生物DNA传感器-论文

1、毕业设计设计题目 生物DNA传感器 学生姓名 董栋 学 号 20095390 专业班级 机械设计制造及其自动化09-10 指导教师 王旭迪 院系名称 机械与汽车工程学院 2013年06月05日目录中文摘要1英文摘要21 绪论31.1 生物传感器的定义31.2 生物传感器的分类31.3 DNA传感器的关键技术41.4 DNA 检测技术41.41电化学检测41.42 光学检测41.43压电晶体51.44 场效应管51.45热敏检测51.5 DNA 传感器的应用61.51 DNA传感器用于基因检测61.52 DNA传感器用于环境监测61.53 抗癌药物的开发61.6 纳米阵列电极的定义和特点61.7

2、 纳米阵列电极的制备方法71.8 纳米压印技术71.7 纳米压印技术的工艺及特点81.7.1 热压印81.7.1.1 热压印的工艺过程81.7.2 紫外压印81.7.2.1 紫外压印的工艺过程81.7.3 微接触印刷91.7.3.1 微接触印刷的工艺过程91.8 纳米压印应用92.1实验仪器102.2 实验材料212.2.1 PDMS212.2.2 PET222.2.3 脱模剂222.2.4 PMMA232.2.5 其它材料253.1 模板制作273.11 1000L模板制作273.12 2000L模板制作283.2胶厚度的计算283.3 ANYSY分析SPEL应力分布和变形294. 实验过程

3、334.1 1000L纳米电极压印实验过程334.2 2000L纳米电极压印实验过程355. 实验结果和过程的讨论375.1 1000L和2000L压印的结果（显微镜图）375.2去底胶时间的确定385.2.1 1000L灰化时间确定385.2.2 2000L灰化时间确定405.3去Cr时间的确定和控制415.4 1000L,2000L最终的电镜图435.5实验存在问题45致谢47参考文献48生物DNA传感器摘要:DNA 作为细胞核中染色体的主要成分，是影响人类遗传和健康的重要物质。而传统的DNA检测比较复杂。现在兴起的DNA传感器可以克服传统DNA检测复杂等缺点,使检测更简单、更快速、更廉价

4、。本文利用全新的图形复制方法-纳米压印技术，制作1000L和2000L的纳米阵列电极。纳米阵列电极是多个纳米电极的集合体。它克服了单个纳米电极响应信号过小、易受干扰和难以操作等缺点, 能极大地提高测量的灵敏度和可靠性, 降低操作难度和测量成本。将其应用到传感器中，这样制作出来的DNA传感器具有较高的性能。关键字：DNA传感器 纳米阵列电极 纳米压印Biological DNA sensorsAbstract: Chromosomal DNA as the major component of the cell nucleus,. It impact human health and it s

5、the importance of genetic material. The traditional DNA testing is more complex. Now the DNA sensors can overcome the shortcomings of traditional DNA .It make detection easier, faster and cheaper. In this paper, i use nanoimprint technology that is a new graphics copying method to produce 1000L and

6、2000L nano-electrode array. Nano-electrode array is a collection of a plurality of nano electrodes. The single nano-electrode response signal is too small, vulnerable to interference and difficult to operate .But the nano-electrode array can overcome these disadvantages.Whats more,it can greatly imp

7、rove the sensitivity of measurement and reliability, reduce operating difficulty and cost of measurement. A DNA sensor with nano-electrode array will have high performance.Keywords:DNA sensor nano-electrode array Nanopatterning 1 绪论 DNA 作为细胞核中染色体的主要成分，是影响人类遗传和健康的重要物质。目前，由于特异性DNA在癌症等重大疾病的诊断中具有非凡意义，其检

8、测备受关注 传统DNA 杂交分析方法( 如凝胶电泳法) 存在杂交效率低、耗时费力、难以实现复杂生物样品检测等缺点。DNA 生物传感器不仅可以克服传统方法存在的不足，实现更简单、更快速、更廉价的检测，而且还能显著提高检测的灵敏度和特异性，为DNA 的杂交检测提供一种更有效的检测方法。1 这一特性使得DNA 生物传感器在基因分析领域发挥着重要的作用。除了DNA 检测外,还可应用于环境监控、药物研究、法医鉴定及食品分析等领域,具有广阔的发展前景。 而现在利用纳米阵列电极为基体制作生物传感器,非常有利于实现传感器的微型化、集成化,便于进行在体连续监控、活体细胞检测、临床疾病诊断、药理研究等,可以为酶工

9、程、基因工程、细胞工程等提供新的研究工具和手段。制作纳米阵列的方法有很多，本文用纳米压印的方法制作纳米阵列电极。21.1 生物传感器的定义 生物传感器的基本概念是指传感器的构成中分子识别元件为具有生物活性的材料,即生物活性材料膜层与相应的换能器的结合体,能实现对特定化学物质的作用并产生相应的可检测信息(如光、电效应、热效应、场效应和质量变化等。31.2 生物传感器的分类 按DNA 识别模型的不同,DNA 传感器分为: (1) 单链DNA( ssDNA) 传感器,是利用固定化单链DNA 探针,在碱基配对原则基础上进行分子识别检测系统,通过DNA 分子杂交反应,直接或间接产生的信号变化检测目的基因

10、。 (2) 双链DNA(dsDNA) 传感器,即固定化双链DNA ,利用DNA 与其他分子或离子间的相互作用产生的信号进行测定。1.3 DNA传感器的关键技术 一.是有效地将DNA 探针在固体基质表面的固定技术; 二.是在传感器液相界面对于靶基因或靶标物质的测定技术。1.4 DNA 检测技术1.41电化学检测 电化学DNA 传感器主要是依据所加电活性指示剂与DNA 单、双链作用的不同进行识别。根据检测方式的不同,分为伏安法、记时电位法及电致化学发光法。伏安法DNA 传感器是以所加入的氧化活性物质与杂交后的双链DNA 分子作用所引起的氧化还原峰电流或电位的变化或位移来进行测定的,所加指示剂可以是

11、有机金属共价络合物、抗生素、口丫啶染料、苯酰胺染料等能与DNA 作用的物质指示剂嵌入后的响应信号与待测DNA 物质的量浓度有相关性,从而定性或定量检测基因含量。电化学DNA 传感器饰电极除汞电极外,主要是DNA 修饰固体电极,包括金电极,各类碳电极:玻碳电极(GCE) 、碳糊电极(CPE) 、裂解石墨电极(PGE) 、定向裂解石墨电极(HOPGE) 、碳条电极(CSE) 等。1.42 光学检测 表面等离子体基元共振(SPR) 用于光化学传感器的响应原理是基于金属膜表面待测物质折射率的改变。一般在棱镜上被覆一层金属银或金的薄膜,与另一种折射率的介质相接触。经P 偏振处理的光线照射进入棱镜,在金属

12、2棱镜界面形成反射。在某一角度(共振角) 测定时,反射光强度最小。共振角对紧靠金属膜外侧的介质折射率的变化非常灵敏。当金属膜表面固定的DNA 单链探针与溶液中其互补体结合时则会引起折射率的改变,用光波导将折射率的变化传输给检测器可进行检测。一种检测方式为SPR 扫描,是改变入射角度,测定反射光强度与入射角的关系。另一种检测方式为SPR 显微镜,是将入射角度固定在共振角附近,用电荷耦合阵列检测器(CCD) 检测反射光强与样品不同部位的关系。此方式可区分单、双链DNA ,并有可能进行突变识别。荧光型检测法是在DNA 探针中或待测靶基因中标上荧光标记物,也可在DNA 杂交后加入荧光标记物。通过测定荧

13、光标记嵌入DNA 双螺旋间所导致的荧光信号的变化检测DNA。DNA 探针与溶液中其靶基因杂交后,与荧光嵌入染料溴乙啶(EB) 反应,根据荧光强度与溶液中互补DNA 的量的正比关系进行分析,可检测出DNA 含量。1.43压电晶体 应用研究较多的是厚度剪且模式(TSM) 的压电石英晶体微天平。这种压电晶体型传感器是利用晶体表面质量变化的原理构建的,在制作完成之后,压电晶体有一个固定的频率,当有少量物质附着在其表面以后,它的共振频率即会发生变化。当石英晶体表面单链DNA 探针与溶液中的互补单链杂交,会引起的晶体表面质量改变M ,通过晶体频率的改变量F 进行间接检测。与其它检测法相比,此类方法不需要标

14、记且可实时监测。1.44 场效应管 功函数型场效应管是在场效应管的栅区固定一条含有十几到上千个核苷酸单链DNA 片段,当待测物分子与敏感栅作用时,发生电荷转移,导致功函数变化,使阈电压偏移,其改变量VT ,可用ID 保持恒定时的漏电压表示出来。同样,功函数型传感器也是探测分子之间的作用,其灵敏度可达ppB 级,响应时间小于10s。由于该传感器可集成化、陈列化,便于多道测量。同时可微型化,易于实现在体检测。1.45热敏检测 生物传感器是利用灵敏的热敏元件(主要是热敏电阻) 探测生物反应的焓变,进而间接得出待测物的浓度。该方法的灵敏度较高、稳定性好、价格便宜,若能采用合适的DNA 探针标记法(需产

15、生高的热效应) ,该传感器有可能应用于分子杂交的检测。以上介绍的各种DNA 传感器技术是设计传感器常用的技术方法,在实际应用中,可根据其基本原理,运用多种固定化方法、选用不同的换能器和电活性试剂、光活性试剂进行优化配置。如另光寻址DNA 传感器采用光寻址代替导线接触,使DNA 传感器更易集成化、阵列化和连续检测;荧光标记DNA 传感器通过测定荧光标记嵌入DNA 双螺旋间所导致的荧光信号的变化,检测DNA 灵敏度大大提高;电化学发光( ECL) 是通过对电极施加一定的电压而促使反应产物之间或与体系中某种组分进行化学发光反应,通过测量发光光谱和强度来测定物质的含量。它既具有化学发光的灵敏度,又有根

16、据电位进行分离的高选择性,方法快速、灵敏、重现性好等。1.5 DNA 传感器的应用1.51 DNA传感器用于基因检测 DNA 传感器可用于基因遗传病的快速诊断,如癌症、帕金森氏综合症、阿尔茨海默氏病等。目前,利用石英晶体传感器检测2地中海贫血症患者血清的PCR 扩增产物,诊断准确率达100 %。利用DNA 传感器在ng/ mL 水平上直接检测到病源微生物的存在。将DNA 传感器与PCR 技术结合,则可以实现更低浓度水平的病源微生物感染的诊断。不仅操作简单,快速准确,可及时尽早诊断和预防如霍乱、天花、麻疹、SARS 等病原微生物。1.52 DNA传感器用于环境监测 DNA传感器监控环境中的病原微

17、生物与用DNA 传感器进行疾病诊断的原理相似,即通过固定监测对象的特异性DNA 探针,再配合PCR 技术,进行杂交信号的检测。很多环境污染物是基因诱变剂,能与DNA 发生作用。如道诺霉素、联苯和黄曲霉毒素以及工业废水中的1 ,22二氨基蒽醌、22氨基蒽萘和口丫啶橙等含氨多环芳香族化合物。污染物对固定化DNA 链产生的作用,可引起相应的光、电等信息的改变,根据换能器信息的变化就可对污染物进行检测。1.53 抗癌药物的开发抗癌药物大都是直接作用于癌变的DNA。将DNA 固定在传感器上,并用该传感器来检测DNA 与抗癌药物相互作用产生的信号,为抗癌药物的动力学研究和药理学研究提供了一种新的手段。41

18、.6 纳米阵列电极的定义和特点 纳米阵列电极是多个纳米电极的集合体。5纳米阵列电极不仅具有单个纳米电极高传质速率、低双电层充电电流、小时间常数、小IR 降及高信噪比等优势, 而且由于成千上万个单个纳米电极集中在一个基体上, 克服了单个纳米电极响应信号过小、易受干扰和难以操作等缺点, 能极大地提高测量的灵敏度和可靠性, 降低操作难度和测量成本。61.7 纳米阵列电极的制备方法 现在常用的有模板法、刻蚀法和自组装法等 模板法是选择具有纳米孔径的多孔材料作为模板, 在模孔内合成纳米阵列, 然后组装成纳米阵列电极。（采用化学沉积和电化学沉积在滤膜孔中沉积金属, 制备纳米阵列电极） 刻蚀法是基于化学腐蚀

19、或光化学反应, 对材料进行加工的一种方法。在纳米阵列电极制备过程中, 主要通过对电极覆盖层、阵列模板或电极材料进行加工, 从而制备出各种立体形状的电极, 是目前制备形状可控的纳米阵列电极较为有效的方法。 自组装法通过非共价键之间的相互作用使纳米粒子聚合在一起, 自发地在基底表面形成有序纳米结构薄层的一种方法, 是近年来非常活跃的研究方法之一。在纳米阵列电极制备过程中, 自组装层可作为电极反应的活性部分, 也可作为惰性覆盖层。71.8 纳米压印技术 纳米压印技术是华裔科学家美国普林斯顿大学周郁在20 世纪1995 年首提出的 。目前,这项技术最先进的程度已达到5 nm 以下的水平。 纳米压印是一

20、种全新的图形复制方法，其基本思想是通过模板将图形转移到相应的存底上，转移的媒介通常是一张很薄的聚合物膜，通过热压或者辐照等方法使其结构硬化从而保留下转移的图形。其特点是具有超高分辨率、高产量，成本低。 作为一种低成本的下一代光刻技术，纳米压印技术将为纳米制造提供新的机遇，被誉为十大可改变世界的科技之一。81.7 纳米压印技术的工艺及特点 现在具有代表性的纳米压印技术有：热压印、紫外光压印、微接触印刷1.7.1 热压印 热压印相对于传统的纳米加工方法，具有方法灵活、成本低廉和生物相容的特点，并且可以得到高分辨率、高深宽比结构。热压印的缺点是需要高温、高压，且即使在高温、高压下很长时间，对于有的图

21、案，仍然只能导致聚合物的不完全位移，即不能完全填充印章的腔体。91.7.1.1 热压印的工艺过程 （1）聚合物被加热到它的玻璃化温度以上； （2）施加压力。聚合物被图案化的模具所压； （3）模压过程结束后，整个叠层被冷却到聚合物玻璃化温度以下，以使图案固化； （4）脱模； （5）图案转移，利用刻蚀技术或剥离技术进行图案转移。1.7.2 紫外压印 紫外固化纳米压印技术与热压印技术相比不需要加热，可在常温下进行，避免了热膨胀因素，也缩短了压印的时间; 掩模板透明，易于实现层与层之间对准，层与层之间的对准精度可达到50 nm，适合半导体产业的要求。但紫外固化纳米压印技术设备昂贵，对工艺和环境的要求也

22、非常高; 没有加热的过程，光刻胶中的气泡难以排出，会对细微结构造成缺陷。101.7.2.1 紫外压印的工艺过程 1.采用石英SiO2等作为掩模板材料; 2.在Si 等衬底材料上涂覆一层厚度为400 500 nm 的低粘度、流动性好、对紫外光敏感的光刻胶; 3.低压将模板压在光刻胶上，使光刻胶填充模板空隙; 充分填充后利用紫外光照射模板背面，使光刻胶化; 4.脱模后利用等离子体刻蚀技术将残留胶除。111.7.3 微接触印刷 微接触印刷不但具有快速、廉价的优点,而且它还不需要洁净间的苛刻条件,甚至不需要绝对平整的表面。微接触印刷还适合多种不同表面,具有操作方法灵活多变的特点。该方法缺点是在亚微米尺

23、度,印刷时硫醇分子的扩散将影响对比度,并使印出的图形变宽。通过优化浸墨方式、浸墨时间,尤其是控制好印章上墨量及分布,可以使扩散效应下降。121.7.3.1 微接触印刷的工艺过程 1.使用聚二甲基硅氧烷( PDMS) 等高分子聚合物作为掩模制作材料，采用光学或电子束光刻技术制备掩模板; 2. 将掩模板浸泡在含硫醇的试剂中，在模板上形成一层硫醇膜; 3.再将PDMS 模板压在镀金的衬底上10 20 s 后移开，硫醇会与金反应生成自组装的单分子层SAM，将图形由模板转移到衬底上。131.8 纳米压印应用 微纳米压印技术作为一门新颖而实用性很强的应用技术，发展非常迅速。其在纳米电子器件、纳米光学元件、

24、纳米生物传感器及其他具有纳米结构的功能图形制作方面，将显示出其独特的技术优势。它能广泛采用各种高分子有机材料制造微米至纳米尺寸的器件，可以达到分辨率小于10mm的水平，无疑将为IT与微电子产业、生物与生命科学、环境与新能源技术等领域的加速发展带来重大的影响，成为未来主流芯片、显微镜头、微生物传感器、能源转化器以及微射流原器件的生产方式。另外在制造高密度磁性记录器件方面也有很大的潜力。142 实验材料和仪器2.1实验仪器（1）紫外曝光机图2.1 紫外曝光机 本实验采用的是传统紫外光刻机，如图2.3所示，它是自带的紫外光源，波长为365nm。该光刻机使用汞灯发光，谱能量在可见和紫外区，主要集中在几

25、个狭窄的谱带，如313.2nm、334.1nm、365/366.3nm、404.7nm、434.8/435.8nm、540.1nm、577nm等；其中在波长为365-366.3nm的能量辐射最强，是一种很好的紫外光源。其能量分布如图所示：图2.2 紫外光源能量分布 （2）反应离子刻蚀机（RIE）图2.3 反应离子刻蚀机 反应离子刻蚀过程是一个非常复杂的物理和化学过程，一般是反应离子刻蚀机通过交变的电磁场在有反应气体的腔室内激发等离子体，通过等离子体中的气体离子和化学活性的自由基与材料表面的化学反应和离子轰击材料表面的物理过程刻蚀材料。本实验中采用的反应离子刻蚀机如图2.5所示，有多种可调控的参

26、数，如气体流量、放电空间气压、放电功率、放电室腔壁与电极材料等。 主机主要有以下几部分构成：反应腔室、基极电极、真空系统、供气系统、等离子源、射频电源、预真空室。反应腔室：由整块铝锭制造，无焊缝结构，内径为300毫米。基极电极：基极电极带有加热和冷却装置真空系统：机械泵作为前级泵串联一台涡轮分子泵，使用时，先打开机械泵进行预抽，大概到达200Pa左右时打开涡轮分子泵抽气至1Pa. 供气系统：气体控制面板有4个气路组成，每个气路都由质量流量控制器控制。实验中只用了一个气路，因为刻蚀材料是聚合物，所以刻蚀气体选择的是氧气。射频电源偏压发生器功率：13.56MHz。感应耦合等离子（ICP）发生器功率

27、：13.56MHz 具有分布式控制系统，每个反应腔都具有独立的控制软件和硬件，能对全部组件进行实时监控。刻蚀时间可以预设定，自动控制刻蚀时间。 实验中用反应离子刻蚀机对光刻胶进行表面改性，增强它的表面能，使键合能在比较低的温度下进行。反应离子刻蚀机操作步骤： a 电源通电，打开冷却水阀门 b 真空室充气，打开真空室并放置样品 c 关真空室，开机械泵。当热偶真空机显示真空度达到几十帕时，开高速泵。 d 等热偶真空计显示真空度达到0.5帕时，开阀3、总阀，并将氧气罐打开。 e 调阀3气流流量，稳定到30/s，设定离子轰击时间，并打开轰击开关，开始灰化。 结束后，按顺序关闭阀3、总阀、氧气罐，并将时

28、间设定为零。充气，取样品。（3）电热恒温鼓风干燥箱图2.4 电热恒温鼓风干燥箱 电热恒温鼓风干燥箱具有设定，测定温度，时间双目数字显示，采用数显智能仪表控制，按键设定，自动控制恒温，操作简单，配置时间控制器及报警系统。采用热风循环系统由能在高温下连续运转风机和合理风道组成，工作室内温度均匀。在实验中一般用来烘烤基片（4）甩胶机图2.5 甩胶机 本匀胶机有两个转速，如图2.7所示。在启动之后，先以低转速运转，使胶摊开，然后自动变动到高转速运转。两种转速及相应的时间分别可调。高转速决定各种胶的厚度。本实验中匀胶机分两档转速，I档调速范围：1-1000转/分，匀胶时间：1-18秒；II档调速范围：1

29、000-10000转/分，匀胶时间：1-60秒。（5）热台图2.6 热台 实验室采用的热台如图2.6所示，热台可以实现快速达到所需温度的功能，大量节省时间，具有LED数显温度值，可以用来显示温度。它的温度控制精度高，热稳定性好，便于在台上进行操作，实验中的主要部分热键合的过程就是在热台上进行的。（6）光学显微镜 实验中采用的是NIKON显微镜，如图2.7所示，放大的功率为：5X,10X,50X,100X。 图2.7 显微镜（7）台阶仪图2.8 台阶仪 本实验中所用的是AMBOIS公司生产的XP-1型台阶仪，如图2.8所示。可以精确测量纳米级至几百微米级台阶高度。其工作原理如图2.9所示。当探针

30、在样品上进行接触式扫描时，由于样品表面的高低起伏从而使得探针随着样品表面也做高低起伏。由于探针的高低起伏就带动了蓝宝石轴承的倾斜度发生变化，从而使镜面倾斜度随着时刻发生变化，致使激光反射到光电池上的光斑位置时刻发生变化，变化的光斑位置产生的电信信号，通过对电信号的转换就会得到样品表面的高低形貌。图2.9 台阶仪工作原理图 本课题所用台阶仪的参数为：样品台直径（Sample Stage Diameter）:170mm;扫描长度（Scan Length Range）:0.05-20mm;扫描速度（Scan Speed Range ）:0.01-2mm/s;样品最大厚度（Sample Thickne

31、ss）:20mm maximum;水平分辨率（Lateral Resolution）:500nm等。除了精密台阶的测量，它也可以表征表面形状，测量表面的组织和粗糙度。（8）扫描电子显微镜图2.10 电子显微镜 扫描电子显微镜是1965年发明的较现代的细胞生物学研究工具，如图2.12所示，主要是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，即用极狭窄的电子束去扫描样品，通过电子束与样品的相互作用产生各种效应，其中主要是样品的二次电子发射。二次电子能够产生样品表面放大的形貌像，这个像是在样品被扫描时按时序建立起来的，即使用逐点成像的方法获得放大像。 扫描电子显微镜的制造是依据电子与物质的相互作用。当一

32、束高能的入射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征X射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。同时，也可产生电子-空穴对、晶格振动 (声子)、电子振荡 (等离子体)。原则上讲，利用电子和物质的相互作用，可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等等。 扫描电子显微镜由三大部分组成：真空系统，电子束系统以及成像系统。（9）洁净台图2.11 洁净台 洁净台是对硅片，玻璃片进行初级清洁的地方，所用的方法为丙酮擦洗以及酒精擦洗。（10）清洗台图2.12 清洗台 清洗台是对玻璃片进行

33、清洗的地方以及纯水出处。（11）超声机图2.13 超声机超声机是对玻璃片及玻璃印章进行丙酮超声和纯水超声的地方。（12）原子力显微镜图2.14 原子力显微镜 实验中，我们利用原子力显微镜（Atomic Force Microscopy,AFM）如图2.14所示，利用它进行了不同PET表面粗糙度的测量以及PDMS软印章图形的测定。其结构图如图3.15所示，它主要可以分为三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统，具体由带针尖的微悬臂、微悬臂运动检测装置、监控及运动的反馈回路、使样品进行扫描的压电陶瓷扫描件、计算机控制的图像采集、显示及处理系统组成。其基本工作原理是：将一个对微弱力极敏感的微悬臂

34、一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法可以测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。 原子力显微镜的技术参数如下：(1)分辨率：XY方向：0.2nm；Z方向：0.1nm;(2)扫描工作范围：1m1m，3m3m，20m20m，50m50m，100m100m，可根据需要选择；（3）接触模式：常规条件获得云母晶格图像，轻敲模式：常规条件获得DNA图像；（4）样品尺寸：25

35、mm；（5）扫描角度：0-360度，连续可调；（6）扫描速度：0.1Hz-240Hz.图2.15 原子力显微镜结构示意图（13）镀膜机 键合时为了提高通道胶层之间的粘附力，通常需要对压印好的硅片进行灰化以提高表面能，这里所用到的设备是蒸发镀膜机。此设备主要由真空室，机械泵，分子泵，真空计，冷却水系统以及控制电路部分组成。灰化步骤主要如下： （1）开冷却水，开总电源 （2）放气，升钟罩，放样品，降钟罩 （3）开机械泵，1min后开高阀 （4）23min后，开真空计，控制放气阀，使压强维持在68pa （5）开轰击，转动上面转盘，电流维持在100mA，开始灰化并计时 （6）时间到则灰化时间结束，关电

36、流，关轰击，关放气阀，关真空计，关高阀，关机械泵，充气，升钟罩，取样品，降钟罩。 （7）开机械泵，1min后开高阀，23min后关高阀，关机械泵，关电源，关水图2.16（14）压印机图2.17压印时，当印章是玻璃印章时必须用此压印机提供一定的压力，压力可通过扭柱上面的方孔由扭矩扳手提供。（15）扭矩扳手图2.18 扭矩扳手是用来给压印机提供一定的扭矩以使压印机产生一定的压力。2.2 实验材料2.2.1 PDMS PDMS(polydimethylsiloxane) ，聚二甲基硅氧烷的英文缩写：因其成本低，使用简单，同硅片之间具有良好的粘附性，而且具有良好的化学惰性等特点，成为一种广泛应用于微流

37、控等领域的聚合物材料。 实验中，用PDMS作为1000线的模板，是由于PDMS低的表面能。这样就便于压印并脱模。PDMS是一种硅橡胶，在使用的时候需要与固化剂按10：1比例充分混合，在90温度下固化大概20分钟，85下固化时间30分钟。最早报道使用PDMS制作微流体系统是1990年公布的一份专利 。在过去10年中尤其是最近数年，PDMS被大量用来制作各种微流体器件与系统，进行各种生物化学方面的研究，这主要是因为它有以下一些其他材料无法比拟的优点： （1）PDMS本身为弹性胶质材料，非常易于变形。因此即使衬底表面不平整或弯曲或表面粗糙，也可以依靠压力和界面亲和力非常严密地附着在衬底表面。它的软弹

38、性和较低的表面能（约22mJ*m-2）又使印章可以很容易地从衬底表面分离，是一种可逆的结合。 （2）制作工艺简单快捷，可以大量低成本地重复制作。 （3）固化后的PDMS片可以贴到任何光滑平整的表面，依靠接触界面的分子力可以形成良好的密封。 （4)PDMS的化学稳定性很好。大多数稀释的酸类腐蚀液对它不起作用，而且不与大多数有机溶剂反应。PDMS还是一种很好的抗等离子体刻蚀的掩模材料。 （5)PDMS本身是透明的。对300nm波长以上的光波有很好的透明度。 PDMS块制作工艺流程： PDMS聚合物和固化剂按10:1配制成混合物。清洗玻璃片，在烘箱中烘烤30min，以去除水分。静置混合物，直到混合物

39、中没有气泡。将混合物倒在玻璃片上，在烘台上加热85,30min。揭下PDMS固体块2.2.2 PET 作为衬底，实验中将PET覆盖到PUA上，曝光固化从而得到PUA的2000线模板。 PET为聚对苯二甲酸乙二醇酯，化学式为-OCH2-CH2OCOC6H4CO-英文名: polyethylene terephthalate，简称PET，为高聚合物，由对苯二甲酸乙二醇酯发生脱水缩合反应而来。对苯二甲酸乙二醇酯是由对苯二甲酸和乙二醇发生酯化反应所得。 PET 是乳白色或浅黄色、高度结晶的聚合物，表面平滑有光泽。在较宽的温度范围内具有优良的物理机械性能，长期使用温度可达120，电绝缘性优良，甚至在高温

40、高频下，其电性能仍较好，但耐电晕性较差，抗蠕变性，耐疲劳性，耐摩擦性、尺寸稳定性都很好。 实验室所提供的PET其表面能不及PDMS低，刮印层曝光后不能很方便的揭下，阻碍了后续键合的进行。且烘干时PET容易发生更翘曲，使得光刻胶涂覆不均，不能很好的获得刮印图形。故后面键合中所谈及的都采用PDMS作为刮印衬底。2.2.3 脱模剂 用于模板压印前，滴加少许脱模剂在模板表面，并甩匀烘干。可以降低模板表面能，利于压印脱模。2.2.4 PMMA 本次实验1000线和2000线压印的材料。 PMMA为聚甲基丙烯酸甲酯，以丙烯酸及其酯类聚合所得到的聚合物统称丙烯酸类树酯，相应的塑料统称聚丙烯酸类塑料，其中以聚

41、甲基丙烯酯甲酯应用最广泛。聚甲基丙烯酸甲酯缩写代号为PMMA，俗称有机玻璃，是迄今为止合成透明材料中质地最优异，价格又比较适宜的品种。应用方面：PMMA溶于有机溶剂，如苯酚，苯甲醚等，通过旋涂可以形成良好的薄膜，具有良好的介电性能，可以作为有机场效应管（OFET）亦称有机薄膜晶体管（OTFT）的介质层。 物理性能 聚甲基丙烯酸甲酯 （Polymethylmethacrylate，简称PMMA，英文Acrylic），又称做压克力或有机玻璃，在香港多称做阿加力胶，它的铸板聚合物的数均分子量一般为2.2×104，相对密度为1.191.20，折射率为1.4821.521，吸湿度在0.5%以下

42、，玻璃化温度为105。具有高透明度，低价格，易于机械加工等优点，是平常经常使用的玻璃替代材料。 PMMA的重量轻，密度比玻璃低：PMMA的密度大约在1150-1190 kg/m3，是玻璃（2400-2800 kg/m3）的一半。同样大小的材料，其重量只有普通玻璃的一半，金属铝（属于轻金属）的43%。 PMMA的机械强度较高：有机玻璃的相对分子质量大约为200万，是长链的高分子化合物，而且形成分子的链很柔软，因此，有机玻璃的强度比较高，抗拉伸和抗冲击的能力比普通玻璃高718倍。抗拉强度为67千克力/毫米2，耐压强度为1214千克力/毫米2，耐冲击性比聚苯乙烯好；它还有不易破碎的特点。有一种经过加

43、热和拉伸处理过的有机玻璃，其中的分子链段排列得非常有次序，使材料的韧性有显著提高，用钉子钉进这种有机玻璃，即使钉子穿透了，有机玻璃上也不产生裂纹，这种有机玻璃被子弹击穿后同样不会破成碎片。因此，拉伸处理后的有机玻璃可用作防弹玻璃，也用作军用飞机上的座舱盖。 光学性能 1、可见光：可见光透过率较高 ：PMMA是目前最优良的高分子透明材料，可见光透过率达到92%，比玻璃的透光度高1。紫外光：石英能完全透过紫外线，但价格高昂，普通玻璃只能透过0.6%的紫外线，但PMMA却能透过73%。PMMA不能滤除紫外线（UV）。紫外光会穿透PMMA，部份制造商2在PMMA表面进行镀膜，以增加其滤除紫外光的效果和

44、性质。另一方面，在照射紫外光的状况下，与聚碳酸酯相比，PMMA具有更佳的稳定性红外线：PMMA允许小于2800nm波长的红外线通过。更长波长的IR，小于25,000nm时，基本上可被阻挡。存在特殊的有色PMMA，可以让特定波长IR透过，同时阻挡可见光，（应用于远程控制或热感应等）。 化学性能 聚甲基丙烯酸甲酯的单体是甲基丙烯酸甲酯，为无色液体，具有香味，沸点101，密度为0.940克/厘米3(25）。工业上是先用丙酮氰醇法或异丁烯催化氧化法制出甲基丙烯酸，然后酯化而得。它容易聚合,需要在5以下存放，或加入0.01%左右的对苯二酚阻聚剂来保存。使用前将其蒸馏，把阻聚剂分出。 聚甲基丙烯酸甲酯能溶

45、于自身单体、氯仿、乙酸、乙酸乙酯、丙酮等有机溶剂。由于它能溶于自身单体中，它的本体聚合物非常透明。2.2.5 其它材料玻璃片，都是作压印时的基底材料。3. 实验准备3.1 模板制作为了保护原有的模板和压印方便，因此在实验前要先做好相应的模板。本次实验中要制作1000L的PDMS模板和2000L的PUA模板。3.11 1000L模板制作实验步骤具体操作清洗模板用纯水清洗原有的1000L的玻璃模板，用氮气吹干擦洗模板用丙酮擦洗清洗过后的模板烘模板将模板放入烘箱内设置温度和时间：130，30min（以保证玻璃的干燥清洁，增强胶层附着力和表面平整度。）配置PDMS溶液将PDMS和固化剂按10:1的比例

46、配制溶液，配完后将溶液放入干燥箱内静置（约1小时，为了除去里面的气泡）甩脱模剂在模板上滴加少量脱模剂，然后放到台式匀胶机上甩匀，设置匀胶机参数：3000r/min，30S（滴脱模剂是为了降低模板表面能）烘脱模剂将甩完脱模剂的模板放到烘台，设置参数：90，15min滴PDMS将配完的溶液滴到模板的中心，让其自动均匀的散布到这个模板固化将其放到烘台上让其固化,设置温度和时间：85，30min脱模轻轻揭下PDMS（冷却后脱模，将PDMS从玻璃模板上面揭下来，由于PDMS良好的粘弹性和低表面能，压印所得的图形和玻璃模板上的图形基本一致，成型度很高。）3.12 2000L模板制作实验步骤具体操作清洗模板

47、将2000L玻璃模板放到丙酮中浸没一段时间，再用纯水清洗模板，用氮气轻轻吹干擦洗模板用丙酮轻轻擦清洗过后的模板烘模板将模板放入烘箱内设置温度和时间：130，30min（以保证玻璃的干燥清洁，增强胶层附着力和表面平整度。）甩脱模剂在模板上滴加少量脱模剂，然后放到台式匀胶机上甩匀，设置匀胶机参数：3000r/min，30S（滴脱模剂是为了降低模板表面能）烘脱模剂将甩完脱模剂的模板放到烘台，设置参数：90，15min灰化PET将PET进行用RIE离子刻蚀机灰化1min（增加PET表面的吸附能力，有利于PUA的吸附）滴PUA将PUA滴少许在模板中心，盖上PET曝光固化将其放到曝光机下曝光18min（使

48、PUA固化）脱模轻轻揭下PET（PUA图形已复制到其表面）3.2胶厚度的计算 根据1000L和2000L的沟槽结构尺寸来选择相应胶的厚度。最理想的状态是所甩的一层胶可以刚好填充沟槽。 下面进行计算分析。图3.1 对于1000L，所甩的胶需要填充到空白的部分，因此设胶厚为t nm，可以得出400*500=t*1000 因此对于1000L最好选用 t=200nm左右厚的PMMA。同理对于2000L（沟槽尺寸为250*300）可以算出T2=150nm，对于2000L最好选用150nm 左右厚的胶。 根据实验室的条件，选用相对较薄的PMMA,经台阶仪测试，用3000r/min 60S的甩胶参数，胶厚约

49、为230nm，用3500r/min 60S的参数，胶厚约为205nm。3.3 ANYSY分析SPEL应力分布和变形 SPEL:传统的SPEL主要有三种方法，利用PMMA成熔融状态后分子要自组成能量最低的状态的原理，使得纳米级的沟槽结构变得陡直。而本文为了避免传统SPEL方法使得沟槽结构的深宽比变得太大，用了P-SPEL方法。14为了分析SPEL这个过程是否会对图形有较大的影响，本文借助ANSYS 软件分析该过程引起的形变。图3.2为分析模型示意图（沟槽尺寸：1000L为500nm*400nm;2000L为250nm*300nm）。平板为PDMS, 聚合物为PMMA , 其材料参数见表1图3.2

50、图3.3 建立的有限元模型中, PMMA 选用hyper 182 单元,在本文建立的模型中,SPEL过程不考虑气体的滞留、气泡、吸收作用的影响。这主要是与环境压力相比, 施加的压力很大, 而且宏观上来说, 对聚合物变形的影响不大。在纳米压印过程中, 当聚合物加热温度高于其玻璃转化温度Tg 时, 可以假定聚合物是弹性体, 可以由Mooney-Rivlin 模型来表示其机械性能。ANSYS 中Mooney-Rivlin 模型假定超弹性材料是不可压缩、各向同性的。 本文模拟了两种模板做出的PMMA图形的变形图，图3.5，图3.6，图3.7分别为变形示意图和1000L的SPEL平面具体变形图和2000

51、L的变形图（变形位移单位为um）。图3.4图3.5 变形示意图图3.6 1000L位移变形图图3.6 2000L位移变形图 分析结果表明该过程不会对图形造成很大的影响，因此可以用SPEL来使沟槽结构变得陡直。从而有利于去CR,得到好的沟槽图形。4. 实验过程4.1 1000L纳米电极压印实验过程清洗基片清洗镀上Cr的玻璃基片，用纯水擦洗后再用氮气吹干基片擦洗基片用丙酮擦洗洗好的基片，直到表面没有污垢擦洗模板用酒精轻轻擦洗1000L的PDMS模板，直到没有污点烘基片将前期处理的基片放入烘箱内烘烤，设置温度和时间：130，30min（除去基片上面附着的水分）烘模板将前期处理的模板放入烘箱内烘烤，设

52、置温度和时间：90，10min（除去模板上面附着的水分和酒精）灰化将烘烤完的基片进行灰化（灰化约8分钟，增加基片表面的附着力，利于后续的甩胶）甩胶在基片上滴加少量PMMA，然后放到台式匀胶机上甩匀，设置匀胶机参数：3000r/min，60S（这个参数甩匀的胶的厚度经台阶仪测得为：220nm）烘胶在哄台上烘干PMMA,除去杂质，设置温度和时间：180，10min甩脱模剂在模板上滴加少量脱模剂，然后放到台式匀胶机上甩匀，设置匀胶机参数：3000r/min，30S（滴脱模剂是为了降低模板表面能）烘脱模剂将甩完脱模剂的模板放到烘台，设置参数：90，15min压印预热一下基片，然后在基片上盖上PDMS模

53、板，再进行滚压（除去气泡），也可用镊子将小的气泡推到边缘，然后在模板上面盖上纸片和玻璃，最后放上铁块，放在烘台上进行软压印。并设定温度和时间：180，15min。脱模软压印结束后，依次拿下基片上放的东西，并保存好模板。得到压印的PMMA 1000L图形去底胶将PMMA图形拿到RIE进行去底胶（3.5分钟，时间参数的选定下节进行详细的讨论；RIE具体操作：放气放入有PMMA图形的基片开低速泵和总电源压强达到一定值开高真空泵达到一定真空开氧气设定时间灰化）去Cr首先先要配好去Cr液（硝酸铈铵：20g 水：100ml 冰醋酸 3.5ml）,将有图形的基片放入去Cr液里约25秒（去Cr时间的确定下节具

54、体讨论）去除没有胶覆盖的Cr。去胶用丙酮轻轻把去完Cr的基片上的胶擦去。留下Cr的沟槽图形最后用电子显微镜或者原子力或者SEM观察其表面图形详见下一节4.2 2000L纳米电极压印实验过程清洗基片清洗镀上Cr的玻璃基片，用纯水擦洗后再用氮气吹干基片擦洗基片用丙酮擦洗洗好的基片，直到表面没有污垢擦洗模板用酒精轻轻擦洗2000L的PUA模板，直到没有污点烘基片将前期处理的基片放入烘箱内烘烤，设置温度和时间：130，30min（除去基片上面附着的水分）烘模板将前期处理的模板放入烘箱内烘烤，设置温度和时间：90，10min（除去模板上面附着的水分和酒精）灰化将烘烤完的基片进行灰化（灰化约8分钟，增加基片表面的附着力，利于后续的甩胶）甩胶在基片上滴加少量PMMA，然后放到台式匀胶机上甩匀，设置匀胶机参数：3500r/min，60S（这个参数甩匀的胶的厚度经台阶仪测得为：180nm）烘胶在哄台上烘干PMMA,除去杂质，设置温度和时间：180，10min甩脱模剂在模板上滴加少量脱模剂，然后放到台式匀胶机上甩匀，设置匀胶机参数：3000r/min，30S（滴脱模剂是为了降低模板表面能）烘脱模剂将甩完脱模剂的模板放到烘台，设置参数：90，15min硬压