【微流控·博士公开课】聚合物微流控芯片加工技术（上）

微流控技术是下一代YL诊断颠覆性技术。

2003年被福布斯(Forbes)杂志评为影响人类未来15件Z重要的发明之一。

通过在固体芯片表面构建微型的反应和分析单元，可以实现对无机离子、有机物质、核酸、蛋白质和其他生化组份快速、准确的检测，所以也称微流控芯片为“芯片上的实验室”(Lab on a chip)。

微流控加工方法基于传统MEMS微加工技术，所使用的材料包括硅、玻璃（石英）、有机聚合物等，其中聚合物由于以下特点得到了广泛应用：

1. 低成本和易加工性

2. 光学透明性

3. 化学惰性和电绝缘性

4. 表面可修饰性和可密封性

广泛应用于微流控芯片的聚合物有弹性体PDMS，硬质塑料PMMA、PC、COC、COP等。

聚合物的微加工方法可分为两类，一为直接加工技术，如微机械加工，光刻等；二为基于微模具的复制技术，其中微模具多为**类直接加工技术得来。而对于聚合物微流控芯片，直接加工方式运用在批量生产中成本高，基于微模具的复制技术分为以下几类：

1. 浇注技术

PDMS（聚二甲基硅氧烷）作为一种高分子有机硅化合物。具有光学透明，且在一般情况下，被认为是惰性，无毒，不易燃，是Z广泛使用的硅为基础的有机聚合物材料，因其成本低，使用简单，同硅片之间具有良好的粘附性，广泛应用于微流控领域。

PDMS具有热固性，在制造或成型过程的前期为液态，固化后即不溶不熔，也不能再次热熔或软化。

PDMS浇注操作方便，以此为基础开发的软光刻、微接触印刷等技术在微流控芯片加工中得到了推广应用。

图1 PDMS翻模操作

2. 热压(Hot Embossing)技术

热压成型技术是当前在学术研究领域里Z为常用的复制聚合物微结构的加工技术，应用了材料的热塑性，其加工过程主要包含以下步骤：

(1)聚合物基片（圆盘或薄片）放置在热压装置中，并在真空环境下使温度达到聚合物的玻璃化转变温度；

(2)压头同样被加热到相同（或略高于玻璃化转变温度）；

(3)压头一般以一定的压力压入聚合物基片，该压力的大小取决于聚合物基片的结构设计、基片的材料以及压头的材料；

(4)  压头和基片匀速降温到玻璃化转变温度以下，然后再进行分离（或开模），得到制品的微结构。

图2 热压成型的流程

图3 典型的热压成型参数图

虽然在工业界并不是很看好该项技术，但对于有些结构，热压是惟一的合理解决方案，而通过一些技术，也可以做到可控的商业化。

热压成型的优势在于方便平板类零件的大面积成型，且无需复杂的模具，设备成本低，但Zda的问题在于效率，因为升温和降温的过程需要耗费大量时间。

北京化工大学的Daming Wu等改进了工艺，将模具压头保持一个预设的较高温度，脱模后散热，极大的提高了效率，但也增加工艺复杂性，导致工艺不稳定的问题。

为了使热压成型进一步批量化，卷对卷（roll to roll）热压成型称为近阶段的研究热点。如图5尤其对于柔性器件大批量制造有很强的优势。

图4 改进的热压成型工艺参数

图5 卷对卷热压成型概念图

3. 注塑(Injection Molding)

到目前为止，在微观领域Z广泛制备聚合物的加工过程就是注塑成型，也是工业界的优先选择。注塑成型也称注射成型、注射模塑成型等，是聚合物GX、高精度、批量复制方法，该项技术也扩展应用到了金属、陶瓷粉末注射成型。注塑成型还发展出了众多类似技术，比如反应注射成型（Reaction Injection Molding）、微发泡注塑成型（Microcellular Injection molding）、微挤出成型（Micro Extrusion Molding）等。

注塑成型，也简称微成型，是LIGA工艺的重要一环。注塑成型方法的优点是生产速度快、效率高，操作可实现自动化，花色品种多，形状可以由简到繁，尺寸可以由大到小，而且制品尺寸极ng确，能成形状复杂的制件。

注射成型过程大致可分为合模、射胶、保压、冷却、开模、制品取出等阶段，上述工艺反复进行，就可批量周期性生产出制品。

图6 注塑成型的流程

然而对于微尺度结构的加工，尤其是高深宽比结构的填充，注塑成型通常做的不如热压成型填充率高，对于微结构的填充Z有效的办法是使用变模温注塑技术，即在一个循环周期内将模具温度实现高低温切换，实现填充效果的优化。

图7 常规注塑成型vs变模温注塑成型

图8 含光微纳注塑工艺优化SEM图

4. 吸塑（Thermoforming）

吸塑将聚合物薄膜片材加热变软后，采用真空吸附于模具表面，冷却后成型。该工艺量产性好，但由于对片材厚度要求高，芯片强度受限。

图9 吸塑工艺得到的离心式微流控芯片

5. 高温压制成型或浇铸成型

一种直接使用注塑塑胶粒子，在简易热压装置中，很小压力或不加压，主要利用高温聚合物流动性成型的方法，类似于纳米压印的技术，主要应用到实验室快速原型制造的阶段。

图10 直接利用塑料粒子进行高温压制或浇铸成型

结语：

基于模具的聚合物微加工技术是目前微流控芯片制作的主流，压印尤其是注塑技术适用于批量生产，是Z具有量产前景的技术。

含光微纳具有业界先进的聚合物微流控芯片量产解决方案，含光独有的模具加工工艺结合精密注塑成型生产技术，实现快速、精细、Z小流道低至1μm的聚合物芯片大规模量产，显著降低了芯片的制造费用。

参考文献：

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本期作者

Wendell

北京大学博士，研究方向MEMS微加工，在国际ding级mems、transducers会议上发表多篇文章，欧洲访学归国，专注微成型领域5年以上。

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