、计算机数 字控制( cnc ) 、激光技术、精密伺服驱动和新材料等先进技术集成一体，依据计算机上 构成的工件三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的二维轮廓，按照这些轮廓， 激光成型头选择性地固化一层层的液体树脂( 或切割一层层的片材、烧结一层层的粉末材 料、喷涂一层层的热熔材料或粘结剂等) 形成各个截面的轮廓，并逐步顺序叠加成三维工 件。能够自动、直接、快速、精确地将设计思想转变成具有一定功能的原型或直接制造零 件，从而可以对产品设计进行快速评估、修改及功能实验，大大缩短了产品的研制周期。目 前快速成型技术已经成熟并进入了商品化阶段。目前典型的快速成型系统主要有液态树脂光 固化快速成型系统、箔材料热切割快速成型系统、粉末烧结快速成型系统、丝状材料热熔融 快速成型系统，其中以液态树脂光固化快速成型法精度虽高，可以达到0 1 m m 。 卜2 研究的目的和意义 虽然快速成型技术已经进入商品化阶段，但是目前该技术并未被应用到微流控分析芯片 的加工领域，如何基于快速成型制造技术加工微流控芯片是本项目所研究的核心内容。快速 成型技术是一种真正意义上的数字加工，其最大特点就是成形过程基本上不受模型复杂程度 基于快速成型技术的微流控芯片制造方法研究 的限制。基于r p 技术的本身的特点，将它应用于微细加工技术中有着诸多优点，如元器件 形状结构的设计和加工不受任何限制：所需设各经济，不需专用的空气净化设备：缩短从产 品的设计到完成的时间；加工过程工序少，全自动化；无需制备掩模或模具，简化了工艺。 由于微流控芯片的研制目前正处于试制和小规模制造阶段，需要不断反复地修改、评价 和仿真测试。rp 技术恰好可以满足这一需要，将rp 技术应用于微流控芯片制造过程，将 会大大缩短微流控芯片的研制周期，为我国开发研制微流控芯片探索设计理论，制造方法， 积累实验经验。目前，本课题已经得到了我校2 1 l 专项基金的支持。 卜3 国内外研究现状 微全分析系统的概念是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”1 ，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，而并没有明确其外型特 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 m m ，面积为数平方厘米至十几平方厘米的平板芯片。但是直到 1 9 9 4 年之前，这一新领域的发展前景并不十分明朗。从1 9 9 4 年始，美国橡树岭国家实验室的 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。1 9 9 5 年美国加州大学b e r k e l e y 分校的m a t h i e s 等人”1 在微流控芯片上实现了高速d n a 测序，徽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 月份，首家微流控芯片企业c a l i p e r t e c h n o l o g i e s 公司在美国成立，虽然只有3 0 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 控芯片的开发企业纷纷与世界著名分析仪器生产厂家( 其中包括惠普、p e 、岛津、目立等) 合作，利用各自优势技术平台抢先推出微流控分析仪器。1 9 9 9 年9 月惠普与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2 0 0 0 年8 月已可提供用于核酸及蛋白 质分析的5 6 种芯片，其他几家厂商也于2 0 0 0 年开始将其产品推向市场。 为了使与微全分析系统研究有关的各学科的学者有机会在同一个会议中进行交流， 1 9 9 4 年在荷兰e n s c h e d e 举行了首届国际微全分析系统学术会议，其中也包括了生物芯片 4 基于快速成型技术的微流控芯片制造方法研究 的限制。基于r p 技术的本身的特点，将它应用于微细加工技术中有着诸多优点，如元器件 形状结构的设计和加工不受任何限制：所需设备经济，不需专用的空气净化设备；缩短从产 品的设计到完成的时间；加工过程工序少，全自动化：无需制各掩模或模具，简化了工艺。 由于微流控芯片的研制目前正处于试制和小规模制造阶段，需耍不断反复地修改、评价 和仿真测试。rp 技术恰好可以满足这需要，将rp 技术应用于微流控芯片制造过程，将 会大大缩短微流控芯片的研制周期，为我国开发研制微流控芯片探索设计理论，制造方法， 积累实验经验。目前，本课题已经得到了我校2 1 1 专项基金的支持。 卜3 国内外研究现状 微全分析系统的概念是l9 9 0 年首次由瑞+ c i b a g e j g y 公司的m a n z 与w l d m e r 提出”1 ，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，而并没有明确其外型特 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，从而把礅系统的主要 构型定位为一般厚度不超过5 m m ，面积为数平方厘米至十几平方厘米的平板芯片“3 。但是直到 1 9 9 4 年之前，这一新领域的发展前景并不十分明朗。从1 9 9 4 年始，美国橡树岭国家实验室的 r a m s e y ”3 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。1 9 9 5 年美国加州大学l ；e r k e l e y 分校的m a t h i e s 等人。1 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 月份，首家微流控芯片企业c a l i p e r l e c h n o l o g i e s 公司在美国成立，虽然只有3 0 多名雇员，但一年即集资近千万美元。1 9 9 6 年 1 l i a t h ie s 悼等又将基因分析中有重要意义的聚合酶链反应扩增与毛细臂电泳集成在一起， 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，从而为徼流控芯片在基因分析甲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 控芯片的开发企业纷纷与世界著名分析仪器生产厂家( 其中包括惠普、p e 、岛津、日立等) 台作。利用各自优势技术平台抢先推出微流控分析仪器。1 9 9 9 年9 月惠普与c a l jp e r 联台研制 的首台微流控芯片商品化仪器开始在欧美市场销售，至2 0 00 年8 月己可提供用于核酸及蛋白 质分析的5 6 种芯片，其他几家厂商也于2 0 0 0 年开始将其产品推向市场。 为了使与微全分析系统研究有关的各学科的学者有机会在同一个会议中进行交流， 1 9 9 4 年在荷兰e n s c h e d e 举行了首届国际微全分析系统学术会议，其中也包括了生物芯片 t 9 9 4 年在荷兰e n s c h e d e 举行了首届国际微牟分析系统学术会议，其中也包括了生物芯片 4 河北工业大学硕士学位论文 的内容，当时仅1 6 0 余人参加。自19 94 年在荷兰e n s c h e d e 召开首届该专题的国际会议 后已经先后举行6 届，在2001 年匹兹堡国际仪器展览和学术会议上有4 个关于该方向的 专题会议，近百篇关于这一主题的学术论文。会议充分反映出这一科技前沿领域的异常活跃 及高速发展，同时也反映出各科技强国在此领域的激烈竞争。 微流控芯片当前无论在基础研究还是产品开发方面国际上的竞争都日趋白热化。参与竞 争的既有世界名牌大学和研究所，也有世界最大的分析仪器厂家。然而目前在微流控芯片各 方面都领先的美国也仅在90 年代中期才有较大投入，起步时间都还不久，我国近几年也加 大了相关的投入，力争迅速赶上本领域的国际先进水平。我国已经先后召开两届全国微全分 析系统学术会议，并将于今年五月召开第三届。 在微流控芯片加工方面，我国科技工作者已经取得了一些成果。比如大连理工大学罗怡 等，以商品化的s o d a l i m e 玻璃为材料，利用照相制版法制作沟道为5 0um 的掩膜；采用 湿法刻蚀的方法腐蚀沟道，加工成了十字沟道的微流控芯片( 如图1 2 ) 。 图1 2 十字沟道的微流控芯片 e r o s sc h a n n e lm i c r o f l u i d i cc h i p 北京工业大学激光工程研究院首次在国内进行了p m m a 基生物芯片的大功率紫外激光微 加工实验”1 ，实验所采用的激光器为德国l a m b d ap h y s i k 公司l p x 3 0 5 i f 激光器，工作波 长为2 4 8 n m ，最大单脉冲能量1 2 j 。已经成功加工成多路微通道、四层重叠的、三维立体微 流控芯片以及1 0 个循环的p c r 微流控芯片( 如图1 3 ，图1 4 ) 。 5 基于快速成型技术的微流控芯片制造方法研究 图1 3 三雏微流控芯片 f i g1 3t h r e ed i m e n s i o n a lm i c r o f l u i d i cc h i p 图1 4 10 个循环的p c r 微流控芯片 f i g1 ，4t e nc i r c u l a t i o np c rm i c r o f l u i d i cc h i p 1 4 本课题的主要研究内容 本课题的主要研究内容是采用快速成型的方法加工微流控分析芯片。主要完成以下工作： 1 、通过比较，确定系统总体方案，选择硬件设备： 2 、利用a u t o c a d 的二次开发功能，实现三维实体的分层，并以b m p 图像文件的格式，逐层存 储； 3 、对所得b m p 文件，在v c + + 平台下编制软件进行处理，主要是对固化区域进行填充和对各点 象素值进行提取； 4 、通过读取b m p 文件，利用计算机并口控制工作台完成x 、y ；b - 向逐点扫描，并控制固化光源 快门的开关，完成固化成型： 5 、分析实验结果，提出改进方案。 6 河北工业大学硕士学位论文 第二章微流控芯片材料及其加工方法 2 一l 微流控芯片材料及特点 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， 如环氧树脂、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂( p m m a ) 、聚碳酸酯( p c ) 和聚二甲基硅氧烷( p d m s ) 等”。 2 - 1 1 硅材料 硅与二氧化硅具有良好化学惰性和热稳定性，硅单晶生产工艺成熟，在半导体和集成电 路上得到了广泛的应用。在微电子学发展的过程中，硅的微细加工技术已日趋成熟。在硅片 上可使用光刻技术高精度地复制二维图形，并可使用制各集成电路的成熟工艺进行加工及批 量生产。即使复杂的三维结构，也可以用整体和表面微加工技术进行高精度的复制。因此， 它首先被用于制作微流控芯片。 硅材料的缺点是易碎、价格贵、不透光、电绝缘性能不好、且表面化学行为较复杂。这 些缺点限制了它在微流控芯片中的广泛应用。但由于它良好的光洁度和成熟的加工工艺，可 用于加工微泵、微阀等液流驱动和控制元器件。此外，在用热压法和模塑法制作高分子聚合 物芯片时常用它制作相应的模具。 2 - 1 - 2 玻璃和石英 玻璃和石英有很好的电渗性质和良好的光学性质，而且它们的表面性质，如湿润能力、 表面吸附和表面反应性等，都有利于使用不同的化学方法对其进行表面改性。使用光刻和蚀 刻技术可以将微通道网络刻在玻璃和石英上，因此玻璃和石英已经广泛的应用于微流控芯片 的制作。 2 - 1 3 高分子聚合物 高分子聚合物材料是继硅和玻璃之后一种重要的微流控芯片材料。该材料具有种类多、 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。不同的高分子材料物理化学性质不同，在选择适用的聚合物材料时，应注意以下几点： a 、聚合物材料应有良好的光学性质； b 、聚合物材料应容易被加工； c 、在所采用的分析条件下材料应是惰性的； d 、材料应有良好电绝缘性和热性能。 基于快速成型技术的微流控芯片制造方法研究 2 - 2 微流控芯片加工技术 微流控芯片的加工方法起源于微电子工业的微机电加工技术和微电子加工技术，但它有 不同于以硅材料二维浅深度加工为主的集成电路芯片加工技术“。微管道的加工宽度和深度 比集成电路芯片大的多，加工精度要求则相对较低。近来，随着微流控芯片应用领域的扩大， 微流控芯片的加工技术已经成为人们关心的热点课题。 2 - 2 1 微流控芯片典型结构 典型的微流控分析芯片通道构型为十字型，适用于微量进样后的毛细管电泳分离( 如图 2 1 ) 。横的短通道为试样通道，竖的长通道为分离通道。试样通道左侧液池中装有试样，其他 3 个液池中均装有分离缓冲液。液池中插入电极后，先在试样通道两端施以商压直流电压，使 试样在电场驱动下经由左通道通过通道交叉口进入右通道及右池中。当电压切换到上下液池 时，通道交叉处的试样将被注入分离通道中。并在电场作用下通过电渗与电泳使试样中待测物 达到分离。分离的组分在分离通道下游以适当方式( 现多采用激光诱导荧光法) 进行检测。 图2 1 十字通道微流控芯片的进样操作 f i 9 2 1i n f u s i n gs a m p l eo p e r a t i o no fc r o s st y p ec h a n n e lm i c r o f l u i d i cc h i p 芯片面积般为数平方厘米，通道尺度约为2 0 1 0 0um 宽，1 0 3 0um 深，液体的总体积多 在n l ( 1 0 。9 l ) 水平，最常用的控制液流的手段是在通道两端的电极上施以电压，通过产生的电渗 流驱动液流。通过电场强度和方向的控制可以灵活、重现地控制液体流动的方向和速度，从而 实现试样的计量、混合、反应、加温、分离与转移等分析实验室中常规操作。微加工技术能在 芯片上制作出极为精细复杂的通道几何结构，因此在数平方厘米的小面积上仍可完成十分复杂 的操作和功能，如精确的定量进样、汇流技术、各种毛细管电泳分离技术、在线试样前处理、 柱前或柱后衍生，甚至同时在芯片上进行微量反应，如有机合成、p c r ( 聚合酶链反应) 等。 2 - 2 - 2 微流控芯片加工方法 r 河北工业大学硕士学位论文 1 ) 光刻工艺 光刻是用光刻胶、掩模、和紫外光进行徽制造，其工艺如下( 如图2 ，2 ) ： ( a ) 仔细地将基片洗净； ( b ) 在干净的基片表面镀上一层阻挡层，例如铬、二氧化硅、氮化硅等； ( c ) 再用甩胶机在阻挡层上均匀地甩上一层几百埃厚的光敏材料光刻胶。光刻胶 的实际厚度与它的粘度有关，并与甩胶机的旋转速度的平方根成反比； ( d ) 在光掩模上制备所需的通道图案。将光掩模覆盖在基片上，用紫外光照射涂有 光刻胶的基片光刻胶发生化学反应； ( e ) 用光刻胶配套显影液通过显影的化学方法除去经曝光的光刻胶层：这样可用制 版的方法，将底片上的二维几何图形精确的复制到光刻胶层上。 ( f ) 烘干后，利用未曝光的光刻胶的保护作用，采用化学腐蚀的方法在阻挡层上精 确腐蚀出底片上的平面二维图形。 图2 2 光刻微加工主要步骤 f i g2 2m a i np r o c e s so fl i t h o g r a p h ym i c r om a c h i n i n g 掩模制备 用光刻的方法加工微流控芯片时，必须首先制造光刻掩模。对掩模有如下要求： 8 掩模的图形区和非图形区对光线的吸收或透射的反差要尽量大； b 掩模的缺陷如针孔、断条、挢连、脏点和线条的凹凸等要尽量少； c 掩模的图形精度要高。 通常用于大规模集成电路的光刻掩模材料有涂有光刻胶的镀铬玻璃板或石英板。用计算 9 基于快速成型技术的微流控芯片制造方法研究 机制图系统将掩模图形转化为数据文件，再通过专用接口电路控制图形发生器中的曝光光源、 可变光阑、工作台和镜头、在掩模材料上刻出所需要的图形。但由于设备昂贵，国内一般科 研单位需通过外协解决，延迟了研究周期。 由于微流控芯片的分辨率远低于大规模集成电路的要求，近来有报道使用简单的方法和 设备制备掩模“2 ”1 ，用微机通过c a d 软件将设计微通道的结构图转化为图像文件后，用高分 辨率的打印机将图象打印到透明薄膜上，此透明薄膜可作为光刻用的掩膜，基本能满足微流 控芯片对掩膜的要求。 湿法刻蚀1 在光刻过的基片上可通过湿刻和干刻等方法将阻挡层上的平面而维图形加工成具有一定 深度的立体结构。近年来，关于湿法刻蚀微细加工的报道较多“5 、，适用于硅、玻璃和石英 等可被化学试剂腐蚀的基片。已广泛用于电泳和色谱分离。 湿法刻蚀的程序为： ( a )利用阻挡层的保护作用，使用适当的蚀刻剂在基片上刻蚀所需的通道； ( b )刻蚀结束后，除去光胶和阻挡层，即可在基片上得到所需构型的微通道； ( c )在基片的适当位置( 一般为微通道的端头处) 打孔，作为试剂、试样及缓冲液蓄 池。刻有微通道的基片和相同材质的盖片清洗后，在适当的条件下键合在一起就 得到微流控分析芯片。 玻璃和石英湿法刻蚀时，只有含氢氟酸的蚀刻剂可用，如h f h n o ，”“，h f n h 。f ”。由于 刻蚀发生在暴露的玻璃表面上，因此，通道刻的越深，通道= 壁的不平行度越大，导致通道 上宽下窄，例如，10 1 1m 深的通道，上宽为48 m ，下宽为32pm 。这一现象限制了用 湿法刻蚀在玻璃上刻蚀高深宽比的通道。 等离子体刻蚀 等离子体刻蚀是一种以化学反应为主体的干法刻蚀工艺，刻蚀气体在分子高频电场作用 下，产生等离子体。等离子体中的游离基化学性质十分活泼，利用它和被刻蚀材料之间的化 学反应，达到刻蚀微流控芯片的目的。 等离子刻蚀已应用于玻璃、石英和硅材料上加工微流控芯片，如石英毛细管电泳和色谱 微芯片”“。先在石英基片上涂上一层正光胶( 曝光后脱落的光胶) ，低温烘干后，放置好掩 模，用紫外光照射后显影，在光胶上会产生微结构的图像。然后用活性c h f a 等离子体刻蚀石 英基片，基片上无光胶处会产生一定的深度通道或微结构。这样可产生高深宽比的微结构。 近来，也有将等离子体刻蚀用于加工聚合物上的微通道的报道。 河北工业大学硕士学位论文 2 ) 模塑法 用光刻和蚀刻的方法先制出阳模( 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问粘附力小，易于脱 模。 微模可由硅材料、玻璃、环氧摹s u 一8 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 一8 负光胶”5 1 上得到高深宽比( 20 ：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、玻璃等材料制得的母模 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) 、环氧树脂和聚胺脂等，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于固化的高分子材料，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， 其实用价值尚待探讨。 3 ) 软刻蚀 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 “( s e l f - a s s e m b l e dm o n o l a y e r ，s a s ) 、弹性印章( e l a s t o m e r i cs t a m p ) 和高聚物模塑料 ( m o l d i n go fo r g r a n i cp o l y m e r s ) 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一一弹性印章。其方法有微接触印刷法“7 ”1 、 毛细微模塑法“”、转移微模塑法1 、微复制模塑法。1 1 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( 一21 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。 徽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 基于快速成型技术的微流控芯片制造方法研究 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 3n m ，改变烷链中亚甲 基的数目可在0 1 n m 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各有关图形的模具，将p d m s 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量小，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。 微接触法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、 表面性质的研究有很大的应用前景”。 有机聚合物模塑法包括毛细管微模塑法( m i c r o m o i d i n gi nc a p i a r i e s ，m i m i c ) 、微 转移模塑法( m i c r o t r a n s f e rm o l d i n g ， 1 1t m ) 和复翎模塑法( r e p l i c am o l d i n g ) 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 通道凹凸互补的结构。m i m i c 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，在基片上就印出了高分子材料构成的图形。u 硼已用于制作光学波导管。采用紫外 光固化聚胺酯，用h 硼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，迅速。 微复制模塑法是通过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30n m 到几厘米的微结构。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，己用于制各微光栅”“，聚合物波导管 1 、微电容1 和微共鸣器“”等。而光刻只能在光胶这类聚合物上加工微结构。 4 ) 热压法 热压法( h o te m b o s s i n g ) 是一种快速复制微流控芯片的技术。适合于热压法加工的有聚 甲基丙烯甲酯( p m m a ) 与聚碳酸酯( p c ) 等聚合物材料。热压法需要一个阳模。在热压装置 中将聚合物基片加热到软化温度( p m m a1 0 6 ：，p c1 5 0 ) ，通过在阳模上施加一定的压力( 4 英寸面积加力2 0 3 0 k n ) ，并保持3 0 6 0 s ，可在聚合物基片上压制处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。 1 2 河北工业大学硕士学位论文 这种方法可大批量复制，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。 5 ) 激光烧蚀法3 激光烧蚀法是一种新的微细加工技术。它可直接根据计算机c a d 的数据在材料上加工复 杂的微结构，是一种非接触的加工工具。在加工微模和微通道中已经得到了广泛的应用。 聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯等高分子材料在紫外激光作用下可降解成易挥发的小分子。 用紫外激光通过显微物镜和光刻掩模，将激光能量聚焦在可光解高分子材料基片上，使光刻 掩模在高分子基片上所界定区域内发生激光溅射。调整激光强度和基片表面所接收激光的脉 冲数，可控制激光烧蚀的深度，得到有一定深度微通道的基片。它和另一片打好孔洞的盖片 热键合就得到所需的芯片。 这种方法步骤简便，精度好，不必在超净实验室中进行。但需要用紫外激光器，对设备 要求较高。由于紫外激光器能量大，有一定危险，需要在标准激光实验室中进行操作。 6 ) l i g a 技术1 l i g a 是德国学者发明的微制造技术，它是德文光刻( l i t h o g r a f i e ) 、电铸 ( g s l v a n o f o r m u n g ) 、模铸( a b f o r m u n g ) 的缩写，主要包括三个工艺：深层同步辐射软x 射线光 刻、电铸成型及铸塑。它最大的特点是能制作高径比很大的塑料、金属、陶瓷的三维微结构。 广泛应用于微型机械、微光学器件制作、装配和内连技术、光纤技术、微传感技术、医学和 生物工程方面。从而成为一种极其重要的徽制造技术。近来，l i g a 技术已经用于高深宽比的 聚合物微流控芯片的制作。 l i g a 技术的第一步为同步辐射x 光深层光刻。可将掩模上的图形转移到有几百微米厚的 光刻胶上，得到一个与掩模结构相同，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 就的到与掩摸结构相同的塑料芯片。通常以聚甲基丙烯酸甲酯作为塑铸材料。 l i g a 技术具有优越的微结构制造性能的同时，缺点同样突出，同步x 射线价格昂贵。激 光l i g a 技术用准分子激光深层刻蚀代替x 射线光刻，从而避开了高精密的x 射线掩膜制作、 套刻对准等技术难题，同时激光光源的经济性和使用的广泛性优于同步辐射x 光源，从而大 大降低l i g a 工艺的制造成本，使l i g a 技术得以广泛应用。尽管激光l i g a 技术在加工微构件 高径比方面比x 射线差，但对于一般的微构件加工完全可以接受。此外，激光l i g a 工艺不象 基于快速成型技术的微流控芯片制造方法研究 x 射线光刻需要化学腐蚀显影，而是“真写”刻蚀，因而没有化学腐蚀的横向浸润腐蚀影响 加工边缘陡直，精度高，光刻性能优于同步x 射线光刻。 2 - 3 本章小结 本节论述了各种芯片材料和它们的加工方法，如光刻、湿法刻蚀、干法刻蚀、模塑法、软 刻蚀、热压法、激光切蚀法、l i g a 技术。光刻和蚀刻常用于加工硅、玻璃和石英芯片。有机聚 合物由于品种多、易加工，是取代玻璃和石英的理想材料。 1 4 河北工业大学硕士学位论文 第三章系统总体方案设计 3 - 1 典型快速原型系统9 1 快速原型制造( r a p i dp r o t o t y p i n g & m a n u f a c t u r i n g ：r p m ) 3 z 称快速成型( rp ) ，是研究 历史不长但发展迅速并具有强大生命力的新技术。快速成型技术集高分子化学、激光技术、 cad cam 技术、数字控制技术、新型材料科学等的研究成果，突破了传统的加工模 式，不需机械加工设备即可快速地制造形状极为复杂的工件。快速成型技术的研究始于8 0 年代初期，第一台商用快速成型系统于19 8 7 年1 月由美国3 d s y e t e m s 公司公布于世， 1 9 8 8 年开始用户试用。在此后的1 0 几年时间中，快速成型技术在美国、欧洲、日本等国己 被广泛应用于汽车制造、航空航天、建筑、军工、家电、电子医疗以及娱乐等领域，受到制 造业界和各类用户的普遍重视与欢迎。典型的快速原型系统如下： 1 ) 液态树脂光固化快速成型系统 液态树脂光固化成型又称光成型或立体光刻( s t e r e o l “h o g r a p h y ：s l a ) ，其系统示意图如 图3 1 所示。 图3 1液态树脂光固化快速成型系统 f i g3 1s t e r e o l i t h o g r a p h ys y s t e m 液态树脂光固化快速成型系统树脂槽中盛满液态光固化树腊，一定波长的激光束按计算 机的控制指令在液面上有选择地逐点扫描( 与扫描数据相对应) ，使树脂固化，固化后的树脂 便形成一个二维图形。一层扫描结束后，升降台下降一定高度( 与切片厚度相对应) 。然后进 行下一层扫描，新固化的一层则牢固地粘在前层上。如此重复，直至整个成型过程结束。 1 5 基于快速成型技术的微流控芯片制造方法研究 此种方法目前较普遍采用的材料有环氧树脂和丙烯酸脂。用一定波长的光照射树脂，使其分 子发生聚合反应，固化后生成网状结构的固体高分子。 2 )箔材热切割快速成型系统 箔材热切割快速成型又称分层实体制造( l a m n a t e d o b j e c t m a n u f a c t u r i n g l o m ) ，其系 统示意图如图3 2 所示。 图3 2箔材热切割快速成型系统 f i g3 2 l a m n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n gs y s t e m 根据零件切片的几何数据切割箔材，将所获得的层片粘接成三维实体。其成型过程如下 由计算机控制的激光束在已铺好的、涂有粘接剂的箔材上切出本层轮廓。切割完毕后，再铺 上一层箔材：用磙子碾压并加热，以固化粘接剂，使新铺上的一层牢固地粘接在前一层上； 再切割该层轮廓。如此反复，直至整个成型过程结束。l0m 的关键技术是控制激光的光强 ( 使其足以切下但又仅限于切下最上面的一层材料) 和切割速度，以保证切口质量和切割深 度。l0m 系统采用的材料有纸、塑料、铝箔及有机玻璃等，材料价格比较便宜，现已推广 到加工陶瓷和纤维增强型复合材料。目前普遍采用纸作为材料，纸的表面涂有热溶胶，有单 面、双面及全部含胶三种类型。纸的厚度选择与精度有关，精度要求低时，可加大纸的厚 度，以缩短制造周期。l0m 系统加工出的原型刚度近似于木质胶合扳，对其修磨和喷漆等 处理后可作