玻璃微流控芯片的制作

1、第2卷第1期2004年3月纳米技术与精密工程N anotechnology and Precision E ngineering罗怡,娄志峰,褚德南,刘冲,王立鼎(大连理工大学机械工程学院微系统研究中心,大连116023摘要:玻璃微流控芯片的研究在近十年得到了重视,但是多数研究基于7740玻璃制作,由于基材需要抛光以及涂覆掩蔽层,价格昂贵.作者研究了一种在商品化的SODA2L IME玻璃(掩蔽层为厚度145±15nm的Cr和575±25nm的光刻胶S108上制作微流控芯片的方法,减少了对掩蔽层溅射设备的需求,降低了生产成本并缩短了生产周期.采用照相制版的方法制作沟道宽度为5

2、0m的掩模;光刻后根据沟道深度要求选择腐蚀液湿法腐蚀沟道;优化超声钻孔仪的电流参数制作直径3mm的储液池,清洗后采用热键合对芯片进行封接;最后在有效分离长度为35mm的芯片上实现多组分样品分离,采用激光诱导荧光获得检测信息.关键词:微流控芯片;湿法腐蚀;热键合中图分类号:TN405文献标识码:A文章编号:167226030(20040120020204F abrication ofG lass Microfluidic ChipL UO Y i,LOU Zhi2feng,CHU De2nan,L IU Chong,WAN G Li2ding(MST Research Center,School

3、 of Mechanical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian116023,ChinaAbstract:Many researches have focused on the glass microfluidic chip in the past decade and most of them are based on Pyrex7740.Since the substrate needs polishing and sputtering masking layer,the chip is expensive. This pa

4、per presents a new way to fabricate microfluidic chip which is made from commercialized SODA2L IME glass(the masking layer is Cr with thickness of145±15nm and the photoresist is S108with thickness of575±25nm.The sputtering before photolithograph is avoided thus it cuts down the cost and sh

5、ortens the pro2 duction cycle.The mask was photoengraved to obtain a50m wide pattern;following the photolithograph,a reagent was chosen to wet etch the glass substrate;3mm2diameter reservoirs were formed using an ultrasonic driller with its current parameters optimized;after cleaning the substrate,t

6、he glass chip packaging was finished by direct bonding.The multi2ingredient sample separation was realized on the35mm long chip,and L IF was used to detect the signal.K eyw ords:microfluidic chip;wet etching;direct bonding传统毛细管电泳技术是一类以毛细管为分离通道,以高压直流电场为驱动力的液相分离分析技术.受焦耳热的限制,它只能在低电场强度下进行电泳操作,分离时间长,分离度受

7、到限制.芯片毛细管电泳技术始于杜邦公司的Pace等人试图在一个直径100mm的单晶硅上刻出类毛细管装置进行序列分析.后来Har2 rison等人采用以湿法刻蚀为主的加工技术将传统的毛细管移植到玻璃基底的芯片上1,它与常规的毛细管电泳相比,具有散热性能好、分离电压高、分离速度快以及分离效果好等优点.收稿日期:2003212214.基金项目:国家863高技术研究发展计划MEMS重大专项B类资助项目(2002AA404460.作者简介:罗怡(1973,女,博士,讲师.研究方向为微细加工工艺及BioMEMS.E2mail:luoy.片的研究在近10年得到了重视,但是多数研究基于7740玻璃制作的微流控

8、芯片,因为基材需要抛光以及涂覆掩蔽层,价格昂贵26.笔者研究了利用商品化SODA 2L IM E 玻璃制作微流控芯片的工艺,降低了生产成本,减少了制作时间.1玻璃微流控芯片的制作工艺玻璃微流控芯片的制作过程如图1所示 .图1玻璃微流控芯片的制作工艺流程1.1掩模的制作笔者采用两种方法制作掩模.1照相制版法将设计好的微流控芯片以一定的放大倍数在红膜上刻出,通过GS 2333缩放机在明胶板上缩聚为设计尺寸,经显影和定影后制得掩模板.2胶片打印法计算机设计芯片后用高分辨率的照排机将图形打印在胶片上制成掩模.胶片打印法制作掩模成本较低,简单便捷.但是市场上高分辨率的照排机较少且价格昂贵.常见的分辨率多

9、为2400dpi 以下,以此分辨率打印50m 及以下沟道宽度的掩模时,误差较大且均匀性差,因此通常在沟道宽度大于80m 时采用此方法.照相制版法制作成本相对较高,工艺步骤多.但是对于尺寸较小的沟道(沟道尺寸小于80m ,可以通过提高放大倍数的方法刻划红膜从而得到精确均匀的掩模.本研究的掩模沟道宽度为50m ,故采用照相制版的方法制作掩模,如图2所示 .图2微流控芯片的设计与掩模1.2光刻本研究的琉璃材料是匀胶铬板玻璃,即玻璃表层有Cr 和光刻胶S108.玻璃为制镜级的SODA 2L IM E 玻璃,在50mm ×50mm 的面积范围内,表面不平度为2.8m.玻璃表面的Cr 和光刻胶S

10、108厚度分别为145±15nm 和575±25nm.将掩模与匀胶铬板玻璃对准后放置在B G J 22光刻机上曝光,显影后的匀胶铬板玻璃表面形成所需图形,成为微流控芯片的基片.1.3湿法腐蚀微流控芯片基片的湿法腐蚀主要包括Cr 的去除和玻璃沟道的腐蚀.首先在Cr 的腐蚀液中腐蚀30s 去除Cr ,然后用去离子水流水冲洗2min ,清洗、烘干.此时玻璃基片上沟道处的玻璃露出,而其它地方仍旧有Cr 和光刻胶掩蔽.将基片放入玻璃的湿法腐蚀液中腐蚀沟道.腐蚀时间视腐蚀液的组分和腐蚀的沟道深度而定.当腐蚀液为HF HNO 3H 2O =204040时,玻璃的腐蚀速度很快,为2.83m

11、/min ;当腐蚀液为HF HNO 3H 2O =102070时,玻璃的腐蚀速度较慢,为0.94m/min ,但是沟道的表面质量以及几何形状较前者优秀.如图3所示.本研究采用后一种腐蚀液腐蚀沟道,沟道深度为38m.1.4超声打孔普通的钻床不适合在玻璃上打孔.微流控芯片的储液池是通过超声打孔的方式在玻璃基片上制作的,本研究采用CMC 21001Cr 超声钻孔仪钻孔.储液池的边界质量直接影响了微流控芯片的键合和质量.直接影响边界质量的因素是钻孔速度,而钻孔122004年3月罗怡等:玻璃微流控芯片的制作速度受超声钻孔仪的电流强度影响.电流强度越大,钻孔速度越快,但是越容易在钻孔的初始和结束阶段造 .

12、 图3微流控芯片的沟道图4超声钻孔的电流强度控制曲线1.5掩蔽层去除沟道腐蚀结束后,Cr 和光刻胶掩蔽层就结束了使命,在键合前必须清除.通常可以用浓H 2SO 4煮沸的方法清除掩蔽层,但是由于浓H 2SO 4遇水释放大量的热,若处理不当,容易造成玻璃基片的破坏,因此使用丙酮去除光刻胶.丙酮不溶于水,使用乙醇去除丙酮,之后用去离子水冲洗,放入Cr 的腐蚀液中去Cr.另外裁一片同样大小的玻璃作为盖片,与去除掩蔽层后的玻璃一起放入H 2O H 2O 2N H 4OH =521的溶液中煮5min ,去离子水清洗后在H 2O H 2O 2H Cl =821的溶液中煮5min ,再用去离子水冲洗,红外烘干

13、以去除玻璃表面附着的离子杂质,同时玻璃基片、盖片表面获得亲水性以便键合.1.6热键合玻璃微流控芯片的键合方式有热键合、阳极键合和间质键合3大类.根据实验室条件,选择热键合对加工好的基片、盖片进行封接.将清洗后的玻璃基片、盖片叠放于马弗炉.由于此类玻璃的退火点在520530左右,选择在超过退火点温度的550保温6h.当降温曲线温度降至420时,关闭马弗炉,此时由于马弗炉的保温效果,缓慢降温.15h 后降至100,完成一个热循环.由于采用了缓冷的方式降温,玻璃芯片键合时高温产生的热应力大大降低.采用匀胶铬版玻璃制作微流控芯片.由于玻璃表面不平度为2.8m ,给热键合带来一定困难.一次热循环之后仍旧

14、有部分未完全键合上.大量实验表明,升高键合温度有利于完全键合,但是同时也使沟道变形严重.最终采用增加热循环次数实现完全键合.通常两个热循环之后可以实现完全键合.少量的芯片由于玻璃材料的差异需要3个热循环实现完全键合.2实验加工的芯片如图5所示.浓度为5×10-5mol/L 的罗丹明 B 溶液在微沟道中利用激光诱导荧光产生的检测信息如图6所示 .图5微流控芯片图6微沟道中的激光诱导荧光强度为200的HPMC ,PH 值为8.3,分离沟道的有效长度为35mm ,沟道内表面未修饰,在60s 的时间内顺利实现了不同物质的有效分离.22纳米技术与精密工程第2卷第1期图7微沟道中的电泳分离图谱3

15、结语本文研究了一种在商品化的SODA2L IM E玻璃(掩蔽层为厚度145±15nm的Cr和575±25nm的光刻胶S108上制作微流控芯片的方法,降低了生产成本并缩短了生产周期.玻璃微流控芯片制作的关键在于沟道的腐蚀和芯片的键合.光刻后根据沟道深度要求选择HFH NO3H2O=102070,玻璃在此溶液中的腐蚀速度为0.94m/min,沟道的表面质量以及几何形状较好.优化超声钻孔仪的电流参数制作3mm直径的储液池,获得了具有光滑边缘的储液池便于键合.同时清洗后的玻璃采用热键合实现封接,不易堵塞沟道,为了减小沟道变形,在不提高键合温度的情况下增加热循环次数提高键合质量.最后

16、在有效分离长度为35mm的芯片上实现多组分样品分离,采用激光诱导荧光获得检测信息.参考文献:1Harrison D J,Fluri K,Seiler K,et al.Micromachining aminiaturized capillary electrophoresis2based chemical analysissystem on a chipJ.Science,1993,261:895897. 2汤扬华,周兆英,叶雄英,等.毛细管电泳芯片的制造J.微细加工技术,2001(1:6266.制作、测试及应用J.分析科学学报,2001,17(2:148152.J.现代科学仪器,2001(4:1014.5Roulet J C,Volkel R,Herzig H P,et al.Fabrication ofmultilayer systems combining microfluidic and micro opticalelements for fluorescence detectionJ.Journal of Micro2elect romechanical