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硕士论文微流体系统中的玻璃微管道工艺及其流动特性研究 摘要 一直以来，微流动本身的复杂性以及流动监测手段的局限性制约着微流体系 统理论及技术的发展。笔者通过标准化的工艺手段制备参数统一的玻璃毛细微管 道，并对管道壁面极性进行化学改性处理，降低了流动影响因素的复杂程度，并 最终探讨了在m m 级流道内的微水流流动的部分特性。毛细微管道的几何标定以及 瞬态流速的实时测量均有赖于一套显微图像系统的实现，笔者同时探讨了实现下 述目标的一些简易手段，即在微管道几何标定过程中通过光路分析及其它方法确 立物空间与像空间的精确对应，在微水流流动过程中通过特殊介质标记实时监测 流速与流量等。 关键词：微流体系统，毛细玻璃微管道，疏水硅烷化，微流边界层，流动特性。 硕士论文微流体系统中的玻璃微管道工艺及其流动特性研究 a b s t r a c t t h ec o m p l e x i t yo fm i c r o f l u i di t s e l fa n d t h e1 0 c a l i z a t i o no f t h e o b s e r v a t i o nm e a s u r e sa r en o wb o t t l e n e c k i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h et h e o r y a n dt e c h n o l o g yo fm i c r o f l u i d i cs y s t e m b yt h es t a n d a r dt e c h n i c sw ec a n m a k e g l a s sc a p i l l a r y w h i c h p a r a m e t e r s a r e u n i f o r m ，t h e nc h a n g e t h e p o l a r i t yo ft h ec a p i l l a r yw a l l ，a tl a s tw em a yr e d u c et h ec o m p l e x i t yo f t h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ef l o w i n gp r o c e s s ，a tl a s tih a v ed i s c u s s e ds o m e c h a r a c t e r si nm i c r ow a t e rc u r r e n t i nm yd i s s e r t a t i o nia l s od i s c u s st h e g e o m e t r ym e n s u r a t i o no ft h eg l a s sc a p i l l a r ya n dt h er e a lt i m em e a s u r e m e n t o ft h e f l o w i n gc o n d i t i o n b ys o m es i m p l em e a s u r e s ih a v er e a l i z e dt h e t a r g e t sb e l o w i n g ：e s t a b l i s h i n g t h e p r e c i s i o nc o r r e s p o n d i n g r e l a t i o n b e t w e e nt h eo b j e c ts p a c ea n dt h ei m a g es p a c eb ya n a l y s i s i n gt h eo p t i c s p r i n c i p l e s ：o b s e r v a t i n gt h ef l o w i n gp r o c e s sa t r e a lt i m eb yu s i n gs o m e s p e c i a lm e d i u m st os i g nt h ef l u i d k e y w o r d s ：m i c r o f l u i d i c s y s t e m ，g l a s sc a p i l l a r y ，s i l a n eh y d r o p h o b i c d i s p o s a l ，m i c r o f l u i d i cb o u n d a r yl a y e r ，f l o wc h a r a c t e r i s t i c s 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名。喜色罐z 衫侔7 月一- 目 j 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名，墨婴叠b ，“年7 月，日 硕士论文微流体系统中的玻璃微管道工艺及其流动特性研究 注释表 e 。粘度活化能焦耳摩尔 应变率 h 微流边界层水流的厚度、水力半径 i 电离能 l 流体运动尺度 l 流体分子平均自由程 n 固体表面对水分子的吸引势能指数，o n 6 ，一般情况下n = 2 3 r e 雷诺数 v 分子间作用力 k 取向力 k 诱导力 色散力 + e n 线膨胀系数、分子极化率 b 平均体积膨胀系数 口分子间的偶极矩、牛顿流体的黏度( 或黏性系数) t o 自由水的黏度 6 单位张量 阻力系数 n 玻璃熔体的粘度帕秒( p a s ) “切向阻滞力 f 。剪切应力 与固体表面性质及水分子性质有关的系数 v 硕士论文微流体系统中的玻璃微管道工艺及其流动特性研究 1 绪言 1 1 微流体系统简介 现代科学发展史充分表明，科学的发展正逐渐形成在高度分化的基础上走向 高度组合的大趋势，并沿着边缘性、交叉性和横断性的方向继续向前飞速发展。 作为- 1 7 新兴的前沿交叉学科，微流体系统的研究领域广泛涉及到介观物理学、 基因生物学、微机械学、微电子学、流体力学、分析化学、材料学、传熟学以及 光电学等诸多学科，其飞速发展深合现代科学发展的宏观趋势，其应用前景亦已 在极为广阔的科学领域内初见端倪。 微流体系统是微机电系统( m e m s ) 技术的关键领域之一，同时又是微流控分析 技术的核心组成，但目前为止对其尚无统一的定义，与之相近的有微全分析系统、 微流动系统、微流控芯片、微流体机械以及集成微管道等诸多称谓。 了解微流体系统的发展起源及概况，首先需要了解与之密切相关的微机电系 统( m e m s ) 技术以及微流控分析( 一t a s ) 技术领域内的基本内容。 1 1 1 微机电系统技术 1 9 5 9 年1 2 月，美国物理学家、诺贝尔奖获得者r i c h a r d f e y n m a n 提出微型 机械的构想。1 9 6 2 年，以硅膜、压敏电阻和体硅腐蚀工艺为技术基础的硅微压 力传感器问世。其后，基于硅加工方法的、特征尺寸为5 0 u m x 5 0 m 的齿轮、齿 轮泵、气动轮及连接件等微型机构渐次出现。“1 1 9 8 7 年，美国加州大学b e r k e l e y 分校研制出转子直径为6 0 口m 】2 0 z m 的硅 微静电电机，其主要技术基础是牺牲层腐蚀工艺和静电驱动。同年1 0 月9 曰， t h ei e e er o b o t i c sa n da u t o m a t i o ns o c i e t y ( 机器人及自动化委员会) 组织讨论 会，来自m z t 、b e r k e t e y 、s t a n f o r d 、a t t 和n s f 的1 5 名科学家提出了国家计 划建议书，美国n s f 启动了第一个m e m s 计划，d a r p a ( t h eu sd e f e n s ea d v a n c e r e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ，美国国防部先进研究计划署) 开始每年大力资助其 发展。日本通产省自1 9 9 1 年起亦已开始实施为期1 0 年、总投资2 5 0 亿日元的“微 型机械技术”的大型研究开发计划。 1 朝 虽然第一个硅平面工艺专利发表于1 9 5 2 年，但直到2 0 世纪9 0 年代初，基 于硅平面加工工艺生产的带有信号处理电路的微型加速度计才正式出现，其主要 设计基础是梳状结构和微电容检测电路，实现了微小机械结构与微电路的一体化 硕士论文微流体系统中的玻璃微管道工艺及其流动特性研究 集成。 近年来，国际微机电系统学术会议除m e m s 和t r a n s d u c e r s 会议外，又出现 了一些专门的会议如：汽车微系统、生物芯片技术、微化学分析系统、微机器人 和微小卫星等。关于m e m s 发展应用和产业化预测的文章和报告逐渐增加，出现 了世界性和地区性( 如欧洲) 的产业化讨论会议，目的一般在于研究m e m s 的进展、 促进其产业化和研究微小化技术的经营策略。 目前国际上对于微机电系统尚无严格的统一定义，各国对m e m s 的不同定义强 调了不同的方面，在一定程度上反映了其研究的侧重范畴。 日本1 9 8 8 年使用“微型机械”( m i c r o m a c h i n e ) 一词，1 9 8 9 年日本通产省将它 作为国家大型计划的名称。微型机械的定义侧重于在l m m 3 的体积内制造复杂 的机器。一些日本学者曾大致这样划分：l m m 1 0 m m 为小型机械；1 t m l m m 为微型机械；借助于生物工程和分子组装l n m l p m 的为纳米机械或分子机械。 微机电系统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 一词为美国所惯用， 侧重于以集成电路( i n t e g r a t e dc i r c u i t ，i c ) 可兼容技术加工元器件，将微电子 和微机械进行集成。一般指可以批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执 行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通讯及电源等于一体的微型器件或系 统。 欧洲则将微系统( m i c r o s y s t e m s ，m s t ) 定义为一种智能化的微小系统，具有 传感、信号处理和或致动功能，通常组合了两个或多个电、机、光、磁、化学、 生物或其它特性的微型元器件，集成为一个或多个混合芯片，强调微系统技术的 系统方面和多学科性质。例如微全分析系统被称之为一t a s ( m i c r ot o t a l a n a l y s i ss y s t e m s ) 。 国际电技术委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 的定义 则强调了上述定义的共性：“微系统是微米量级内的设计和制造技术，它集成了 多种元件，并适于以低成本大批量生产。”更有学者将m e m s 、m s t 及m i c r o m a c h i n e 技术通称为m 3 技术。口4 1 微机电系统作为一个广义的、涵盖相当广阔的概念，更应当强调其作为微系 统技术发展的综合平台，至少包括了f - m e m s 和m e m s d 这两类名称，前者用以表 示各种领域的m e m s 技术，如：b i o m e m s 、o p t o m e m s 、c h e m i c m e m s 、p o w e r m e m s 、 i t m e m s 等，后者则用以表示m e m s 器件，如：m e m s r f 、m e m 8 一s w i t c h 等。 1 i 2 微流控分析技术 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 s ，“一t a s ) 或称芯片 实验室( l a b o r a t o r y o n a c h i p ，l o c ) 同样是- - f 跨学科的新领域，其目标在于 2 硕士论文微流体系统中的玻璃微管道工艺及其流动特性研究 于通过分析化学、微机电系统技术( m e m s ) 、计算机、电子学、材料科学及生物学、 医学的交叉应用实现化学分析系统从试样处理到检测的微型化、自动化、集成化 与便携化。四十年前微电子技术在信息科学的发展中引发了一场革命，并对2 0 世纪的科技发展起到了重要的推动作用。邛妇面最近的研究则表明，9 0 年代初期 提出的以微电子加工技术为依托的微全分析系统，预计在未来也将会对分析科学 乃至整个科学技术的发展发挥到类似的作用。3 以微管道网络为主要结构特征的微流控分析( m i e r o f l u i d i ca n a l y s i s ) 技术 是微全分析系统最主要的组成部分，而将化学分析的多种功能实现了片上集成的 微流控芯片( m i c r o f l u i d i cc h i p s ) 则是当前最为活跃的科学前沿，代表着2 1 世 纪分析仪器走向微型化、集成化的发展趋势。 微流控芯片与生物芯片( b i o c h i p s ) 或称微阵列芯片( m i c r o a r r a yc h i p s ) 同 属l o c 系统，但实际上两者涉及的是两个完全不同的学科技术领域，并经历了各 自独立的发展过程。生物芯片的应用对象主要是d n a 分析，早期亦称d n a 芯片， 其发展起源于8 0 年代末期，发展契机主要来自于现代遗传学的一些重要发现， 并直接受益于该领域的某些重要研究成果，如在载体上固定寡核苷酸的基础上以 杂交法测序的技术，在国外已实现了深度产业化。微流控芯片则是9 0 年代初、 中期主要在分析化学领域发展起来的，以分析化学为基础，以微机电系统技术为 依托，以微管道网络为结构特征，以生命科学为目前主要应用对象，是当前微全 分析系统领域的发展重点。其主要目标在于将采样、稀释、试剂引入、反应、分 离、检测等整个分析的过程及功能集成于微芯片之上，并且可以多次重复使用， 较生物芯片有着更为广泛的适用性和应用前景。“” 1 9 9 0 年瑞士c i b a g e r g y 公司的m a n z 和w i d m e r 首次提出了微全分析系统的 概念，1 9 9 5 年美国加州大学b e r k e l e y 分校在微流控芯片上实现了高速d n a 测序， 微流控芯片的商业开发价值开始显现。同年9 月，首家微流控芯片企业c a l i p e r t e c h n o l o g i e s 公司在美成立。1 9 9 8 年之后，一些微流控芯片开发企业纷纷与世 界著名分析仪器生产厂家合作，利用各自的优势技术平台推出首台微流控分析仪 器。1 9 9 9 年9 月，惠普( 现a g i l e n t ) 与c a l i p e r 联合研制出了微流控芯片商品化 仪器。 微流控芯片一般采用m e m s 技术在硅片、玻璃、塑料或高分子聚合材料上进行 加工制作，集成微驱动泵、微控制闽、微通道网络、样品处理器、混合池、计量 器、扩增器、反应器、分离器以及检测器等元器件，能够实现微升、纳升、皮升 乃至飞升级的样品进样、稀释、添加试剂、混合、扩增、反应、分离、检测及后 处理等分析全过程。由于具备m e j s 技术的微型化、集成化、智能化和低功耗、高 精度、批量化等优点，以微流控芯片为核心部件的分析仪器与传统分析仪器相比， 硕士论文 微流体系统中的玻璃微管道工艺及其流动特性研究 具有以下几点特征： ( 1 ) 分析速度比传统分析仪器提高2 3 个数量级； ( 2 ) 样品或试剂损耗量降低到纳升、皮升乃至飞升级； ( 3 ) 外部互连较少，可以实现系统的自启动、自治和自闭； ( 4 ) 可以实现微观环境下的实时、原位、连续检测。” 微流控分析系统的发展趋势主要体现在：从以毛细管电泳分离为核心分析技 术发展到液一液萃取、过滤、无膜扩散等多种分离手段；从以电渗流为主要液流 驱动手段发展到流体动力、气压、重力、离心力、剪切力等多种手段；从单道检 测发展到多重平行检测；从以激光诱导荧光及光度法为主要检测器发展到多种检 测手段如：电化学、质谱、原子光谱、光声光谱、化学发光等；从分离检测发展 为包括复杂试样前处理的高功能全分析系统；从成分分析工具发展到包括在线检 测的微型化学反应与合成手段；从一般成分分析发展为单分子、单细胞分析；从 以玻璃基质为主发展到玻璃与高分子聚合材料并重。哺钉 目前，微流控分析技术发展中的主要薄弱环节包括宏观试样与微芯片的接口 问题以及微流路中试样驱动控制的精确定量问题等。 1 i 3 微流体系统技术 微流体系统作为微机电系统技术的一个重要分支，是构成大多数微系统中感 应元件和执行器件的主要组成部分，包括微传感器、微泵、微阀、微喷及微通道 等微型流动元件；同时作为微流控分析技术的核心领域，涵盖微量流体的传感、 输送、检测和控制等技术范畴。一般认为微流体系统、微机电系统及微流控分析 技术之间的关系如下图1 1 所示。” 随着大多数关键组件如微传感器、微泵、微阀、微通道及微限流设备等的技 术成熟和少数关键组件的进一步研制成功，以m e m s 的方法实现流体系统的微型 化已经成为新兴的前沿交叉学科领域，单晶硅、无定形硅、玻璃、塑料有机聚 合物、金属、陶瓷及半导体等很多材料都可用于制造微流体系统或其组件，目前 的技术亦已能够) j n - r 出诸多种类的结构，并使之执行各种各样的功能。“” 关于微流体系统的概念，目前同样没有明确统一的定义。一般认为微流体系 统是指集成微传感器、微泵、微阀、微喷、微通道、微计量器等元器件及输入输 出接口、微处理电路等于一体的，用于实现微量流体的压力、流量和方向控制及 成分分析等功能的，适合于批量化生产制作的高度集成化微型系统。作为m e m s 的一个组成部分，微流体系统具有同样的集成化和批量化特征，同时由于其尺寸 的微型化，可以减小流动系统中的无效体积，降低能耗和试剂用量，而且响应速 度快，集成控制电路，因而在化学分析、生物和化学传感、药物传输、分子识别、 硕士论文 微流体系统中的玻璃微管道工艺及其流动特性研究 核酸合成、排序与放大、环境检测等领域有着广阔的应用前景，其典型应用有： 流体的微量配给、药物的微量注射、微集成电路的冷却与除尘、微量化学分析、 高精度喷墨打印、微型推进发动机等。“们 图1 1 微流体系统、m e m s 及2 一t a s 之间的关系 典型的微流体系统研究一般包括以下的主要内容，如：微流体及流控理论、 微流控系统、微分离系统、微阵列芯片、微细加工技术、微细加工材料、微检测 系统、微全分析系统的试样前处理、微全分析系统应用、其他与微流控技术有关 的流动分析和分离新技术等。口叩 在m e m s 技术的发展初期，微细加工技术曾经是其发展的主要瓶颈。随着硅加 工技术的日益成熟，制约m e m s 发展的不再是微细加工的手段，而是微系统中出现 的与宏观尺度下不相同的、尚未为人类认识清楚的流动和欢换热等基本问题。正 直h m o h a m e d 在一篇技术报告中指出的那样： “技术的发展速度超出了人们对存在其中的内部机理的理解能力。“” 近年来对微流体系统的研究受到了前所未有的重视，同时也取得了巨大的成 就。美国国防部高级研究计划局对m e m s 的市场分析及对未来的预测表明，在未 来的几年里，微流体系统的市场份额将占整个m e m s 市场份额的一半以上。 1 2 课题背景及其他 1 2 1 课题背景概要 微流体系统中的玻璃微管道工艺及其流动特性研究主要涉及毛细玻璃微管 道的制各工艺、检测及标定手段、光学分析，以及表面改性对不同极性流体的流 硕士论文微流体系统中的玻璃微管道工岂及其流动特性研究 动特性的影响等内容，课题隶属于笔者的两位导师所承担的国家“十五8 6 3 ”计 划项目“微流体系统数字化驱动一控制技术基础及应用”( 2 0 0 1 a a 4 2 3 2 2 0 ) 。 笔者在文中的研究内容主要包括以下几点： ( 1 ) 基于毛细玻璃材质的微流体通道加工制造设备的工作原理、系统结构及 工艺参数； ( 2 ) 玻璃微管道内径的光学检测及标定系统的结构、光学放大系统的光路分 析、微管道内外径成像的图像识别； ( 3 ) 玻璃微管道内壁的化学改性技术以及边壁极性对不同极性介质的微流动 特性影响； ( 5 ) 玻璃微管道内的微流体动态监测及瞬态流速值的测定方案、流态实时监 测系统的构架及理论原理。 1 2 2 数字化微流体系统 微流体系统的数字化概念最初由笔者的两位导师章维一教授和侯丽雅 教授共同提出，其主要意义在于从具象的物质传输角度提出对微量流体介质的精 确量控，其基本原理则是基于压电陶瓷堆的受迫谐振以驱动微管道内的流动介质 目前主要应用于显微操作系统的末端操作及定量注射，预计未来将会在流动注 射、生物芯片、点样仪、喷墨打印、微流控分析等诸多领域内产生深远影响。 数字化微流体系统主要包括有以下几个组件部分： ( 1 ) 用于制造微细操作工具的微装备系统，主要基于硼硅酸盐玻璃毛细管的 制造工艺，包括微拉针仪、微磨针仪、微锻针仪等，其他亦有基于激光光刻工艺 的有机玻璃微通道，以及由玻璃微管道组合而成的简单流型微通道网络； ( 2 ) 微流体驱动和控制系统，主要包括驱动控制软件、驱动控制专用电路模 块、j v c 加压调压系统、驱动控制压电陶瓷堆； ( 3 ) 微流动流态监控及检测系统，主要包括显微图像放大系统、图像采集系 统及其人机界面、玻璃微针及玻璃微管道标定系统、流速流量测量部分等。 数字化微流体系统相关的多项课题，如国家自然科学基金资助项目“微流体 系统数字化驱动一控制技术基础及应用”( 5 0 2 7 5 0 7 9 ) 、江苏省高技术研究计划“量 可控微操作注射器研制”等均已获得了成功，国家“十五8 6 3 ”计划项目“微流 体系统数字化驱动一控制技术基础及应用”( 2 0 0 1 a a 4 2 3 2 2 0 ) 目前已通过了专家组 评审及鉴定，并获得了一致好评。 硕士论文微流体系统中的玻璃微管道工艺及其流动特性研究 1 2 3 微流体流动特性研究 在宏观流体流动特性的研究过程中，通常忽略通道内壁对流体流态的影响， 而在微流体流动特性的研究过程中，由于微管道内壁宏观几何结构的影响、内壁 与流动介质极性相互异同的影响、固体分子对流动介质分子作用力的影响等，均 有可能起到占主导地位的作用，因而在微流体流动特性的研究中，必须考虑到以 下几点因素的作用： ( 1 ) 微管道内壁的宏观几何结构，主要包括微管道内壁的突出不平度、表面 波纹度和表面粗糙度的影响； ( 2 ) 微管道内壁固体表面对流动介质分子( 主要为水分子) 的作用力，包括 取向作用、色散作用和诱导作用，主要表征为吸附模型的微流边界层的影响； ( 3 ) 微流边界层之内流动介质分子之间的作用力影响，同样包括取向作用、 色散作用和诱导作用对微流体流动特性的影响。 在上述诸多影响因素之中，均涉及到微管道内壁固体分子与流动介质分子 以及流动介质分子之间的作用力的影响，其中前者主要受固体分子与流动介质分 子极性的相互异同的制约，因而笔者在研究过程中主要考虑了极性变化对流动特 性( 主要是流阻特性) 的影响。 基于玻璃毛细微管道的加工工艺的研究目的主要在于制备出标准化的微通 道，以减少研究过程中因为通道差异而引起的实验误差，进而减少流动特性影响 因素的复杂程度，简化流动研究的模型。论文主要的研究内容概括如下： ( 1 ) 玻璃毛细微管道加工工艺参数对流道几何参数的影响，包括拉制行程 ( l ) 、拉制时长( t ) 、拉制速度( v ) 、加热范围等因素对玻璃微管道几何参数( 内径 r 及平直段长度l ) 的影响； ( 2 ) 微管道内壁极性改变对流动特性参数的影响，包括内壁极性、驱动气体 压力p 、玻璃微管道内径r 、时间间隔t 等因素的影响。 ( 3 ) 涉及上述研究范畴的显微图像测量及微细尺度标定技术，微流动的累积 流量测量方案及流态实时监测与流速实时测量技术，改变玻璃毛细微管道内壁极 性的疏水硅烷化处理技术等。 硕士论文 微流体系统中的玻璃微管道工艺及其流动特性研究 2 基于玻璃工艺的微管道制各 2 1 微细，j n - - 技术简介 微通道网络是连接微流体系统中的徼泵、微阀、微储液池、微电极以及微检 测元件等于体的关键组件，其深度和宽度均在微米或微米级以下。虽然微通道 网络的加工工艺脱胎于微电子电路( 即i c 集成电路) 的加工技术，但却不完全等 同于以硅材料的二维、低深宽比加工为主的i c 加工工艺。微通道网络的加工深 宽比较集成电路要大得多，而工艺要求则略为降低。 2 i i 微流体器件及其材质 到目前为止，微通道网络的加工材料已经从最初的硅片发展到玻璃、石英和 有机高分子聚合物等，具体地讲有单晶硅、无定形硅、玻璃、石英、金属和有机 聚合物如环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 、聚碳酸酯( p c ) 和聚二甲基硅氧烷 ( p d m s ) 等。 硅及二氧化硅具有良好的化学惰性和熟稳定性，硅单晶生产工艺成熟，在半 导体和集成电路上得到广泛应用，而且硅的微细加工技术已日趋成熟。目前的工 艺水准已经能够在硅片上使用光刻技术高精度地复制复杂的二维图像，并可以使 用集成电路加工工艺进行加工及批量化生产，而即便是复杂的三维微结构，也能 够使用整体及表面微加工技术进行高精度的复制，因此，硅及二氧化硅材料首先 被用于制作微流体通道。 硅材料的缺点在于易碎、成本高、不透光、电绝缘性不够好且表面化学行为 复杂。这些缺点限制了其在微流体通道中的广泛应用。当然，由于其良好的光洁 度和成熟的加工工艺，可用于加工微泵、微阀等微流体驱动及控制元器件，此外 在热压法、膜塑法制作高分子聚合物微通道芯片时常用来制作相应的模具。” 玻璃和石英具有良好的电渗性和优良的光学性质，且表面性质如润湿能力、 表面吸附和表面反应性等都有利于使用不同的化学方法对其进行表面改性。使用 光刻和蚀刻技术可以将微通道网络复制在玻璃或石英基片上，因此玻璃和石英材 料己广泛地应用于制作微流体通道。汹1 笔者所在的研究室受显微注射针的加工工 艺启发，已开发出一套完整的简单流型微管道加工装置，用作于制备直径范围在 数微米至数百微米的玻璃毛细微管道。研究室自主开发研制的微拉针仪如下图 2 1 所示，以标准参数拉制出的一组玻璃毛细微管道如下图2 2 所示。 硕士论文微流体系统中的玻璃微管道工艺及其流动特性研究 图2 1 微系统研究室自主开发研制的微拉针仪 高分子聚合物种类多、选择面广、易于加工成型而且价格便宜，非常适合于 大批量制作一次性微通道网络。在微流体系统中常用电场力驱动液流，用光学、 电化学和质谱检测器进行分析，而不同高分子材料的物理化学性质不同，因此需 要根据加工工艺、应用环境及检测方法等诸多因素和高分子聚合物的光电、机械 及化学性质，选择适用的类型，并注意聚合物材料应具有良好的光学性质、易于 加工、在所使用的环境下是惰性的、具有良好的电绝缘性和热性能、表面要有合 适的修饰改性方法。 图2 2 玻璃毛细微管道 硕士论文微流体系统中的玻璃微管道工艺及其流动特性研究 2 1 2 微细加工技术现状 微流体通道的光刻( 1 i t h o g r a p h y ) 和蚀刻( e t c h i n g ) 技术起源于半导体及集 成电路芯片的制作工艺，使用光胶、掩模和紫外光进行微通道制造，工艺成熟， 已广泛地应用于硅、玻璃和石英基片上的微结构制作，其基本工序如下图( 2 3 ) 所示。 模塑法加工微通道，首先要用光刻和刻蚀的方法制出微通道部分突出的阳 模，然后在阳模上浇注液态高分子材料，将固化后的高分子材料与阳模剥离后就 得到微通道基片，接着再与盖片进行封接。 热压法( h o te m b o s s i n g ) 是一种快速复制微流体通道的技术，一般由钢架、 加热与冷却系统、模具、基片平台及加压系统组成整套装置。热压法也需要阳模， 再加热装置中将聚合物基片加热至软化温度，通过在阳模上施加一定压力并保持 3 0 6 0 s ，便可在聚合物基片上压制出与阳模凹凸互补的微通道结构。 高分子聚合物基片上制作微通道的技术主要有模塑法、热压法、l i g a 技术、 激光烧蚀法和软光刻等。 l i g a 是德文l i t h o g r a p h i e 、g a l v a n o f o r m u n g 及a b f o r m u n g 的字头缩写，由 x 光深层光刻、微电铸和微复制三个环节组成，2 0 世纪8 0 年代起源于德国 k a r l s r u h e 原子核研究中心广泛应用于高深宽比的聚合物微通道网络的制备，光 刻与刻蚀的基本工序如下图2 3 所示。 图2 3 光刻与刻蚀的基本工序 l i g a 技术的第一步为同步辐射x 光深层光刻，第二步则是在显影后的光胶 硕士论文 微流体系统中的玻璃微管道工艺及其流动特性研究 图形间隙中沉积金属，并使金属将光胶层完全覆盖住，最后第三步将光胶及附着 的基底材料去除，就得到了注塑和热压法所需要的模具，其工艺流程如下图2 4 所示。 激光烧蚀法( l a s e ra b l a t i o n ) 是一种新的微细加工技术，可直接根据计算机 c a d 数据在金属、塑料、陶瓷等材料上加工复杂的微结构，是一种非接触式的加 工工具，需根据烧蚀对象可选择激光的脉冲强度和脉冲数，在加工微模和微通道 中己得到了应用。 图2 4l i g a 技术的工艺流程 软光刻( s o f tl i t h o g r a p h y ) 是相对于微制造领域中占主导地位的光刻而言 的微图形转移和微细加工新方法，克服了光刻技术不能在曲面上加工微结构的缺 点，而且无需昂贵的设备与超净的实验室环境。以哈佛大学w h i t e s i d e s 为主的 多个研究集体，以自组装单分子层( s e l f a s s e m b l e dm o n o l a y e r r s ，s a m s ) 、弹性 印章( e l a s t o m e r i cs t a m p ) 和高聚物模塑技术为基础发展出了这种低成本的微细 加工新技术，其核心是图形转移元件弹性印章，方法一般有微接触印刷法 ( m i c r o c o n t a c tp r i n t i n g ，l a c p ) 、毛细微模塑法、转移微模塑法( m i e r o t r a n s f e r m o l d i n g ，, u t m ) 和复制微模塑法( r e p l i c am o l d i n g ) 等。”“ 2 1 3 微通道芯片的键合 上述的微通道网络加工工艺以及有机聚合物的加工工艺，在完成微通道、微 泵、微阀、微储液池、微电极、微检测元件、窗口以及连接器等功能元器件之后， 硕士论文微流体系统中的玻璃微管道工艺及其流动特性研究 根据分析功能和应用场合，尚需通过键合将这些功能元器件部分或全部集成在一 起，以组装成具备完整功能的微流体系统设备。 常用键合的方法有热键合、阳极键合、黏合及低温键合等。 硅片与硅片之间的热键合( f u s i o nb o n d i n g ) 也称为硅熔键合，将洁净硅片浸 泡在约1 0 0 c 的氢氧化铵熔液中，使拟键合表面通过水化反应增加( o h ) 基，再通 过范德瓦尔斯力的作用使之紧密贴合，接着在高温炉中加热到8 0 01 0 0 0 c 退 火，界面上发生化学反应： s i 一0 一h - h 一0 斗s i 一0 一所+ h 2 0 “ 使两块硅片牢固地键合在一起。b 3 电流 玻璃 硅片 阳极 图2 5 阳极键合实验装置 阳极键合( a n o d i cb o n d i n g ) 首先用于含钠玻璃片与硅片的键合。玻璃片接负 极，硅片接正极，施加5 0 0 1 5 0 0 v 的高压，当温度升高到2 0 0 5 0 0 。c 时，玻璃 片中的钠离子从玻璃一硅界面向阴极移动，在界面的玻璃侧产生负电荷，硅片 一侧的正电荷与玻璃一侧的负电荷通过静电力密合在一起，其实验装置如上图 2 5 所示。 在大多数情况下，高分子聚合物芯片使用和基片材料相同的高聚物材料作为 盖片进行封合。高聚物材料的玻璃态温度大多在1 2 0 1 8 0 。c 之间，热封合温度 较低，即使装有温度敏感试剂或用温度敏感试剂对微通道进行过化学改性的基片 也可用热法封合。 2 1 4 玻璃微管道应用特性 目前已有的微通道加工技术无一例外地立足于显微图形加工技术，其基本原 理都是从平面图形开始，对基底材料进行去除或挤压，以最终在基片上形成一定 深宽比的微通道，或者反其道而行之，在基底材料上进行生长，最终同样形成一 定深宽比的微通道。复杂一些的微通道网络可以实现i c 集成电路中的p c b 印制 电路板技术那样的多层复合型芯片，形成空间概念上的三维微通道网络。 硕士论文微流体系统中的玻璃微管道工艺及其流动特性耐f 究 对于微尺度液体流动，由于液体在常温、常压状态下分子间距离较小，液体 分子间及其与固体流道之间的吸引力和粘着势在微流动中起主要作用，同时液体 分子的结构比气体分子更为复杂，所以研究的难度也更大。 ( 1 ) 为减小尺度效应的影响及主要作用因素的复杂程度，采用加工过的硼硅 酸盐玻璃管作为微通道，并对其内壁进行疏水性处理，取平直段( 即假设微通道 为内径处处相等的均匀直管) 进行实验，因此可以忽略通道内壁粗糙度、流体介 质的极性以及微通道截面积变化的影响； ( 2 ) 采用硼硅酸盐玻璃管作为制作微通道网络的原材料，其拉制、磨制及锻 制工艺成熟简单，成本低廉，生产周期较短，一次性使用，无须复杂封装，与硅 加工工艺相比具有明显的优势，适合于批量制作流型简单的微通道网络； ( 3 ) 透明的微通道网络便于使用光电耦合成像器件( c c d ) 及显微图像处理系 统进行通道尺度的精确标定、流体流动的实时监测、介质相态的简单鉴别以及流 体介质微滴的步进控制； ( 4 ) 以压电陶瓷堆为致动器的微流体数字化平台，避免了在微通道内制作微 阀及微泵等内部可动件的繁复工艺，减少了对微流体流动的干扰，有效降低了实 验结果的不可预测性； 玻璃材料具有优良的光学性能，其表面性质如极性、表面吸附和表面反应性 等均可以通过不同的化学方法对其进行表面改性，用作于微通道网络的基片不仅 可以给微流场的标定、监测、显示及动态记录带来方便之处，而且可以通过化学 改性技术有效地降低微通道表面粗糙度对微流动产生的影响，减小微流体的流动 阻力系数，使得样品或试剂在微通道内能够快速通过，缩短采样、稀释、引液、 混合、反应、离析、检测等分析流程的周期。 当然，受制于工艺手段的影响。目前为止采用玻璃毛细管进行拉制、磨制及 锻制等工艺制作的微管道，一般仅用作于简单流型的微流体通道，笔者所在的研 究室采用上述工艺，已制作出内径约为数微米至数十微米的直线、折线、弧线及 简单的螺旋形玻璃毛细微管道，并已通过组合及粘结工艺成功制备出了简单分形 的微通道网络。 2 2 玻璃毛细管加工工艺 本节中笔者主要研究了硼硅酸盐玻璃的工艺特性( 粘温特性为主) ，以及微拉 针仪的工作原理、拉制毛细微管道的基本工艺参数与其几何参数的关系。 硕士论文微流体系统中的玻璃微管道工艺及其流动特性研究 2 2 1 玻璃及硼硅玻璃简介 玻璃的制造工艺大概可以追溯到5 0 0 0 多年以前历史，而在此之前人们就曾 经利用天然玻璃( 黑曜岩) 制造日常用具。时至今日，玻璃的加工及制造工艺已经 日趋成熟，各种新型玻璃如金属玻璃、钢化玻璃等层出不穷，但关于玻璃的概念 依然存在种种不同的定义。“们玻璃研究的先驱t a m m a n n 在其“玻璃态”一书中写 道：“固体非晶形物质处于玻璃态”，另一类定义则由接近工艺技术的作者提出， 例如美国材料试验协会( a s t m ) 的定义，德国规范同样采纳这一定义：“玻璃是一 种在凝固时基本不结晶的无机熔融物”。“” 一般认为，玻璃是无机氧化物的熔融混合物，玻璃中的氧化物主要有下列几 种： ( 1 ) 酸性成分：d 、且n 、只0 5 ； ( 2 ) 卤性成分： l 价：n a 2 0 、心o 等； 2 价：c a o 、b a o 、m g o 、厶0 、p b o 、m n o 等； 3 价：4 q 、f e 2 0 3 等； ( 3 ) 着色剂和脱色剂。“钉 玻璃没有特定的固定组成，在常温下以非晶态( 玻璃态) 为稳态。玻璃类物质 一般加热到5 0 0 左右开始变软，到1 5 0 04 c 左右变成粘稠的液体，冷却后经过相 反的过程又重新变成固体，但无结晶组织的形成，称之为非晶态物质。也即是说， 若将玻璃加热，其温度将不断上升，直到玻璃由固态转变为液态，而在转变的过 程中玻璃并没有固定的熔点，整个转变在一个极广的温度范围内进行，这个温度 范围通常称之为玻璃的软化范围，熔融的玻璃称为玻璃熔体。” 玻璃没有特定的固定组成，在常温下以非晶态( 玻璃态) 为稳态。玻璃类物质 一般加热到5 0 0 左右开始变软，到1 5 0 0 左右变成粘稠的液体，冷却后经过相 反的过程又重新变成固体，但无结晶组织的形成，称之为非晶态物质。也即是说， 若将玻璃加热，其温度将不断上升，直到玻璃由固态转变为液态，而在转变的过 程中玻璃并没有固定的熔点，整个转变在一个极广的温度范围内进行，这个温度 范围通常称之为玻璃的软化范围，熔融的玻璃称为玻璃熔体。 1 朝 目前工业生产中的玻璃一般可分为三种类型，即钠钙硅、硼硅酸盐以及铅硅 酸盐玻璃。钠钙硅玻璃由二氧化硅( 成d ，) 、氧化钠( q ) 与氧化钙( c a o ) 的混 合物组成，是玻璃中最大的一类；以硅砂与氧化硼为主的熔融混合物形成硼硅酸 盐玻璃，而硅砂、氧化钾与氧化铅则形成铅硅酸盐玻璃。其中硼硅酸盐玻璃具有 较高的化学稳定性、高的电阻率及低的热膨胀率，通常用于制作实验室高精度玻 硕士论文微流体系统中的玻璃微管道工艺及其流动特性研究 璃仪器。” 笔者所在的研究室在使用玻璃毛细管制备微管道时，采用了由北京公司生产 的硼硅酸盐玻璃，其成本较低，具有优异的化学稳定性，除氢氟酸、浓碱、热硫 酸外，几乎可耐一切酸、碱、盐的腐蚀，甚至比化学工业上常用的铬钢、钼钛钢 等材料更耐腐蚀，且机械强度较大，线膨胀系数为3 2 1 0 。其化学组成大致如 下表2 1 所示 髓d 24 f 2 q岛0 3n a 2 0k 2 0 7 4 83 51 4 5 4 5o 5 关于玻璃结构最重要的基本理论主要有网络假说和键状态理论。 液态玻璃具有无序的结构状态，一般认为这种结构状态同样适用于由液态凝 固而成的玻璃，在此基础之上进行的修补或补充发展形成了当前许多关于玻璃结 构以及玻璃形成条件的假说，其中最具现实意义的是z a c h a r i a s e nw h 提出的 论点。 网络假说的提出首先应追溯到戈尔德施密特。z a c h a r i a s e n 的出发点则是： 同一组成的玻璃与晶体之间的能量差别很小，因而可以认为玻璃中的键状态或结 构单元应与晶体中的类似，例如硅酸盐中的研d d 四面体在晶体中是有序排列的， 而在玻璃中则形成无序的网络。n 1w a r r e nb e 从玻璃得出的x 射线照相与上述 假说十分吻合，因而网络假说通常也称扎哈里亚生一瓦伦假说。而关于石英玻璃 的键状态研究发现，研d 4 四面体组成三维网络，但只具有近程有序性，面不存在远 程有序性。1 3 1 2 2 2 硼硅玻璃的粘温特性 玻璃的粘度特性不仅是关系到其制造及加工的重要性质，而且与玻璃熔体的 本质结构存在密切的联系。熔体与晶体之间的区别在于其内部结构单元具有较大 的活动性，以至于破坏了结构的远程有序性。如果熔体内部的个别部分发生移动， 则必然要冲断键能的作用。冲断键能所需的能量由热能提供，所以对于晶体而言， 结合键作用越强，熔点就越高。s i 一0 键强很大，q 高温稳定晶相的熔点则高 达1 7 2 3 。玻璃在到达软化温度以后并非所有的键都断裂，因而熔体中存在一 定大小的断片，其活动性则受到软化程度的限制，所以研0 熔体具有较大的粘度， 温度越高，断裂键越多，其粘度则越低。 与上述过程相反，在玻璃熔体的冷却过程中，键逐渐连接，粘度是逐渐增大 的。在玻璃熔体降温到最低软化温度以下时，因为某些断片不具各有序排列所特 硕士论文微流体系统中的玻璃微管道工艺及其流动特性研究 定的对称性，只有当偶然地形成有序排列的断片( 即晶核) 时，结晶过程才能开始 进行。在继续冷却过程中，各种键进一步随意连接在一起，结晶受到更大的阻力。 最后粘度增大至实际不可能出现结晶的程度，熔体才完全转变成固态玻璃。” 玻璃熔体的粘度一般用n 表示，以帕秒( p a s ) 为单位，为与“泊”( p a ) 进行 区分，通常以分帕秒l d p a s = l p 作为单位。在玻璃熔体的软化( 或结晶) 过程中， 粘度的变化一般以l o 的幂次进行计算，因此常以l o gr l 表示粘度与温度t 作为 坐标，如下图2 6 所示为普通硼硅酸盐玻璃的粘温特性。 、 j ，1 + i ： 吹制一 i 弋 t g 弋一压 i l 注 04 0 08 0 01 2 0 01 6 0 0 ( ) t 一 图2 6 典型硼硅酸盐玻璃的粘度一温度特性曲线。” 室温下玻璃的粘度值n 极高，约为1 0 ”分帕秒，是一种脆性物质。温度升高 时粘度r l 开始缓慢降低，如上图所示。一般硼硅酸盐玻璃在熔化温度1 4 0 0 至 1 5 0 0 时的粘度约为1 0 2 分帕秒，相对依然较高( 与之相比，水在2 0 c 时的粘度 r