微流控芯片.ppt

微流控芯片相关制备技术芯片是微流控芯片实验室的核心，微流控芯片的研究涉及芯片的材料、尺寸、设计、加工和表面修饰等。了解芯片制备的全过程，体会芯片设计的重要性，是微流控芯片研究工作的基础。未来芯片实验室领域的竞争首先将是芯片设计和制造的竞争。Contents微流控分析芯片材料硅材料硅材料玻璃石英有机聚合物选择聚合物材料的原则聚合物材料应有良好的光学性质在所采用的分析条件下材料应是惰性的用于制作微流控芯片的高分子聚合物主要有三类：热塑性聚合物、固化型聚合物和溶剂挥发型聚合物。聚二甲基硅氧烷（PDMS）芯片制作环境实验室洁净标准微流控芯片加工方法光刻蚀薄膜沉积：光刻前先在基片表面覆盖一
一层薄膜，薄膜的厚度为数Å到
几十微米，这一工艺过程叫薄膜沉积。
光刻：在薄膜表面用甩胶机均匀地覆盖上一层光胶。将光刻掩模上微流控芯片设计图案通过曝光成像的原理转移到光胶层上的工艺过程称为光刻。
刻蚀：是将光胶层上的平面二维图形转移到薄膜上并进而在基片上加工成一定深度微结构的工艺。选用适当的刻蚀剂，使它对光胶、薄膜和基片材料的腐蚀速度不同，可以在薄膜或基片上产生所需的微结构。光刻掩模对掩模的要求掩模制备薄膜沉积氧化化学气相沉积蒸发溅射光刻光胶材料----有机聚合物光敏材料正负光胶的曝光变化在实际光刻工艺中，常使用牺牲层技术，即在基片上沉积一层薄膜作为牺牲层，在牺牲层上再涂覆一层光胶，从而提高刻蚀时的选择性，更好地保护基片表面在刻蚀时不被侵蚀。在基片上的微结构加工完毕后，用适当的化学试剂将牺牲层除去。光刻工艺具体操作步骤光刻机的三种曝光方式接触式曝光非接触式曝光投影式曝光 湿法刻蚀剂 刻蚀速率nm/min
二氧化硅 HF 20-2000
HF+NH4F 100-500
氮化硅 H3PO4 5
铝 H3PO4+HNO3+CH3COOH660
HF 5
金KI 40
钛 HF+H2O2 880
钨 H2O220-100
K3Fe(CN)6+KOH+KH2PO434
铬 Ce(NH4)2(NO3)6+HClO4 2

有机层 H2SO4+H2O2>1000
CH3COCH3(丙酮)>4000根据所选刻蚀剂的不同分为：湿法刻蚀和干法刻蚀。

湿法刻蚀是通过化学刻蚀液和被刻蚀物质之间的化学反应将被刻蚀物质剥离下来的刻蚀方法。大多数湿法刻蚀是不容易控制的各向同性刻蚀。

特点：选择性高、均匀性好、对硅片损伤少，几乎适用于所有的金属、玻璃、塑料等材料。
缺点：图形保真度不强，刻蚀图形的最小线宽受到限制。

干法刻蚀的刻蚀剂是等离子体，是利用等离子体和表面薄膜反应，形成挥发性物质，或直接轰击薄膜表面使之被腐蚀的工艺。

特点：能实现各向异性刻蚀，从而保证细小图形转移后的保真性。
缺点：设备价格昂贵，较少用于微流控芯片的制造。

从所产生通道截面形状分类，刻蚀又可分为两类：各向同性刻蚀和各向异性刻蚀。
各向同性刻蚀：刻蚀剂从基片表面向下腐蚀的速率与在其他各方向大致相同，这种刻蚀成为各向同性刻蚀。例如含氢氟酸的溶液刻蚀玻璃和石英就是各向同性的。
各向异性刻蚀：刻蚀剂在某一方向的刻蚀速率远大于其他方向时，就是各向异性刻蚀。例如用氢氧化钠、氢氧化钾等碱金属的氢氧化物或季铵盐刻蚀硅片时是各向异性的。模塑法阳膜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间黏附力小，易于脱模。

微通道的阳膜可由硅材料、玻璃、环氧基SU一8负光胶和聚二甲基硅氧烷(PMDS)等制造。

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。

模塑法特点热压法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(PMMA106℃，PC150℃)通过在阳模上施加一定的压力(4英寸面积加20~30KN)，并保持30~60s，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。

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。热压法加工微结构的注意事项LIGA技术LIGA技术的工艺流程利用同步辐射X光良好的平行性能和高辐射光强，可将掩模上的图形转移到有几百微米厚的光胶上。PMMA是X光光刻常用的光胶材料。在X光射线照射后，PMMA骨架间的键断裂，生成的小分子易溶于显影液中。光刻时，通过掩模上图形区的吸收体将X光吸收掉，从而阻挡X光的作用，而在非图形区下的光胶受到X光射线强烈照