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苏州大学硕士学位论文 微流路芯片加工工艺研究 姓名：吴洋洋 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：倪俊芳20090501微流路芯片加工工艺研究 中文摘要中文摘要微流路芯片(Microfluidic chip)是在90年代发展起来的一个跨学科的新领域。 通过生物学、医学、材料学、微机电加工(MEMS)和分析化学等多种学科领域的交叉，实现化学分析系统从样品处理到检测的整体微型化、集成化和便携化。微流路芯 片技术的发展不仅使样品消耗显著降低，分析速度成倍提高，而且费用也大大下降。 目前微流路芯片技术已经在生命科学研究、药物化学、食品安全和医学等领域得到了 广泛的应用。随着研究的深入，微流路芯片将会在更多领域显示其巨大的发展潜力。 本文以Pyrex7740玻璃为制作材料，对微流路芯片的光刻工艺、湿法刻蚀工艺和 钻孔工艺进行相应的研究，优化了工艺条件。通过MEMS软件对微流路芯片进行工艺仿真和功能仿真。完成的主要工作包括以下几个内容：1根据微流路芯片的工艺原理以及相应的应用要求设计了光刻掩膜板和正交叉 十字型微结构芯片。2采用湿法刻蚀的方法制作了以Pyrex7740玻璃为基体材料的微流路芯片，并研 究了湿法刻蚀中的侧向刻蚀问题。3利用MEMS仿真软件和优化的工艺条件对微流路芯片进行工艺仿真和功能仿真，并对仿真结果进行理论分析。4采用激光加工方法和机械钻孔方法对玻璃盖片进行钻孔实验，对比两种加工 实验结果，选择优化的钻孔方式。通过以上研究，在实验室成功制作出玻璃微流路芯片。关键词：微流路芯片 微加工 光刻掩膜板 侧向刻蚀 MEMS软件 钻孔作者：吴洋洋 导师：倪俊芳(副教授)Abstract 微流路芯片加工工艺研究ABSTRACTMicrofluidic chip is a new interdisciplinary frontier developing in the 1990sChemical analysis system has achieved miniaturization，integration and facilitation from sample treatment tO detection on the whole by the intersection of various discipline fields such as Biology,medical science，material science，micro-electromechanical system(MEMS)andanalytical chemistryThe development of the microfluidic chip technology not only makesa significant reduction in sample consumption and multiplies the analysis speed，but also greatly decreases the costCurrently,microfluidic chip technology has been widely used in fields such as life study of science，pharmaceutical chemistry,food security,and medical scienceWith going deep into studying，the chip will be able to demonstrate its enormousdevelopment potential in more fieldsIn this paper,through using the Pyrex glass as material，the process conditions al e optimized by the corresponding studying of Lithography technology,wet etching process and drilling processThe process simulation and functional simulation of microfluidic chips are carried out by the MEMS softwareThe major works include as follows：1According to technology principles of microfluidic chips and corresponding practical requirements，the lithography mask and the cross-shaped micro-structure of microfluidic chips ale designed2Adopting the Wet etching methods to make the microfluidic chips which use thePyrex7740 glass as the basic material，the undercutting in wet etching ale studied3Using MEMS simulation software and optimization of processing conditions to complete microfluidic chips technology simulation and functional simulation，we analyzed the simulation results4Adopting laser cutting and mechanical drilling to carry out glass cover-chipexperiments，two experimental results are compared to optimize the selection of drilling Through the above-mentioned studies，microfluidic chips have been successfullycompletedKey words：Microfluidic chip Microfabrication Lithography maskUndercuttingMEMS simulation software DrillingWritten by Wu YangyangSupervised by Ni Junfang苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明学位论文独创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。研究生签名：垦刍备一日 期：三丝止学位论文使用授权声明苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括刊登)论文的全部或部分 内容。论文的公布(包括刊登)授权苏州大学学位办办理。研究生签名：墓砻者日期：塑型：尘导师签名： 彳幺f垄日 期：沙叩，_，微流路芯片加工工艺研究第1章绪论第1章绪论11引言由于21世纪的科学技术的全面发展，分析仪器和分析科学正面临着深刻的变革， 其中日益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。微全分析系 统正是在这样发展趋势中应用而生。微全分析系统(Micro-total analysis system， I,t-TAS)是于90年代由Manz等人提出并发展起来的一个跨学科的新领域【1】，此后该 领域得到迅速发展并成为当今世界最前沿的科技领域之一。微全分析系统又称为芯片 实验室(Lab-on-a-chip)，它是将整个分析过程包括采样、稀释、进样、反应、分离、 检测等集成在芯片上，实现分析系统从试样处理到检测的整体微型化、自动化、集成 化与便携化。微全分析系统主要分为两大类：芯片式和非芯片式。其中芯片微全分析系统式是 当今发展的主流。依据芯片的结构以及工作机理的不同又可分为两大类：微阵列芯片 (Microarry chip)和微流路芯片(Microfludic chip)。微阵列芯片主要以亲和结合技 术为核心，以生物技术为基础，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，所以也称为生物芯片。它是较早进入应用领域和实现商品化的芯片，在国外 已经实现产业化，生产技术趋于成熟。微流路芯片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，以管道网络为结构特征，把整个分析实验室的功能 集成在只有方寸大小的微流路芯片上。由于它具有体积小、分析速度快、试剂消耗少、 可重复使用等优点，当前已成为微全分析系统的主流。微流路芯片技术的发展，不仅使样品的消耗大大降低，而且分析速度成倍的提高， 费用也有很大的下降，这为该技术走出实验室进入实际应用创造了条件f2】。目前已经 广泛应用于生物、医药、化学分析、食品卫生和环境监测等领域，其应用主要包括： (1)临床诊断。使用涂覆有聚合物的毛细管电泳和微芯片电泳，通过单链构象 多态性分析，可对乳腺癌易感基因的常见突变进行筛选。如果尿样中的氨基酸水平高， 表明氨基酸的代谢紊乱和肾功能失常，通过微流路装置的电泳分离和间接荧光检测可对尿样进行分析。使用芯片毛细管电泳和质谱检测，可以对肉碱和人尿进行检测。第1章绪论 微流路芯片JUT工艺研究Fanguy和Henry借助于毛细管电泳和电化学检测对尿中的尿酸进行了测试样，样品 的分离不到30s就可以完成嘲。(2)细胞分析。利用微流路结构和流体动力学，可以对红细胞、白细胞和血小 板进行分辨和计数。利用微流路装置，可在流动过程中对红细胞的黏弹性行为进行细 胞力学研究。在微通道阵列和生理流动条件下，可以研究白细胞与其生长环境间的相 互作用。Inoue等研制了一种芯片细胞培养系统，它由室的阵列组成，在每个室中i 单个细胞或细胞群通过可透过膜与外部环境隔开，介质可以很容易进行交换，而且室 的大小是可变f勺t41。(3)蛋白质和蛋白质组分析。由于在蛋白质组研究中可得到的蛋白样品的量非 常有限，因此要求所采用的分析技术必须灵敏，可以处理小体积样品，并且在样品处 理过程中不损失分析物。传统的蛋白质组分析过程相当的慢，而且工作量大，迫切需 要一种快速、高通量、集成化的多样品分析系统。微流路芯片具有可使一系列样品操 作步骤可控制和实现自动化的潜力。方群等【5】对毛细管电泳芯片进样储液池加以改 进，制成连续换样流通式储液进样装置，实现了毛细管电泳芯片对氨基酸的高通量分 析。(4)DNA片段的分离和测序。微流路芯片技术与毛细管电泳技术结合以前，后 者就已经广泛应用于DNA片段的分离和测序中，但其进样效率低，分离时间较长。 在微流路芯片技术的推动下，上述缺点都得到了很好的解决。Mathies研究组于2001 年在直径150into的圆盘式玻璃芯片上，高密度径向阵列刻蚀了96个带细化弯道逶迤 型的辐射排布的毛细管电泳通道阵列芯片测序达到500碱基【6】。它的研究和广泛应用将可能在疾病诊断、新药开发、环境监测、司法鉴定等领域引发一场革命【71。12研究现状和发展趋势121微流路芯片的基质材料 制作微流路芯片所用的材料有主要有三类：刚性材料，如单晶硅、无定形硅、玻璃、石英等；刚性有机聚合物材料，如聚氨、环氧、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯2微流路芯片加工工艺研究 第1章绪论 (PMMA)、聚碳酸脂(PC)等；弹性材料，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。单晶 硅具有良好的化学惰性和热稳定性，加工工艺成熟，缺点是易碎、价格贵、不能透过 紫外光，电绝缘性不好，而且表面化学行为复杂。玻璃和石英有很好的电渗性质，优 良的光学性质并可用化学方法进行表面改性，只是加工成本比较高，而有机聚合物具 有种类多，可供选择的余地大，能通过可见光与紫外光，加工成型方便，而且价格便 宜，且非常适合于大批量的制作一次性微流路芯片，缺点是有机聚合物不耐高温，导 热系数比较低，表面需要改性。具体基质材料的性能比较如表卜l所示。由于玻璃的优良光学和化学性质以及易于加工，玻璃微流路芯片一直成为研究的重点。表1-1微流路芯片不同基质材料及性能比较优质囱央 聚二甲基硅氧烷 材料 普通玻璃 单晶硅 有机聚合物 (PDMS)能通过300hm以 光学 能通过可见光和优良的光学性能 不透光 上的紫外光和可 性能 紫外光见光微加微加工工艺成工性 良好易于加工易于加工 熟性能能与传统毛细管具有相似的表面特 可用化学方法进 可用化学方法进 表面 性，有很好的电 表面化学行为 行表面改性，但 行表面改性，但 性能 渗性质，可用化 比较复杂 表面化学行为有 表面化学行为有学方法进行表面 待进一步研究 待进一步研究 改性电绝缘性能不 化学 具有化学惰性， 好，具有化学惰不耐高温，导热 化学惰性，导热物理 导热性能好，电性和热稳定性，系数低，电绝缘系数低，电绝缘 性能 绝缘 一般不用于制备电泳芯片122微流路芯片的微加工技术 微流路芯片的加工工艺起源于半导体以及集成电路芯片的微细加工，但又不同于集成电路的芯片加工技术。微流路芯片的加工技术是和芯片的材料密切相关的，具体的加工工艺随着芯片的材料不同而异，但同一种材料也会有多种不同的加工方法【舯。 对于选用玻璃或石英为底基材料的芯片，微通道凹槽采用传统的微加工技术，即光刻3第1章绪论 微流路芯片加工工艺研究 和刻蚀组成的加工技术。对于选用有机聚合物材料和二甲基氧硅烷(PDMS)作为底 基材料的芯片，其微通道的加工技术可分为传统的微加工技术、LIGA技术、软刻蚀 技术、激光切蚀法、模塑法和热压法等。(1)传统的微加工技术 传统的微加工技术一般包括光刻和刻蚀技术。光刻源于半导体及集成电路的制作工艺，是微电子制作中常用的工艺之一。它是通过光刻胶、掩膜和紫外光进行微制造。 光刻工艺主要通过三个步骤将光刻掩膜板上的设计图形转移到待加工的底基表面： 一，在底基表面涂光刻胶；二，通过曝光将光刻掩膜板上图形转移到光刻胶层；三， 用显影液去掉未曝光的光刻胶层(负胶)或已曝光的光刻胶层(正胶)。在光刻的基础上通过刻蚀技术将阻挡层上的平面二维图形加工成具有一定深度 的立体结构。刻蚀一般分为湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀工艺由于使用的设备相对 简单，近些年使用湿法刻蚀进行芯片加工制作较多。湿法刻蚀适用于可被化学试剂腐 蚀的底基，如硅、玻璃和石英等。玻璃和石英湿法刻蚀时，由于其各项同性的原因， 只有含氢氟酸的刻蚀剂可以使用，因此，通道刻蚀的越深，通道宽度也越大，且两壁 的不平行度增大，导致通道上宽下窄，这一现象限制了湿法刻蚀对玻璃芯片进行高深 宽比加工的应用。用于硅片刻蚀的化学试剂既有各向同性刻蚀，又有各向异性刻蚀。 干法刻蚀是一个通称术语，表示在低气压下与等离子体有关的刻蚀方法。主要有 三种干法刻蚀技术：等离子体刻蚀、反应离子刻蚀(R疋)和深度反应离子刻蚀(DRIE)。 和湿法刻蚀相比，干法刻蚀可以在玻璃、石英和硅等材料的底基上产生高深宽比的微 结构，但干法刻蚀对设备依赖较高，一般实验室很难达到要求。近来，也有用等离子体对聚合物进行干法刻蚀，在聚合物上刻蚀出微通道的报道【9】。 (2)UGA技术 LIGA技术是微细加工的一种新方法【101。它由光刻、电铸和塑铸三个环节组成。第一步为同步辐射X光深层光刻，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层进行电镀，使电镀的金属将光刻胶层完 全覆盖住，产生一个有一定的强度和厚度的金属凹凸版图，它与光刻胶上的图形凹凸 互补，将光刻胶及附着的底基材料除掉，就得到了铸塑用的金属模具。通过金属注塑 板上的小孔将塑料注入金属模具腔体内，加压硬化就得到了与掩膜结构相同的塑料芯4微流路芯片加工工艺研究 第l章绪论 片。由于利用LIGA技术可以加工各种金属、塑料和陶瓷等材料，而且利用该技术可 以得到高深宽比的精细结构(加工深度可以达到几百微米)，因此LIGA技术也是一 种比较重要的MEMS加工技术，通常以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为塑铸材料。(3)软刻蚀技术哈佛大学的Whitesides等人以自组装单分子层(SAM)、弹性印章(elastomeric stamp)和高聚合物模塑技术为基础，发展了一种新的低成本的微细加工新技术一软 刻蚀(soft lithography)【】。软刻蚀技术的核心是图形转移元件一弹性印章，其方法 有微接触印刷法、毛细微模塑法、转移微模塑法、微赋值模塑法等。它不仅可以在高聚合物等材料上制作复杂的三维微通道，而且可以改变材料表面的化学性质。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，化学 性质稳定，与其它材料不黏结；与底基正交接触严密，容易去膜；柔软，易变形，弹 性好，可在曲面上复制微图形。软刻蚀法具有简单、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、陶瓷等材料上加工微结构。(4)激光切蚀法激光切蚀法(Laser ablation)又称激光烧蚀法，是一种新的微细加工技术121。它 可直接根据计算机CAD的数据在金属、塑料、陶瓷等材料上加工复杂的微结构，是 j种非接触的加工工具。根据烧蚀对象选择激光的脉冲强度和脉冲数。对聚甲基丙烯 酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯等有机材料进行微通道加工时，先用紫外激光通过掩膜照射使之降解成易挥发的小分子，即将被光照部分用激光烧蚀去除，把底片上的二维 几何图形精确复制下来。用压力空气去除降解产物，得到带有微通道的底基。然后将 它和另一打孔的盖片进行热黏合就得到所需要的芯片。这种方法步骤简单，而且不依赖超静环境，精度好，但需要比较昂贵的紫外激光器，对设备要求高。(5)模塑法用光刻和刻蚀的方法先制作出通道部分突起的阳模，然后在阳模上浇注液态的有 机聚合物材料，将固化后的聚合物材料与阳模剥离后就得到具有微通道的底基，与盖 片封接后就制得微流路芯片，这种制备微芯片的方法成为模塑法【131。模塑法的关键在 于模具和有机材料的选择，理想的材料应相互之间黏附力小，易于脱模。微模可由硅材料、玻璃、环氧基SU-8负光胶和聚二甲基硅氧烷(PDMS)等制造。5第1章绪论 微流路芯片加工工艺研究 浇注的有机材料应具有低黏度，低固化温度，在重力作用下，可充满模具上的微通道 和凹槽等处。可用的材料有两类：溶剂挥发型聚合物和固化型聚合物。溶剂挥发型聚 合物有丙烯酸、橡胶和氟塑料等，通过缓慢的挥发去溶剂而得到芯片。固化型聚合物 有聚二甲基硅氧烷、环氧树脂和聚氨酯等，将它们与固化剂混合，固化变硬后得到微芯片。和其他微加工技术相比，模塑法虽然局限于某些易固化的高分子材料，但是该方 法分辨率高，制作简便，成本低廉，且易于大批量生产，不需要较高的技术设备，是 一种制作廉价分析芯片的方法。(6)热压法热压法(hot embossing)是一种快速复制微流路芯片技术【141。从制作微通道的方 式上来讲，热压法也算是模塑法的一种。适合于热压法加工的有机材料有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)与聚碳酸酯(PC)等聚合物。热压法和模塑法一样，也需要阳模。在热压设备中将聚合物底基加热到软化温度 (PMMA 106，PC 150)，通过在阳模上施加一定的压力，并保持一定时间，可 在聚合物底基上压制出与阳模互补的微通道，然后在加压的条件下，将阳模和刻有微 通道的底基一起冷却后脱模，将带有微通道的底基和打孔的盖片加热封接就得到所需 要的微结构芯片。该方法可大批量生产，不依赖于昂贵的设备，操作简单，但是所用 的材料相当有限。123微流路芯片的发展趋势微流路芯片技术经过近些年的发展，已经突破其发展初期在加工技术及基本流控 技术上的主要屏障，取得了巨大的成就，其应用领域在不断的扩大，产业化也在不断 的加深。目前，微流路芯片正在向着微型化、自动化、集成化和便携化方向发展，以 微流路芯片为核心的微分析系统将取代化学分析实验室的大部分设备，使化学分析进 入病房、生产现场和家庭以及监测生化指标、基因变异、食品卫生成为现实。总体说来，微流路芯片的发展趋势可归纳为如下：(1)分离方式从以毛细管电泳分离为核心技术发展到液掖萃取、过滤、无膜扩散等多种手段。6微流路芯片加工工艺研究第l章绪论(2)驱动方式从以电渗流为主要液流驱动发展到包括流体动力、气压、重力、 离心力、剪切力等多种手段。(3)从单道检测发展到多重平行检测。 (4)检测手段从以激光诱导为主要方法发展到光度法、电化学、质谱、原子光谱、化学发光等手段。(5)加工材料从开始以玻璃、石英为主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，聚合物材料易于实现批量生产，这将使聚合物材料更具竞争 优势。(6)从基础与应用基础研究阶段进入产业化及市场开发阶段，商业领域的竞争 将日趋激烈。13研究内容及意义131本课题研究内容 本课题从微流路芯片的制作工艺出发，分析影响芯片制作质量的因素，优化了工艺条件，并成功研制出了微流路芯片。具体内容如下： (1)完成了整个玻璃微流路芯片的制作，并对光刻中存在的掩膜板补偿问题和刻蚀中存在的侧向刻蚀问题进行了研究，优化了制作工艺条件。 (2)通过MEMS仿真软件和优化的制作工艺条件，进行工艺仿真和功能仿真，分析仿真结果。(3)对芯片的钻孔工艺进行研究，通过对比激光打孔实验和机械钻孔实验，优化钻孔加工方法。132本课题研究的意义 综上所述，微流路芯片作为当今生命科学领域一项新兴技术，其应用几乎涵盖了生物、医学、药学、农学、环保、法医、卫生学等所有生物技术的领域。微流路芯片的成熟应用一方面将为本世纪的疾病诊断和治疗、新药开发、分子生物学、航空航天、 司法鉴定、食品卫生和环境监测等领域带来场革命；另一方面则为人类能够对个体7第l章绪论 微流路芯片加工工艺研究生物信息进行高速、并行采集和分析提供了强有力的技术手段。微流路芯片必将成为 未来生物信息学研究中的重要信息采集和处理平台。本文从微流路芯片制作工艺的理论入手，讨论了影响芯片制作工艺的因素，通过 具体的实验和MEMS仿真软件，分析并优化芯片制作的工艺条件。该研究只是初步 的工作，目的在于掌握整个芯片制作工艺过程，完成微流路芯片制造。微流路芯片制 作的顺利完成，为构建高密度和多功能微流路芯片的开发奠定了基础，从而实现真正 意义上的“芯片实验室”。微流路芯片加工工艺研究第2章微流路芯片的工作原理及检测技术第2章微流路芯片的工作原理及检测技术21微流路芯片的特点微流路芯片利用微加工技术在平方厘米级大小的芯片上加工出各种微细结构，如 通道和其它的功能单元，通过不同的通道、反应器、检测单元等的设计和布局，以电 场为驱动力，借助离子或分子的电迁移或分配行为上的差异，实现复杂样品的进样、 反应、分离和检测，是一种多功能化的快速、高效和低耗的微型实验装置。通道与结 构的微型化，不仅带来分析设备上的尺寸变化，而且在分析性能上也带来许多突出的 优点：(1)利用MEMS技术可以方便的在玻璃、石英、聚合物材料、硅片上加工出微 米级的分离通道，或制备出诸如开口柱、填充柱和整体柱等各种形式的毛细管电色谱 柱。(2)以电场作为流体的驱动力，通过调节场强的大小、方向，可方便的实现小 体积进样、分离、汇流、分流等操作，无需机械泵和机械阀，符合微型化、集成化、 自动化的发展要求。(3)由于芯片的微通道截面积小，相应的面积琳积比大，散热速度快，电泳分离时产生的焦耳热能得到有效的散发，其焦耳热的影响比普通毛细管电泳小，由焦耳 热引起的展宽在一般情况下可以忽略不计。因此可以在通道中施加常规毛细管电泳难 以达到的高场强(如2500 Vcm)，结合小体积进样的功能，实现高速、高效的分离。 (4)可以采用区带电泳、凝胶电泳、等电聚焦等多种不同的分离模式，实现从 无机离子到生物高聚物的快速分离，且能与高灵敏度的检测器联用，可以方便的进行各种复杂试样中的微量成分的分离与测定。(5)借助于MEMS技术，还可以在芯片上加工出各种流动分析单元，耦联成以 电泳分离为中心的微型化、集成化和自动化的微型全分析系统。例如，可以做出各种 接口，将微流路芯片与现有仪器设备相连接，进行自动分析。9第2章微流路芯片的工作原理及检测技术 微流路芯片加工工艺研究22微流路芯片的基本工作原理微流路芯片的基本工作原理与常规毛细管电泳相似，但是在芯片的微通道中进行 高效、快速的电泳分离分析又有其特殊性。现从以下几方面论述微流路芯片的基本工 作原理。221电泳(Electrophoresis)电泳的基本原理可以简述为由于物质分子的带电量、分子量和体积等性质存在差 异，所以在外加电场中其所受到的电场力和阻力都存在差异，这就使得不同分子具有 不同的运动状态，如运动速度、运动方向和位置，再通过适当的检测设备就可以分辨 出不同的分子，达到分析物质的目的。物质的电泳速率可以用如下公式计算：圪=PepE(2-1) 其中1为电泳速率，E为电场强度，心为表观电泳迁移率。222电渗流(Electroosmosis Flow，EoF)电渗流是微流路芯片分析系统中使用最广泛的驱动和控制技术，尤其在目前发展 较为迅速的芯片毛细管电泳系统中是占主导地位的驱动技术【151。电渗流的原理是利用 微通道表面存在的固定电荷进行运动的。以玻璃基质的微芯片为例，在中性或碱性的 PH下，玻璃通道表面带负电荷，液流中与其相邻的部分形成沿通道壁的带正电荷的 界面一“双电层”由此产生。在通道两端施加高电压，带正电荷的界面在电场作用下产 生迁移，继而带动通道内界面包裹的液流产生电渗流。电渗流的速率可用如下公式计算：e，40=肛。E=竺E(2-2)1l其中：圪为电渗流速度，心为电渗率，占为介电常数，77为介质黏度，f为液固界面双电层的电动势。在分析过程中，以上因素必须保持恒定不变以维持流速的稳10微流路芯片加工工艺研究 第2章微流路芯片的工作原理及检测技术 定性。同时，电渗流可通过向缓冲液中加入填加物，变换缓冲液PH值、浓度、组成， 或对微通道表面涂覆、改变其表面结构等方法加以改变。流体的流动模式对分离结果具有重要影响【161。通常流体流动有两种模式：层流和 紊流。层流是流体沿流线平缓地流动，紊流的流动是没有轨迹性的。一般用雷诺数 Re来衡量流体在管道中的流动状态。Re=；L_Zv(2-3)P、V和“分别为流体的质量密度、速度和动力粘度。长度L是与流动相关的主要 因素，L可以是管道的直径或流体流过平板的长度，在这里L表示管道直径。对于可压缩的流体，当Re10到100时发生层流流动。对于不可压缩的流体，Re1000时 发生层流，本文所涉及到的流体属于液体，是不可压缩流体【161。微流路芯片的微管道半径(假设为圆形管道)一般在200tm以下，体积流速一般 小于lndmin，因此可以计算出雷诺数小于20，所以流体流动状态为层流，即电渗 流的流形是扁平流形(或称塞流，Flat Flow)，相对于高效液相色谱中压力驱动的抛 物线流形(Laminar Flow)有很大的优势，它不会对区带产生展宽作用，是建立高效 分离方法的理想手段切。影响电渗流的因素主要有六个方面： (1)电场强度。电渗流与电场强度成正比。当微通道长度一定时，与外加电压成正比。但外加电压太高时，电渗流偏离线性。这是由于高电场导致电流增加，引起 毛细管中电解质产生焦耳热，而微通道不能有效的散失产生的焦耳热，导致温度升高， 介质粘度变小，扩散层厚度增大的结果。(2)芯片的材料。不同材料的表面电荷不同，电位(双电层电位)的大小差别很大，而电位对心的影响是很大的。(3)溶液的PH值。溶液PH值对EOF的影响是通过改变通道表面特性，即( 电势起作用。对熔硅微结构，在高PH值下，表面Si-OH基电离，负电荷密度大，电势高。随着PH值的降低，表面Si-OH基电离受到抑制，负电荷密度减小。在低PH下，由于Si-OH基质子化作用，负电荷表面被H+中和，直到PH=4，质子化作用 的结果使管壁电势趋于零。电渗流正比于电势，故随着PH升高，EOF增大。PH 一以。曲线形状一般呈S形。第2章微流路芯片的工作原理及检测技术微流路芯片加工工艺研究(4)缓冲液成分与浓度。缓冲液浓度高，离子强度就高，其影响和高电压相同。 离子强度高的另一个影响是使双电层厚度减小，电势变小，导致从。减小。(5)添加剂，包括中性盐、两性离子、表面活性剂、有机溶剂等。加入中性盐 可使双电层厚度变薄；加入两性离子可增加溶液粘度，降低PH值。两者皆使电渗流 减小。表面活性剂能显著改变毛细管内壁电荷特性，因此常用做EOF的改性剂，通 过改变浓度来控制EOF的大小和方向。加入有机溶剂往往会使EOF变小。(6)温度。温度对EOF的影响是线性的。EOF随温度的变化主要是温度诱导粘 度变化的结果。温度升高，EOF减小。电渗流是微芯片技术的关键。在多数情况下，电渗流比电泳速度快5。7倍，电渗 力作为电泳的主要驱动力，与电泳力和阻滞力共同产生分离作用。通过对电渗流大小 和方向的控制，可以影响电泳分离的效率、选择性和分离度，成为优化分离条件的重 要参数。另外值得注意的是管壁性质的变化对电渗流的影响十分显著。223微流路芯片的分离效率和分离速度微流路芯片毛细管电泳中的分离效率可用色谱理论中的理论塔板数N表示。根据 Giddings方程N可表示为：r2=与(24)盯式中L为迁移距离(对于十字通道芯片，为十字交叉口到检测点的距离)，盯2为以长度为单位的谱带扩展的方差。如果组分的轴向分子扩散是谱带扩散的唯一因素，且分离通道的总长度与迁移距离接近时，理论塔板数N可表示为：N：=uy：=juiEL(2-5)2D, 2DI式中V为分离电压，E为对应的场强，以和Di分别为i组分的表观迁移率和扩散 系数。如果用理论塔板高度H来表示分离效率的话则：日=三：2D,(2-6)N,uiE12微流路芯片加工工艺研究第2章微流路芯片的工作原理及检测技术在电泳的分离理论中，分离速度常常用单位时间的理论塔板(NA)来衡量。将式 (2-5)除以组分的迁移时间t=r-tiE可得到仅考虑轴向分子扩散时的分离速度表达 式：盟：!蠼(2-7)一=一t2D,式中，t为与N对应的迁移时间。从式(2-7)可以看出，分析速度与分离场强的平方成正比，即要实现快速、高效的分离应通过施加尽可能高的场强来实现。实际上，电泳过程中引起谱带扩展的原因有很多，除了纵向分子扩散外，还有进 样时试样带长度、检测器的检测窗口宽度等因素。这时可以用系统的总方差矿来表 示各种因素对谱带扩展的总影响，如式2-8所示：仃产=仃d2j，+盯i2町+盯d2ct(2-8)等式右边各向依次表示分子纵向扩散、进样、检测等因素所引起的谱带扩展。用 理论塔板高度来表示分离效率的话，则：日：堕+堕+亟：堡+堕+亟(2-9)工LLM 12L12L和w赴t分别为式样带的长度和检测窗口的长度。式(2-10)等号右边第一项分 子扩散对板高的贡献是随着组分在通道中运动的线速度U增加而减小，第二项和第三 项则与线速度无关。因此在运动速度较低时，分子扩散对板高的影响占主导地位，随 着线速度的提高它的影响逐步减小，最终进样长度和检测窗口长度将成为控制板高的决定因素【181。 当考虑进样和检测对谱带扩展带来的影响时，分离速度的表达式如下：一N：一=-_-_；_-I_一L盆墨：=(210)Z一2D,+必孚0-叫2表示吒和吒的和，式(2一lo)表明，如果要在芯片上实现高效、快速的分 离，必须在提高场强的同时，应使吒L尽可能的小。对于芯片电泳来说，由于可以 采用高场强而使纵向分子扩散保持在很低的水平，因此控制进样时试样带的长度和检 测窗口的宽度对于高效、快速的分离具有十分重要的意义。第2章微流路芯片的工作原理及检测技术 微流路芯片加工工艺研究224焦耳热 当芯片进行电泳时需要电场做功，此时由外加电场产生的热量为焦耳热。单位时间内，体积为Vo的通道内电流所产生的焦耳热w为：一W：k(T)E2(211)由于焦耳热的产生，将使微通道温度升高，导致在微通道横截面方向产生温度梯 度，甚至引起溶液对流、出现气泡等。气泡会使电泳中断，而温度梯度和对流会大幅 度降低分离效率。因此有效地控制焦耳热的产生是实际操作中应当仔细考虑的问题。减小焦耳热的方法主要有：(1)减小通道的管径，这样既可以减少热量的产生， 又可以增强管道的散热能力。这是因为随着管径的减小，微通道的导电率降低，电流 减小，同时管道的比表面积增大，提高了散热能力；(2)控制电泳缓冲液的离子强度， 降低缓冲液的导电率，使电流减小。电泳芯片在操作过程中，需要考虑很多方面的问题，而这些方面又是紧密联系在 一起的。例如：增加所施加的电压，分离效率就会提高，但产生的焦耳热会随之增加， 导致电泳不稳定；减小管径可以降低焦耳热的产生，但对芯片分离介质的注入和样品 检测等方面提出了更高的要求。在实际操作中，应综合考虑多方面因素，权衡选择合 适的参数。23微流路芯片制作工艺原理微细加工技术是微分析系统发展的前提，微细加工技术起源于制作半导体及集成 电路芯片所广泛使用的光刻(1ithography)和刻蚀技术(etching)。它是用光刻胶、掩膜和光源进行微制造，广泛用于硅玻璃和石英等材料的底基上制作微结构。光刻和刻蚀技术由薄膜沉积、光刻和刻蚀三个工序组成。他们之间的关系，如图21所示。光刻前需要在底基表面沉积一层薄膜，这一过程叫薄膜沉积。在底基的表 面用涂胶机涂上一层光刻胶。将掩膜上的设计图案通过曝光成像原理转移到光刻胶层 上的工艺过程称为光刻。通过显影，在光刻胶层上形成平面二维图形。刻蚀是将光刻14微流路芯片加工工艺研究第2章微流路芯片的工作原理及检测技术胶层上的二维图形转移到薄膜上，进而在底基上加工出一定深度微结构的工艺。薄膜沉积 山0光刻胶层薄膜层底基+山一刻蚀光刻胶层七薄膜层底基一山山山光刻胶层薄膜层底基图2-l光刻和刻蚀的基本工艺231光刻掩膜光刻掩膜的基本功能是当光源对其进行照射时，掩膜的图形区和非图形区对光线 的吸收和投射能力不同。光刻掩膜在光刻中通过曝光成像原理，将光刻掩膜上的图形 转移到底基表面的光刻胶层上，具体如图2-2所示。山山山山山山山岳山一光源一掩膜图形一光刻胶图 形图2-2掩膜在光刻中的作用15第2章微流路芯片的工作原理及检测技术微流路芯片加工工艺研究 常用的掩膜材料有镀铬玻璃板和镀铬石英板，在它们表面均匀地涂上一层对光敏 感的光刻胶。用计算机制图软件绘制微流路芯片的设计图形，再通过专用的接口电路 控制图形发生器进行光刻，可在掩膜板上制得所需的图形。图形发生器是由计算机进行控制进行数据成像。实际制作时，掩膜板上的图形是经过多次曝光才形成的。232薄膜沉积进行微流路芯片制作时，为了改善光刻胶层与底基的粘度，减小侧向刻蚀，提高 芯片制作的质量，常常在底基上沉积各种材料的薄膜。沉积薄膜的方法主要有蒸发、 溅射、氧化、化学气相沉积(CVD)等。(1)蒸发在真空环境中加热铝、铬、硅、三氧化二铝或二氧化硅等材料，使之气化产生气 态原子或分子，通过冷却系统作用使气化的气态原子或分子沉积在底基表面形成薄 膜。根据加热蒸发材料的方式不同，可分为电阻加热和电子束加热两种。电阻加热真 空蒸发设备简单，但可能引起杂质污染，而且沉积的厚度也薄。电子束加热是将热灯 丝发出的带电子经高能电场加速后轰击熔融蒸发材料。该方法制作的薄膜质量较好， 沉积速度快(50-500nmmin)。电子束加热真空蒸发系统复杂，需要专门的冷却系统 来控制作为靶子的蒸发材料的温度。由于高能离子轰击靶材会产生x射线，因此要 采用适当的保护措施。真空蒸发制作的薄膜有较大的内应力，薄膜材料的熔点越高，内应力越大，提高蒸发镀膜时底基的温度能减小薄膜的内应力，防止薄膜弯曲和剥落。 (2)溅射 溅射和蒸发一样都需要在真空环境进行。溅射可以沉积金属材料如铝、铬、铂，也可以沉积非金属材料如无定形硅、玻璃、压电陶瓷等。它属于物理工艺，所以也被 成为物理气相淀积(PVD)。用溅射法制作的薄膜均匀性好，黏附性较高，内力小。 现在很大程度上取代了蒸发镀膜。溅射镀膜的原理是在真空室内使氩气或氦气电离，电离后的离子被不带电的靶材 吸引，加速冲向靶材。在加速过程中这些离子收到引力的作用，获得动量，轰击靶材。 这样在靶上就会出现动量转移现象(momentum transfer)。离子轰击靶材，引起其上16微流路芯片加工工艺研究 第2章微流路芯片的工作原理及检测技术的原子分散，即从靶材中溅射出原子或分子，然后以一定的速度沉积在底基上，形成薄膜。根据激发离子的机理，溅射又可分为直流溅射、射频溅射和磁控溅射。直流溅射 使用直流辉光放电装置，在大面积的阳极和阴极平行放置的真空容器内，通入氩气后， 在两极中加上直流高压，使氩气发生辉光放电生成舡+，时+轰击阴极靶材，从靶材中 溅射出的原子或分子，以一定的速度沉积在阳极的底基上。在射频溅射中，在靶阴极上施加射频，使氩气形成等离子体。等离子体随射频的 变化周期性地轰击阴极靶材，从靶材中溅射出的原子或分子沉积到至于阴极对面的阳 极底基上形成薄膜。直流溅射只能沉积金属，而射频溅射可以沉积金属、半导体和玻 璃陶瓷等材料。 。磁控溅射的特点是电场和磁场的方向相互垂直，电子在正交磁场的空间作摆线运 动，从而增加了电子的运动行程，即增加了电子与气体原子碰撞的几率，使离子流密 度大大增加，提高了溅射效率，进而提高了溅射粒子的沉积速度。(3)氧化将硅片在氧化环境中加热到900-1100的高温，硅的表面上将会生长出一层二氧 化硅，这种成膜技术叫做氧化。根据所用氧化剂的不同，氧化可分为水汽氧化、干氧 氧化和湿氧氧化。水汽氧化的氧化剂是水蒸气、干氧氧化的氧化剂是氧气。化学反应 式分别如下所示：+2日2D一&02+2日2(2-12) Sf+D2一D2湿氧氧化则介于二者之间，氧化剂是水蒸气和氧气的混合气体。 (4)化学气相沉积 化学气相沉积(CVD)是气态反应物在反应器中通过特定的化学反应，使反应产生物沉积在加热底基上镀膜过程的总称。常压下进行的化学气相沉积叫做常压化学气 相沉积；低压下进行的化学气相沉积叫做低压化学气相沉积(LPCVD)；用等离子体 增强的化学气相沉积叫做等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。常用化学气相沉积 的方法制备多晶硅、二氧化硅薄膜。沉积多晶硅时用硅烷(Sill4)作原料，在低压反应器中热解生成硅和氢气，沉积 温度550700。C