（机械制造及其自动化专业论文）塑料微流控芯片微通道热压成形及键合工艺研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 微流控芯片是微全分析系统( m i n i a t u r i z e dt o t a la n a l y s i ss y s t e m , 以a s ) 的主要研 究方向，在生命科学、医学、化学、新药开发、食品和环境卫生监测等领域应用前景广 阔。聚合物材料具有加工简单、低成本、易于实现批量生产等优点，本文研究了塑料微 流控芯片微通道的热压成形和芯片的键合工艺，制作了微流控芯片，实际应用于药物分 离检测。 对微通道热压成形过程中，塑料力学性能对时间、温度的依赖性进行了研究，采用 弹簧、粘壶的组合模型分析了塑料在玻璃化温度附近的粘弹性行为特征。 在分析塑料玻璃化温度附近的流变行为基础上，研究了微通道热压过程中的材料传 热数学模型、应力场分布数学模型。根据应力场分布的数学模型，应力在芯片的分布不 均匀，中央最大，边缘最小。随着热压冷却阶段压力的提高，应力分布的不均匀对降温 脱模后的微通道不一致性的影响将有效地降低。 进行了塑料微流控芯片微通道热压成形工艺试验，研究了温度、压力和时间3 个可 控因素对微通道热压成形质量的影响。提出了试验确定微通道热压成形工艺参数的方 法，并确定了选用材料的热压工艺参数，在该工艺参数下热压获得的芯片微通道复制精 度高，片内不一致性小于5 。该试验方法对不同厂家材料微通道热压成形工艺参数的 确定具指导意义和实际应用价值。 研究了塑料微流控芯片基片和盖片的键合方法，对键合前p m m a 芯片进行了表面 预处理，采用热粘合法实现了p m m a 芯片的键合。键台质量经测最，键合强度不低于 o 1 m p a 。键合后的芯片在2 0 m m o l l 的硼砂缓冲溶液中，微通道的伏安特性的线性段为 2 0 0 0 6 0 0 0 v ，电渗流为2 8 1 0 m 2 v - 1 s 一。芯片用于电泳分离安非他明f i t c 衍生溶 液，峰高r s d 为4 4 惭) ，理论塔板数为1 l a x1 0 4 m 1 。此外，试验了溶剂粘合法进 行塑料微流控芯片的键合，键合强度大于热粘合法。 关键词：微流控芯片；p m m a ；热压成形；键合 塑料微流控芯片微通道热压成形及键合工艺研究 r e s e a r c ho nh o t e m b o s s i n g a n d b o n d i n g f o rf a b r i c a t i o no fp l a s t i c m i c r o f l u i d i cc h i p s a b s 打a c t t h em i c r o f l u i d i cc h i p si st h em a mr e s e a r c ho r i e n t a t i o no fm i n i a t u r i z e dt o t a la n a l y s i s s y a t e m ( 2 a t a s ) i t sw i d e l ya p p l i c a t i o n i nt h ef i e l do fl i f e s c i e n c e s ，i a t r o l o g y , n e wd r u g s e x p l o i t a t i o n , c h e m i s t r y , f o o d s t u f f a n de n v i r o n m e n ti n s p e c t i n ge t c p o l y m e r sr e p r e s e n tc e r t a i n a d v a n t a g e ss u c h a sp r o c e s ss i m p l e ，n o r m a l l yl o wc o s ta n d e s a yt oh i g hv o l u m ep r o d u c t i o n i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，h o te m b o s s i n ga n db o n d i n g t e c h n i q u e sw e r e r e s e a r c h e df o rf a b r i c a t i o n p l a s t i c m i c r o f l u i d i cc h i p s t h ed r u gw a sd e t e c t e do nt h em i c r o f l u i d i cc h i p s p r o d u c e db y t h i sm e t h o d i nh o te m b o s s i n gp o l y m e r sm i c r o c h a r m e l s ，t h em a t e r i a lw a sp r o c e s s e dn e a rt h eg l a s s t r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e t h ev i s o - e l a s t i cb e h a v i o r so fm a t e r i a la r es t u d i e db yp a r a l l e lm o d e l c o m b i n e d 、析血s p r i n ga n dv i s c o u sd a s h p o t s i t sf o u n dt h a tp o l y m e r sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s b e h a v es t r o n g l yi nt i m ea n dt e m p e r a t u r ed e p e n d e n tn l a n n e r a f i e rd i s c u s s i n gf l o wb e h a v i o r so f p o l y m e r sn e a rt h eg l a s st r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo f h e a tt r a n s m i s s i o nt h r o u g ht h e r m a lm e d i u ma n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l o f p r e s s u r e d i s l f i b u t i o nw i t h i np o l y m e rw e r es t u d i e d t h i sf i n d i n gi n d i c a t e st h a tan o n - u n i f o r m p r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni nt h e m d i u sd i r e c t i o np r o d u c e d b ye m b o 硝i n gp r o e e s s l h o w e v e r ，ah i g h e r e m b o s s i n gp r e s s u r ed u r i n gc o o l i n g l e a d st oam o r eu n i f o r ms h r i n k a g ei nt h e e l a s t i c a l l y d e f o r m e d a n dt h u sr e d u c e st h ev a r i a t i o no f m i c r o c h a n n e l e x p e r i m e n to nh o te m b o s s i n gm i c r o c h a n n e l sw a sc a r r i e do u t e m b o s s i n gp a r a m e t e r s t e m p e r a t u r e ，e m b o s s i n g f o r c ea n dt i m e g o v e r n i n gh o te m b o s s i n gw e r ei n v e s 埴g a t e d a n e x p e r i m e n tm e t h o d w a s p u t f o r w a r dt oe s t a b l i s hp m m am i c r o c h a n n e l s h o t e m b o s s i n gp r o c e s s i nt h i sp r o c e s s ，t h er e p l i c a t i o nm t eo fm i c r o c h a n n e l si sh i 幽a n dm i c r o c h a n n e l sw i t h i n5 v a r i a n c ea r eo b t a i n e d t h i sm e t h o dg i v e sg u i d a n c et oe s t a b l i s hh o te m b o s s i n gp r o c e s so f m a t e r i a l sf r o md i f f e r e n ts o u r c e as u b s l a a t ew i t hm i c r o c h a n n e l si sb o n d e dw i t hac o v e rt of o r mc l o s ec h a n n e l s n e p r e t r e a t m e n tp r o c e s so f p m m a s u r f a c eb e f o r eb o n d i n gw a sd i s c u s s e d n em i c r o f u i d i cc h i p s w a sb o n d e db yt h e r m a lb o n d i n gm e t h o d i t sb o n d i n gi n t e n s i t yi sh i g h e rt h a no 1 m p a t h e e l e c t r o - o s m o t i cf l o wi s2 8 x 1 0 - 4 c m z v - 1s 1 a n dv o l t a g e a m p e r ec u r v e so f 珊皿am i c r o c h a n n e l i n2 0 n m o l lb u f f e rs o l u t i o no f b o r a xw e r et e s t e dt o o t h ep e r f o r m a n c eo f t h ep m m a c h i p si s d e m o n s t r a t e dh it h ee l e c t r o p h o r e t i cs e p a r a t i o no fm e t h a m p h e t a m i n ef r o mb y p r o d u c t sw i t ha p r e c i s i o no f 4 4 r s d ( n _ 6 ) a n d a ne f f i c i e n c yo f1 1 4 x 1 0 4 m 一i na d d i t i o n ，a d h e s i v eb o n d i n g 一 大连理工大学硕士学位论文 m e t h o dw a sm c do u tt ob o n dt h ep l a s t i cm i c m f l u i d i cc h i p s a n dt h eb o n d i n g i n t e n s i t yi sh i g h e r t h a nt h a to f t h e r m a l b o n d i n g m e t h o d k e y w o r d s ：m i c r o f l u i d i c c h i p s ；p o l y m e t h y i m e t h a c r y l a t e ；h o te m b o s s i n g ；b o n d i n g 一 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：渔垒量 日期：2 生芝i 一f 一一 本文由国家高技术研究发展计划8 6 3 计划m e m s 重大专项“微流控 芯片通道成形与自动对准装配系统( n o 2 0 0 2 a a 4 0 4 4 6 0 ) ”资助完成， 特此感谢! 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 微流控芯片定义、分类及发展概况 1 1 ，1 微流控芯片定义、分类 微全分析系统( m i n i a t u r i z e dt o t a la n a l y s i ss y s t e m ，u t a s ) 能最大限度地把化学分 析实验室的功能转移、集成到几个平方厘米的芯片上，因而也被称为“芯片实验室” ( l a bo nac h i p ，l o c ) 。微流控芯片亦称微流控分析芯片( m i c r o f l u i d i ca r i a l v s i s c h i p s ) ，它以分析化学为基础，微电子加工技术为依托，以微通道网络为结构特征， 以生命科学为主要应用对象，集进样、分离、检测等功能于一体的快速、高效、低耗的 分析装置【1 】，是微全分析系统的主要组成部分，它集中体现了将分析实验室的功能转移 到芯片上的思想。微流控芯片具有体积小、成本低、便于携带、环境污染小、分析过程 自动化、分析速度快、所需样品和试剂少等优点。该芯片的研究和广泛应用，将会给生 命科学、医学、新药开发、化学、食品和环境卫生监测等领域带来一场新的革命，现已 成为微全分析领域的重点及前沿嘲。 图1 1 微分析系统及微流控芯片的分类 f i g 1 1m i c r o a n a l y t i c a ls y s t e m sa n dm i c r o f l u i d i cc h i p s 由于微流控分析领域正处于迅猛发展期，目前尚无公认的分类系统，图1 1 为当前 微分析系统及微流控芯片的分类。微全分析系统可分为芯片式和非芯片式两类，芯片式 塑料微流控芯片微通道热压成形及键合工艺研究 微全分析系统即微流控芯片是目前发展的重点，根据材料的不同可分为硅芯片、玻璃芯 片、石英芯片和高聚物芯片。根据功能不同可初步分为细胞分析芯片、化学合成芯片和 多功能集成化芯片。 1 1 2 微流控芯片发展概况 微流控芯片的出现在现代分析科学与分析仪器的发展中有其历史的必然性。回顾历 史看到分析系统的自动化、微型化趋势早在2 0 世纪5 0 年代后期、6 0 年代初期即已出 现，其发展动力主要来源于环境及材料科学的发展中对更多、更准、更快地获取物质成 分信息的需要【4 。s k e g g s 5 】创始的间隔式连续流动分析( s c f a ) ，把化学分析转移到有 液体连续流动的管道中，突破了分析化学传统操作中以玻璃器皿和量具为主要工具的操 作模式，实现了进样和化学反应的初步集成。 虽然s c f a 在溶液分析自动化方面取得了成功，使驱动手段有了发展，但在试剂消 耗、分析速度、微型化方面无显著提高。r u z i c k a 与h a u s e n 于1 9 7 5 年提出了流动注射 分析( h a ) ，他们继承和发展了s c f a 的思想，提出了在非平衡( 不完全混合，不完 全反应) 条件下实现高重现性定量分析的技术条件。这一思想的提出大大地提高了分析 速度，同时也促进了分析系统的微型化。而m a n z 与w i d e r 在分析系统的微型化方面做 出了极富成效的工作，m a n z 把微电子领域的m e m s 作为技术依托，成功地将h a 转移 到玻璃或石英芯片上【6 j 】。此后，微全分析系统开始走向成熟，其发展重点定位在将电 渗驱动的毛细管电泳应用到玻璃或石英芯片上，使微流控芯片的商业开发进入实质性阶 段。 迄今为止，微流控芯片的应用领域主要有：化学，如金属离子、氨基酸、蛋白质、 d n a 等分离检测；生物学，如寡核苷酸分离、蛋白质分子量的测定、p c r 扩增及d n a 分析、d n a 测序、基因突变点检测等：医学，如免疫抗体抗体分析、疾病诊断、生物 细胞的反应及分离等；药物，如药物筛选、药物成分分离、药物中手性物质拆分、中药 指纹图谱研究等。 微流控芯片不仅应用于生物化学、生物医学领域，还逐渐渗透到临床、医药、食品 和环境卫生监测等领域。微流控芯片可望取代常规实验室的功能，通过分析过程的集成 化和微型化，最终实现微流控芯片的“个人化”和“家用化”。因此，其研究应用的实 用化只是个时间问题。微流控芯片从问世至今经历了1 0 年的时间，目前已有商业化的 玻璃芯片出现，而且其产业化的进程将显著加速。 随着微流控芯片的研制和开发，国外很多芯片开发单位纷纷与世界知名分析仪器生 产厂家合作，抢先推出自己的产品，1 9 9 9 年c a l i p e r 公司研制的用于测定d n a 的集成 2 大连理工大学硕士学位论文 毛细管电泳芯片b i o a n a l y z e r2 1 0 0 已由a g i l e n t 公司推向了市场；另外，在这方面的专 利之战也愈演愈烈。可以预见在今后数年，国外的i c e 芯片将会飞速发展，并将很快进 入产业化时期。 国外一些知名大学和研究机构开展了集成电泳芯片的研究和开发工作。如哈佛大 学、麻省理工学院、宾夕法尼亚大学、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、马里兰大 学、路易斯安娜州立大学、密歇根州立大学、伦敦帝国理工大学、加拿大阿尔伯达大 学、美国劳伦斯( 1 a w r e n c e i v e n l o r e ) 国家实验室、橡树岭( o a kr i d g e ) 国家实验室，及 c i b a g e i g y 、c a l i p e rt e c h n o l o g i e s 、a c l a r a b i o s c i e n c e s 、p e r k i n - e l m e r 、o r c h i d b i o c o m p u t e r 、n a n o g e n 公司等。其他一些国家，如日本、韩国、澳大利亚、德国等大学 和研究机构也开展了该领域的研究工作。 国内对于微流控芯片的研究尚处于实验室阶段，开展这方面的研究也只局限于一些 高等院校和中科院系统研究院所。目前在微流控芯片方面的研究已经全面展开，未来几 年内将会取得长足进展。浙江大学和清华大学先后研究成功了玻璃微流控芯片的制作； 中科院电子学研究所也研制出玻璃玻璃、硅玻璃、玻璃- p d m s 等三种材料和结构的微 流控芯片；中国科学院大连化学物理所开发成功了p m m a 微流控芯片，申请了一种新 结构的微流控芯片专利；大连理工大学研制出了塑料微流控芯片，同时也在试做玻璃、 硅玻璃芯片，并与其他科研机构合作研究，已取得了初步成果。 虽然就总体情况而言，我国在此领域的研究与国外相比有很大差距。但也应看到， 微流控芯片在更理想的芯片材料的选取及其制作工艺、微通道的网络结构和沟道尺寸的 优化设计、功能单元的集成、扩大芯片的通量、相应的高灵敏度检测器制作、相应的理 论方面的研究等诸多方面，还有很多问题没能得到很好的解决，这些都给我们在这一领 域里的创新研究留下了很大的空间。我国应抓住机会，充分利用我国人才方面的优势， 加大经费投入，组织力量开展联合攻关，争取尽快在该领域的研究与应用取得一些重要 突破，从而在国际上占有重要的一席之地。 1 2 微流控芯片加工技术现状 1 2 1 微流控芯片的结构布局 微流控芯片基本结构比较简单，在数平方厘米的基片上加工出微通道，然后将相同 材料盖片与基片键合，形成封闭的微流体通道。根据芯片上的通道的阵列数，可将电泳 芯片分为两类：一类是单通道芯片，如图1 2 所示；另一类是多通道芯片，也称毛细管 阵列式芯片。 3 塑料微流控芯片微通道热压成形及键合工艺研究 图1 2 十字型通道微流控芯片示意图 r i g 1 2t h e s k e t c ho f c r o s s i n gm i c r o f l u i d i c c h i p 单通道芯片一般具有四个储液池，如图1 2 所示，包括一个缓冲液池、一个样品池 和两个废液池，以及连接各池的微通道。多通道的电泳芯片是指在一片芯片上集成两个 或两个以上的通道，这样可并行处理样品，提高芯片的通量，这种芯片逐渐成为微流控 芯片的一种新发展趋势。 w o o l l e y 等9 】于1 9 9 7 年提出了种具有1 2 个通道的微流控芯片，如图1 3 ，通道分 布在5 0 m m 7 5 r a m 的玻璃片上，进样通道长8 r a m , 分离通道长6 0 m m ，通道彼此间距 9 0 9 m ，该芯片能在1 6 0 s 内分析1 2 种不同的样品。 图1 3 种1 2 通道d n a 芯片结构图 f i g 1 3d n ac h l p w i t h1 2m i c r o c h a n n e l s 图1 4 一种5 通道塑料微流控芯片结构图 f i g 1 4p l a s t i cm i c r o f l u i d i cc h i p w i t h5c h a n n e l s 中国科学院大连化学物理研究所的周小棉等p 在2 0 0 2 年提出了一种5 通道微流控 芯片( 图1 3 ) ，十字型微通道一正一反相间排布，通道分布在宽度4 0 6 d r a m 、长度7 0 4 一 大连理工大学硕士学位论文 9 0 m m 的塑料芯片上，微通道宽度5 0 1 0 0 9 i n 。该芯片结构紧凑，且使用了聚合物板 材，大幅度降低了芯片的制造成本。 微流控芯片除了向阵列式发展外，芯片还将朝着集成化方向迈进，就是将实验分 析过程中的驱动、控制、检测等功能单元集成到芯片上。可以预见，随着相关技术的不 断进步，芯片的阵列数和集成度将不断提高，微通道网络形状和通道尺寸，将根据应用 对象和目的的不同而有所变化，芯片的功能将更加完善，一块芯片将具有柱前反应、柱 后反应和p c r 扩增等功能。 1 2 2 微流控芯片材质及特点 到目前为止，用于制作微漉控芯片的材质有晶体硅、玻璃、塑料、陶瓷、硅橡胶五 种。塑料作为微流控芯片的基材，已经吸引了众多研究者的注意，其中以聚碳酸酯 ( p c ) 和有机玻璃( p m m a ) 最为常见。塑料具有价格便宜、制作工艺相对简单、加 工的可重复性较好等优点，因此塑料材质有很好的发展前景。但是，它也有难以克服的 缺点：高温和高p h 值条件下，稳定性下降，散热性不如硅和玻璃，不耐有机溶剂等。 1 2 2 1 硅材料 硅和二氧化硅具有良好的惰性和热稳定性，单晶硅生产工艺成熟，在半导体和集成 电路上得到广泛应用。在微电子发展的过程中，硅的微细加工技术已趋成熟。在硅片上 可使用光刻技术高精度地复制二维图形，并可使用已成熟的集成电路制备工艺进行加工 和批量生产。即使复杂的三维结构，也可以用整体和表面微加工技术获得。因此，它是 微流控芯片发展之初的首选材质。 硅材料的缺点是易碎、价格贵、不透光、电绝缘性能不够好、表面化学行为复杂 等。这些缺点限制了它在微流控芯片中的广泛应用。然而，硅具有良好的表面光洁度， 而且加工工艺成熟，因此常用于加工微泵、微阀等流体驱动和控制元器件。此外，在采 用热压法、模塑法进行微纳米光刻常用的模具材料。 1 2 , 2 2 玻璃和石英 玻璃和石英具有良好的电渗性质和优良的光学性能，而且它们的表面性质，如湿润 能力、表面吸附和表面反应性等，都有利于采用不同的化学方法对其表面进行改性。采 用光刻和刻蚀技术可以在玻璃和石英表面获得二维图形和三维结构，例如可在表面直接 刻蚀微通道，用于制作微流控芯片，在采用热压法、模塑法制作微纳米结构时，常用来 制作成形用的模具。 5 一 塑料微流控芯片微通道热压成形及键台工艺研究 玻璃和石英的缺点是价格贵、制作成本高、难以得到大的深宽比，特别是它们的键 合，无论采用静电键合还是热融合的方式，对条件的要求较为苛刻，而且制作周期很 长，虽然以广泛用于制作微流控芯片，但是这些不利因素势必影响其商业化的进程。 1 2 2 3 高分子聚合物 高分子材料具有种类多、可供选择的余地大、加工成形方便、价格便宜等优点，非 常适合大批量制作一次性微流控芯片。用于制作微流控芯片的高分子聚合物主要有热塑 性聚合物、热固性聚合物、弹性体聚合物三大类。热塑性聚合物由链形高分子组成，在 玻璃化温度以上，呈现良好的塑性，当温度降至玻璃化温度以下，材料能恢复原有的硬 度，热塑性材料在熔融状态下的稳定性使得成形操作能在很广的范围内变化，这类材料 到目前为止应用最为广泛，表1 1 列举了部分热塑性塑料及其物理性能。热固性聚合物 内部分子链结合牢固，因此不像热塑性聚合物那样柔软，这种材料质地硬而脆，只能采 用浇注的办法进行最终的成形加工。弹性体材料内部分子结构是线性的，具有很强的可 塑陛和高的弹性，但在常温下没有足够的硬度，使用受到很大的限制。 表1 1 常用热塑性塑料的物理性能一览 槲貅。器，玻专学裟，篇学 p c1 21 5 0o 2 16 5 p m m a1 1 7 - 1 1 91 0 50 1 8 67 0 一9 0 p e l d o 9 2 1 00 3 4 9 1 4 0 p e h i ) o 9 5 404652 0 0 p p0 8 9 6 0 9 1 50 1 00 ，2 21 0 0 2 0 0 p s1 0 58 0 一1 0 00 1 87 0 塑料具有价格便宜、制作工艺相对简单、加工的可重复性较好，生物相容性好等优 点，它的缺点就是不耐高温、导热系数低、不耐有机溶剂等。但是，如果在具体使用过 程中，认真考虑微流控芯片的使用环境并加以有效地控制，上述缺点完全能够弥补的。 因此，塑料成为现今最具前景的微流控芯片材料。 1 2 3 微通道热压研究现状 微流控芯片的加工技术起源于微电子工业半导体及集成电路芯片的微细加工技术， 但它又不同于以硅材料二维和浅深度加工为主的集成电路芯片加工技术。微管道的加工 深度比集成电路芯片大得多，加工精度要求则相对较低。微流控芯片发展至今，其材料 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 已从硅片发展到玻璃、石英、塑料等。因此，塑料芯片的加工技术得以发展，在传统的 光刻和刻蚀技术的基础上发展了软光刻f t o q s 、激光烧蚀法0 6 , 1 _ 7 】、热压法 1 8 , 19 、注塑法口o 】 和l i g a 技术口”等新方法。 微系统技术的商业化需要适于大批量生产的微细加工技术提供技术支撑，一方面为 满足生物化学领域对一次性器件的大量需求，另一方面是开展塑料微透镜商业开发的需 要。近年来，基于微纳米结构的塑料加工技术开展了广泛地研究，已经应用于生物、化 学等分析器件的制作中。上文提到的几种新方法中，能用于大批量生产芯片的塑料加工 技术有三种，它们是热压法、注塑法和模塑法。表1 2 对以上三种加工技术从多方面进 行了比较田 。从中可以发现，模塑法只能用于人造橡胶、环氧类树脂等弹性材料的加工 成形，热压法相对于注塑法在塑料成形加工中具有以下优点 2 3 , 2 4 ：较低的材料流动、材 料内应力小、设备相对简单、对模具的机械损伤小、工艺简单等。热压法的这些优点使 得它在微流控分析装置的微通道结构成形中应用最为广泛。 表1 2 几种加工成形技术比较一览 1 2 3 1 微通道的热压理论研究现状 热压工艺在生产实践中已应用多年，传统热压工艺的主要缺陷在于对热压过程中所 发生的复杂变化的内在关系缺乏清楚认识和定量描述，忽略了热压过程中被压材料本身 物理力学行为的变迁，对热压工艺过程描述模糊，只是笼统地指出“热压过程是一个复 杂的物理、力学和化学变化过程”。这种缺陷在生产实际中表现为工艺参数制定和执行 的盲目性和笼统性，以产品质量作为标底，被动达标，而不可能主动对产品的物理力学 性能进行有效的目标控制，远没有达到优化工艺过程的目标。 7 一 塑料微流控芯片微通道热压成形及键合工艺研究 从以往的文献不难发现，塑料微流 控芯片微通道的热压成形都是在其玻璃 化温度附近。玻璃化温度之上的材料流 变行为已得到广泛研究。例如注塑、挤 出工艺，聚合物的流动行为通常可用牛 顿流体模型加以描述，如p o w e r - l a w 模 型、e l l i s 模型、c a r r e a u 模型等。或者采 图1 5 热压结构类型 n 2 1 5t y p e so fh o te m b o s s i n 2 用枯弹性模型，如m a x w e l l 模型、g i e s e k u s 模型、k - b k z 公式等对流体行为进行描 述。温度低于玻璃化温度时，可用“粘壶”和“弹簧”的组合模型描述材料的应力应 变行为，如v o i g t - k e l v i n 并联模型。尽管很多研究试图分析无定形聚合物玻璃化温度附 近的变形行为，但是很少有文献考虑了玻璃化温度附近，这些聚合物圃液并存的流动特 性。 绝大多数普通结构都可以划分为阳型和阴型，这取决于热压过程中被复制材料占总 材料量的多少，两种热压结构类型如图1 5 。阴型结构热压理论在热压理论方面，较多 的是针对微纳米光刻( h e lo rn i l ) 工艺的。h e y d e r m a n 等伫6 1 在2 0 0 0 年研究了热压光 刻中聚合物薄膜的流动行为( 如图1 6 ) ，观察到p m m a 边界的流动和聚合物隆起结构 的形成，建立了计算熟压时间的简单数学模型。实践证明，阳型结构的热压成形困难得 多口”，但阳型结构热压理论的研究少有报道，仍是一个需要深入研究的问题。 图1 6 材料流动示意图及其观测照片 f i g 1 6s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o nf o rf l o wo f p o l y m e ra n di t s a f m i m a g e so fd i f f e r e n ts t a g e s 一8 大连理工大学硕士学位论文 1 2 32 微通道的热压工艺研究现状 塑料微结构的热压工艺从2 0 世纪9 0 年代中后期起步发展至今有了很大的进展，热 压工艺的主要的应用领域有：微流控芯片制作，如芯片微通道的热压；热压光刻 ( h e l ) 或者纳米光刻( n i l ) ，如纳米尺度的点和线的精密复制；光学器件的制作， 如塑料微透镜、光纤及其连接器。 热压成形技术的十分广阔应用前景，促使国外开发单位纷纷参与到其中，推出自己 的热压设备和产品。如奥地利e v g 公司、德国的卡尔斯鲁厄研究中心、德国乌波塔尔 大学、路易斯安那州立大学、美国俄亥俄州立大学、美国加州大学伯克利分校、瑞士 p a u ls c h e r r e r 研究所、韩国浦杭科技大学、新加坡南洋理工大学、新加坡制造技术研究 所等都进行了该领域的研究。 国内在微流控芯片微通道热压成形方面起步较晚，但发展迅速。清华大学、浙江大 学、复旦大学、中科院大连化学物理所和东北大学先后开展了塑料微流控芯片的研制工 作。大连理工大学在国家“8 6 3 ”计划的资助下，开展了热压成形设备和工艺的研究， 研制出了塑料微流控芯片。 图1 7 往复循环和连续循环热压成形示意图 f i g 1 7s c h e m a t i co f h o te m b o s s i n g i nc y c l i ca n dc o n t i n u o u sp r o c e s s 9 塑料微流控芯片微通道热压成形及键合工艺研究 塑料热压成形的工作方式有往复循环方式和连续循环方式，图1 7 是这两种方式下 热压的示意图。连续循环热压方式亦称热轧( h o tr o l l i n g ) ，在钢铁冶金行业应用相当成 熟，具有很高的生产效率，但在微流控分析器件的制作中应用较少，目前见诸报道的只 有加州大学欧文分校( u n i v e r s i t yo f c a l i f o r n i a ，i r v i n e ) 的m a r kb a c h m a n 采用这种方式制 作了d n a 微探针阵列田 。往复循环熟压方式则经常用于微流控分析微结构、微光学元 器件、纳米光刻等领域。 塑料微流控微通道的热压制作经历了两个发展过程。第一阶段使用小童径金属线在 塑料表面压制简单的直通道，在这方面做出贡献的有美国国家标准与技术研究院，该研 究院的l e r i s a 2 8 i 采用1 3 p r o 和2 5 1 m a 的镍铬合金丝，分别在p m m a 基片和盖片上热压出 分离进样通道，研究了热压温度对成形通道的影响，在1 0 5 ( 7 ( p m m a 玻璃化温度) 获 得了较好的效果。继l a r i s a 之后，国内复旦大学的水雯箐删采用5 0 p r o 钼丝对几种不同 来源的p m m a 材料进行了微通道热压研究，考察了热压压力对通道成形深度的影响， 发现存在内应力的材料使用过程中易发生开裂和出现银纹。 到2 0 世纪9 0 年代中后期，随着模具制作技术的不断进步，已经能够在硅、玻璃、 金属等模具基体材料表面加工出复杂的三维图形，作为热压成形用的模具。模具技术的 进步使热压成形工艺及其原理得到空前发展，热压成形技术不再局限于微流控分析器件 的成形研究，研究人员开始将目光转向光学元器件( 如波导管、微透镜) 的成形以及纳 米光刻技术( n a n oi m p r i n t i n gl i t h o g r a p h y ，n i l ) 的研究。 图1 8 热压成形用模具及透镜照片 f i g 1 8m o l do f h o te m b o s s i n ga n dl e n s e 德国卡尔斯鲁厄研究中心的h e c k e l e 使用湿法刻蚀的硅模具对微透镜的成形工艺进 行了研究o ，认为热压过程中的升降温速率、成形时间和压力，对微透镜密度分布、内 一1 0 大连理工大学硕士学位论文 应力的产生有影响，而透镜密度分布的不均匀及其内应力是透镜光学质量低下的主要原 因。通过对工艺参数的准确控制能达到防止密度分布不均匀，消除内应力的目的，图 1 8 为实验使用的模具以及热压获得的p m m a 透镜。 图1 9 热压温度过高时的微透镜及其轮廓放大图 f i g 1 9t h ep r o f i l eo fm i c r o l e n s ea r r a ya th i g h e rt e m p e r a t u r e 新加坡南洋理工大学机械与制造工程学院的n s o n g 等【3 0 】以p c 为材料，使用带有 直径6 5 ，2p m 、高4 6 岬空腔阵列的硅模具对微透镜热压工艺进行了研究，并讨论了温 度、压力两个工艺参数对微透镜热压质量的影响。研究发现要获得良好表面加工质量， 应该在塑料粘度和热压及脱模温差之间寻找某种平衡。虽然热压温度较高时材料的流动 性加剧，但是与冷却脱模形成很大的温差，会导致透镜表面粗糙，而且温度过高将破坏 透镜的轮廓，其轮廓如上图1 9 。 美国加州大学伯克利分校机械工程学院的p a nl i - w e i 对微观情况下聚合物的热压成 形尺寸与工艺参数关系进行了研究口l 】。该中心利用热压法研究了聚碳酸酯塑料 ( p o l y c a r b o n a t ep c ) 制作微透镜过程中，温度、压力和时间三个工艺参数对微透镜顶端 曲率半径和微透镜高度成形的影响及关系。 美国俄亥俄州大学材料科学与工程系研究人员对微结构热压成形尺寸及内应力与工 艺参数关系进行了研究吲。他们使用硅模具和金属镍模具( 如图1 1 0 所示) 在热压成 形机上，以p c 、o q p c 、p m m a 和p s 等基材制作了芯片。图1 i1 为利用该热压机热 压p c 基板，在不同工艺参数( 温度、压力和时间) 条件下，通道成形尺寸与模具尺寸 的关系图。模具通道设计尺寸为8 0 0 9 m ，在热压压力为2 3 p s i ( 1 6 1 b a r = 0 1 6 1 m p a ) 条件 下，左图为在1 5 5 时，通道成形尺寸仅为设计尺寸的一半即4 0 0 1 u n ；右图为在1 6 5 。c 塑料微流控芯片微通道热压成形及键合工艺研究 时，基板的通道成形尺寸与设计尺寸基本达到一致，这说明温度对于通道成形尺寸有重 要的作用。 图1 1 0 深度离子制作的硅模具( 左) 和电铸法制作的镍模具( 右) f i 昏1 1 0d r i e - m a d e s i l i c o nm o l d ( 1 e f t ) a n dn i c k e lm o l df r o me l e c t r o p l a t i n g ( r i g h t ) 图1 1 2 所示为在不同温度、压力和时间的工艺参数条件下，通道成形后，显示材 料内应力的双折射各向异性( b i r e f i i n g e n c e ) 图案，其图案的强弱反映芯片内应力大 小。从图中可看出，在低温、高压情况下热压出的芯片有很强的双折射各向异性图案， 如图( 左) 。随着热压压力减小、温度升高，双折射各向异性图案减弱，如图( 中) 、 图( 右) 。因此，随着温度的升高，热压时间的增加，有助于减小芯片热压后的内应 力。 l 档 | l 曲 1 2 0 1 0 0 扣赫 秘 排 拇 0 一t 轴袖一t 舾b 畸 t m l e 扫曲 ( a ) 1 5 5 l 钟 l 甜 1 4 0 1 2 0 p l 。o ； 轴 4 0 o t i m e ( s e e ) ( b ) 1 6 5 图i 1 1 温度与通道成形过程变化曲线 f i g 1 1 1d i s p l a c e m e n ta n dt e m p e r a t u r ep r o f i l e sd u r i n ge m b o s s i n gp r o c e s s 1 2 _譬董棼；挂j=虽一 瓣辫储蛳狮嘶瓣黼擀。 掌萎llii|喜#一 啪错渤瑚湘锵粥糯辨。 大连理工大学硕士学位论文 德国j e n o p t i km i k r o t e c h n i k 的b e c k e r t 3 3 i 等人探究了使用热压法制作微全分析系统和 高深宽比结构的工艺稳定性，以下总结了他们推荐的工艺参数。热循环( 指热压成形温 度与脱模温度之间的跨度) 应控制在2 5 c 至4 0 c 之间，以避免产生热应力。热压压力 大约在0 5 至2 k n c m 2 。如果所热压成形的结构有垂直的侧壁或具有大的深宽比，必须 采用自动脱模。对于制作高深宽的结构，模具的侧壁表面应保持足够的光滑，这样可减 小模具与聚合物基体之间的摩擦力。深宽比大于0 5 的结构，模具粗糙度8 0 n m ( r v ) 是底线。如果结构不上垂直的，而是有一点倾斜角，底线还可以适当放宽。此外，模具 和材料的热膨胀系数须加以考虑，因为模具和材料收缩率的不同会在两者接触面间产生 附加力。制作生物化学或生物医学器件时，不要施加脱模剂或增塑剂，可能会污染样 品，或是增强荧光背景。 圈1 1 2 不同工艺条件下芯片的双折射各向异性图案 f i g 1 1 2b i r e f r i n g e n e ep a t t e r no f m o l d e dp a n sa td i f f e r e n tp r o c e s s i n gc o n d i t i o n s 在微米结构热压成形的研究基础上，研究人员已开始将目光转向纳米结构器件的制 作。j a s z e w s k i 和s c h i f t 等人采用被称之为热压光刻( 印扎) 技术制作纳米尺度的点和 线，成功复制了5 0 n m 大小的结构。为保证聚合物能完全填入孔中，高的熟压温度( 对 于p m m a ，温度在1 3 0 1 9 0 ) 和真空环境是必须的。此外，模具表面和沉积了一层超 薄的特氟隆( t e f l o n ) ，以减小摩擦力和避免吸附尘埃颗粒。 德国乌波塔尔大学微结构工程中心的n i l sr o o s 等人对微结构热压成形质量与工艺 参数的关系进行了研究 3 4 1 。图1 1 3 为研究热压工艺参数对基片各部位结构的热压效 果，而设计的微结构模版图( 一部分) 。上卡盘安装待热压的p m m a 基板，下卡盘安 装模版。为了研究工艺参数对微结构成形质量的影响，研究人员用同一个模具在不同工 艺参数条件下对p m m a ( m r - 1 8 0 3 0 ，玻璃化温度t 。为11 5 ) 进行热压。对5 种典型 的工艺参数条件下压制出的芯片微结构的显微镜照片进行了比较。分析各图的成形质量 一1 3 塑料微流控芯片微通道热压成形及键合工艺研究 可看出随着温度的升高，或延长热压时间对成形质量有很大影响。但压力的大小变化则 对成形质量影响不显著。 ：登拦自 蝎i i i l l il j