一文看懂微流控芯片加工技术
栏目:行业动态 发布时间:2020-10-17 22:11
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  微流控技巧是以微管道为汇集毗连微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测元件等具有光、电和流体输送成效的元器件,最大限制地把采样、稀释、加试剂、响应、差别、检测等剖析成效集成正在芯片上的微全剖析体系。目前,微流控芯片的巨细约几个平方厘米,微管道宽度和深度(高度为微米和亚微米级)。

  微流控芯片的加工技巧开头于半导体及集成电途芯片的微细加工,但它又分别于以硅资料二维和浅深度加工为主的集成电途芯片加工技巧。近来,行为微流控芯片根柢的芯片资料和加工技巧的磋议已受到很众昌隆邦度的注重。

  刚性资料——单晶硅、无定性硅、玻璃、石英等;刚性有机遇合物资料如环氧、聚脲、聚氨、聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等;

  ③再用甩胶机正在阻拦层上平均地甩上一层几百 A厚的光敏资料——光刻胶。光刻胶的本质厚度与它的粘度相闭 ,并与甩胶机的回旋速率的平方根成反比;

  ④正在光掩模上制备所需的通道图案。将光掩模复盖正在基片上,用紫外光映照涂有光刻胶的基片,光刻胶产生光化学响应;

  ⑤用光刻胶配套显影液通过显影的化学技巧除去经曝光的光刻胶。如此,可用制版的技巧将底片上的二维几何图形正确地复制到光刻胶层上;

  ⑥烘干后 ,诈骗未曝光的光刻胶的掩护用意 ,采用化学侵蚀的技巧正在阻拦层上正确侵蚀出底片上平面二维图形。

  用光刻的技巧加工微流控芯片时 ,必需开始制作光刻掩模。对掩模有如下请求:

  普通用于大范围集成电途的光刻掩模资料有涂有光胶的镀铬玻璃板或石英板。用预备机制图体系将掩模图形转化为数据文献,再通过专用接口电途驾御图形产生器中的爆光光源、可变光阑、事情台和镜头,正在掩模资料上刻出所需的图形。但因为摆设高贵,邦内通常科研单元需通过外协处理,延迟了磋议周期。

  因为微流控芯片的区分率远低于大范围集成电途的请求,近来有报道操纵单纯的技巧和摆设制备掩模,用微机通过CAD软件将打算微通道的组织图转化为图象文献后,用高区分率的打印机将图象打印到透后薄膜上,此透后薄膜可行为光刻用的掩模,基础能餍足微流控剖析芯片对掩模的请求。

  正在光刻过的基片上可通过湿刻和干刻等技巧将阻拦层上的平面二维图形加工成具有必然深度的立体组织。近年来,操纵湿法刻蚀微细加工的报道较众,合用于硅、玻璃和石英等可被化学试剂侵蚀的基片。已平凡地用于电泳和色谱差别。

  ③正在基片的妥贴地位(通常为微通道的端头处)打孔,行为试剂、试样及缓冲液蓄池。刻有微通道的基片和一致材质的盖片洗涤后,正在妥贴的前提下键合正在一齐就取得微流控剖析芯片。

  玻璃和石英湿法刻蚀时,惟有含氢氟酸的蚀刻剂可用,如HF/HNO3,HF/ NH4。因为刻蚀产生正在吐露的玻璃外外上,以是,通道刻的越深,通道二壁的不屈行度越大 ,导致通道上宽下窄。这一外象局部了用湿法正在玻璃上刻蚀深邃宽比的通道。

  等离子体刻蚀是一种以化学响应为主的干法刻蚀工艺,刻蚀气体分子正在高频电场用意下,出现等离子体。等离子体中的逛离基化学本质异常活动,诈骗它和被刻蚀资料之间的化学响应,到达刻蚀微流控芯片的主意。

  等离子体刻蚀已运用于玻璃、石英和硅资料上加工微流控芯片 , 如石英毛细管电泳和色谱微芯片。先正在石英基片上涂上一层正光胶 (爆光后零落的光胶),低温烘干后,安排好掩模,用紫外光映照后显影,正在光胶上会出现微组织的图象。

  然后用活性CHF3等离子体刻蚀石英基片 ,基片上无光胶处会出现必然的深度通道或微组织。如此可出现深邃宽比的微组织。近来,也有将等离子体刻蚀用于加工会合物上的微通道的报道。

  用光刻和刻蚀的技巧先制出阳模 (所需通道片面突起),然后浇注液态的高分子资料。将固化后的高分子资料与阳模剥离就取得具有微通道的芯片。这种制备微芯片的技巧称为模塑法。模塑法的闭头正在于模具和高分子资料的选取,理念的资料应彼此之间粘附力小,易于脱模。

  微模可由硅资料、玻璃、环氧基SU28负光胶和聚二甲基硅氧烷(PDMS)等制作。

  通过光刻可正在SU28负光胶上取得深邃宽比(20 : 1)和辩解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资料、玻璃等资料制体积的母模上可制得聚二甲基硅氧烷模具。

  浇注用的高分子资料应具有低粘度,低固化温度,正在重力用意下,可充满模型上的微通道和凹槽等处。可用的资料有两类:固化型会合物和溶剂挥发型会合物。固化型会合物有聚二甲基硅氧烷(硅橡胶)、环氧树脂和聚胺酯等,将它们与固化剂夹杂,固化变硬后取得微流控芯片;溶剂挥发型会合物有丙烯酸、橡胶和氟塑料等,通过慢慢地挥发去溶剂而取得芯片。

  固然模塑法限于某些易固化的高分子资料,但该法简易易行,芯片可巨额量复制,不需求高贵的摆设,是一个可能筑制便宜剖析芯片的技巧。但此类芯片的微流控行动磋议尚少,其适用代价尚待研讨。

  其技巧有微接触印刷法、毛渺小模塑法、迁徙微模塑法、微复制模塑法等。它不单可正在高聚物等资料上制作繁复的三维微通道,并且可能厘革资料外外的化学本质。有或许成为分娩低本钱的微流控剖析芯片的新技巧。

  筑制弹性印章的最佳会合物是聚二甲基硅氧烷(PDMS)。它外外自正在能低(~21.6dyn/cm),化学本质太平、与其它资料不粘连;与基片正移交触慎密,容易取模;优柔,易变形,弹性好,可正在曲面上复制微图形。

  微接触印刷法是指用弹性印章连系自拼装单分子层技巧正在平面或曲面基片上印刷图形的技巧。自拼装单分子层是含有必然官能团的长链分子正在相宜的基片上自愿地陈列陋习整的组织以求自正在能最小。

  已确定的自拼装单分子层系统有烷基硫醇正在金银等制币金属外外和烷基硅氧烷正在玻璃、硅、二氧化硅外外等。自拼装单分子层的厚度约2~3nm ,厘革烷链中亚甲基的数目可正在0.1nm的精度界限内厘革单分子层的厚度。

  通过用光刻等技巧先制备相闭图形的模具,将PDMS浇注正在模具上可制得弹性印章。正在印章的外外涂上烷基硫醇墨水,可正在金银等金属外外印出微图形。

  正在此经过中,硫醇分子自愿陈列陋习整的组织以求自正在能最小,具有自愿愈合缺陷的趋向,可削减印刷缺陷并保障印刷明显度。印刷后的外外可用化学侵蚀或化学镀层的技巧使图形显形。若把印章做得很薄,贴正在辊筒外外,成为微印刷辊,能进步印刷的效能及印刷大面积的图形。

  微接触印刷法能很便利地驾御微通道外外的化学物理本质,正在微制作、生物传感器、外外本质的磋议上有很大的运用前景。

  正在毛细管微模塑法中,弹性印章上的微通道与基片之间组成了流通的毛细管汇集,将高分子预聚物(比方紫外固化的聚脲和热固化的环氧)滴正在汇集的入口,毛细用意会把预聚体吸入通道汇集,固化后可取得与印章上微通道高低互补的微组织,MIMIC只可加工通道汇集与入口连通的微组织。

  微迁徙模塑法是正在弹性印章上的凹槽内填满高分子预聚物,将其扣正在基片上,固化后,移去模型,正在基片上就印上了高分子资料组成的图形。μTM已用于筑制光学波导管。

  采用紫外光固化聚氨酯,用μTM 做出微米级的波导管后,正在其上浇注一层遮盖层,通过驾御紫外光照年光而驾御波导管和遮盖层的光学指数差,能驾御波导管的光耦合效益,便利、神速。

  微复制模塑法是通过正在弹性印章上直接浇注聚氨酯等高分子资料取得微组织。此技巧可有用地复制尺寸为30nm到几厘米微组织。用氧等离子体治理高分子资料外外使其外外改性,取得的毛细管成效通道可用于电泳差别等方面的磋议。

  以模塑为根柢的软刻蚀具有单纯、经济、保真度上等所长,它可用于正在会合物、无机和有机盐、溶胶和凝胶、陶瓷和碳等资料上加工微组织,已用于制备微光栅,会合物波导管、微电容和微共鸣器等。而光刻只可正在光胶这一类会合物上加工微组织。

  正在热压机中加热聚甲基丙烯酸甲酯至135℃,保温前提下放上硅的阳模加压5min,即可正在聚甲基丙烯酸甲酯片上压制出微通道。将带通道的基片和有孔洞的盖片加热封接可得微流控剖析芯片。此法可巨额量复制,摆设单纯,操作简易。然而所用资料有限,对其职能磋议较少,运用代价尚需实践。

  用紫外激光使可降解高分子资料曝光 ,把底片上的二维几何图形正确复制下来。调动曝光强度可驾御资料的光解深度。用压力吹扫去除降解产品 ,取得带有微通道的基片。它和另一片打好孔洞的盖片热粘合就取得所需的芯片。

  这种技巧对技巧摆设请求较高,但方法简易,并且不需超净境遇,精度高。可用于正在聚甲基丙烯酸甲酯,聚碳酸酯等可光解高分子资料上加工微通道。

  LIGA技巧是由光刻、电铸和塑铸三个枢纽构成。第一步为同步辐射深度X光爆光,可将掩膜上的图形迁徙到有几百微米厚的光刻胶上,取得一个与掩膜组织一致,厚度几百微米、最小宽度为几微米的三维立体组织。

  电铸可采用电镀的技巧。诈骗光刻胶下面的金属举行电镀,将光刻胶图形上的间隙用金属填充,酿成一个与光刻胶图形高低互补的金属高低国界,将光刻胶及附着的基底资料除掉,就取得铸塑用的金属模具。

  通过金属注塑版上的小孔将塑料注入金属模具腔体内,加压硬化后就取得与掩膜组织一致塑料芯片。普通以聚甲基丙烯酸甲酯行为塑铸资料。

  对玻璃和石英材质刻蚀的微组织通常操纵热键合技巧,将加工好的基片和一致材质的盖片洗净烘干对齐紧贴后平放正在高温炉中,正在基片和盖片上下方各放一块掷光过的石墨板,正在上面的石墨板上再压一块重0.5 Kg的不锈钢块,正在高温炉中加热键合。

  玻璃芯片键适时,高温炉升温速率为10℃/分,正在620℃时保温3.5小时,再以10℃/分的速度降温。石英芯片键合温度高达1000℃以上。此技巧对操作技巧请求较高,芯片如一次封接后有插手条纹可众次热键合。

  但热键合不行用于含温度敏锐试剂、含电极和波导管芯片,也不行用于分别热膨胀系数资料的封接。

  正在玻璃、石英与硅片的封接中已平凡采用阳极键合的技巧。即正在键合经过中 ,施加电场 ,使键合温度低于软化点温度。

  为提防热键合或许产生的通道变形 ,乃至塌陷的外象 ,玻璃与玻璃之间的阳极键合已惹起平凡的有趣。正在玻璃外外浸积上一层薄膜资料如众晶硅、氮化硅等行为中心层,正在约700伏的电场下,升温到400℃时,可使两块玻璃片键合。

  文献报道,正在500~760伏电场下,升温到500℃时,可使两块玻璃片键合而不需正在玻璃外外浸积中心层。正在两块玻璃板尚未键适时,板间氛围间隙担任了大片面电压降,玻璃板可视为平行板电容器,板间吸引力与电场强度的平方成正比。

  以是,键合从两块玻璃中那些最亲热的点初阶,下板中可挪动的正电荷(要紧是Na+)与上板中的负电荷中和,天生一层氧化物(恰是这层过渡层,使两块玻璃板封接),该点达成键合后,边际的氛围间隙相应变薄,电场力增大,从而键合扩散开来,直至整块密合。玻璃外外举行掷光治理,减小玻璃之间间隙宽度,可低落键合温度。

  有报道用HF和硅酸钠粘结玻璃的低温键合技巧,用1 %HF 滴入两玻璃片之间的漏洞中,正在室温下加40gf/ cm2压力,2h即可键合得胜,温度升高60℃,1h即可达成;正在两玻璃片之间,通过硅酸钠稀溶液中心层,正在室温下安排止宿,或 90℃下安排1h也能举行键合。

  Sayah等又报道了两种低温键合的技巧:a.正在两片贯注洁净的玻璃片之间操纵1μm厚的环氧胶,正在1MPa的压力和90℃前提下硬化;b.正在100~200℃加高压15h使之直接键合,压力最高可用50MPa。

  微流控剖析芯片的加工技巧开头于半导体及集成电途芯片的微细加工,要紧是用于硅资料平面二维的或浅深度的加工,有其部分性。为合适微全剖析体系的请求,微流控剖析芯片将进展为以微管道为汇集毗连微泵、微阀、微光电检测等成效元器件的立体组织。它的要紧进展前景有以下几方面:

  (2) 因为湿法刻蚀不行取得深邃宽比的通道,也不行正确地加工通道的形式和深度,难以低落弯道效应,进步芯片的集成度,而干法刻蚀目前用于硅资料上的加工深邃宽比通道的报道较众,用于玻璃和石英基片上的报道尚稀睹。以是,正在玻璃、石英基片上加工深邃宽比通道的干法刻蚀技巧将受到注重;

  (3) 会合物芯片因为易批量分娩、本钱低,希望替换玻璃和石英芯片而进入市集。用深邃宽比阳模热压法或模塑法加工高分子会合物芯片的报道将会延续映现;

  (4) 玻璃和石英等芯片的低温键合技巧将代替热键合,以进步封接制品率,低落分娩本钱。会合物芯片的封接技巧将受到注重;