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上海交通大学博士学位论文 聚合物微流控芯片制作关键技术研究 摘要 微流控芯片是目前m e m s 研究最为活跃的领域之一。高分子材料具有良好的生物兼容性、良好 的表面电特性、低的荧光背景，使得大部分的生化分析可以成功进行，已经引起了越来越多的关注。 当前，热压成型工艺是制备聚合物微流控芯片的重要方法。本论文主要围绕热压成型金属模具的制 备、微通道的热压成型和微通道的封装等工艺进行了研究，论文的主要研究内容和结论如下： 针对当前u v l i g a 技术制备金属模具中存在的不足，提出了采用p d m s 作为微电铸模板制备 金属模具。该方法解决了了s u 一8 去胶的难题，可以制备高质量的金属模具，具有极高的实用价值。 在热压成型工艺中，研究了p 心哇a 、p c 和p s 三种材料在其玻璃化转变温度附近的流变性能， 研究表明在l + 1 0 左右时，p m m a 比p c 和p s 有更好的流动性能。在热压成型工艺中，涉及的 主要因素有压力、模压温度、和模压时间等，因此我们采用正交实验对热压工艺条件进行了优化。 结果表明温度是影响热压效果的主要因素，而压力和时间为次要因素。目前，热压成型工艺的理论 和计算机仿真研究还没有深入的研究，本文尝试采用有限元软件d e f o r m 对模压过程进行了仿真研 究，得到了与实验结果统一的结论。 微通道的封装是微流控芯片制作中的关键步骤，本文提出一种p m m a 微流控芯片的低温封装方 法。利用低分子量的p m m a 涂层降低了封装温度，从而解决了热封装过程中微通道容易产生坍塌和 堵塞的问题。针对其它的塑料微流控芯片，本文采用改进的p d m s 膜封装工艺进行了封装。该工艺 采用“三明治”结构，将p d m s 膜夹在两块塑料片之间，使其可以耐更高的压力。 本文开发了一种快速制备环氧树脂的模具的新方法。本方法采用p d m s 两次浇注技术，制作了 p 氧树脂模具。并将这种技术用于了p d m s 微流控芯片的制作，得到了很好的实验结果。用该方法 制作p d m s 微流控芯片具有制作周期短，工艺简单等优点。 关键词：m e m s ，微流控芯片，p m m a ，s u 8 ，p d m s ，环氧树脂 a b s t r a c t r e s e a r c h0 nk e yt e c h n i q u e sf o rp o l y m e r i c m i c r o f l u i d i cc h i psp r e p a r a t l 0 n a b s t r a c t a tp r e s e n t ，m i c r o n u i d i cc h i pi so n eo ft h eh o t t e s ta r e a l si nm e m sf i e i d p o l y m e rm a t e r i a l sw i m a d v a n t a g e so fe a s yp r o c e s s i n g ，c h e 印，c a nb ee a s i l ym a s sp m d u c t i o n ，a sw e l la sp e “b c tb i o c o m p a t i b l e p r o p e n i e s ，g o o ds u r f a c ep r o p e r t i e sa n dl o wn u o r e s c e n c eb a c k g r o u n d ，w h i c hm a k e sm o s to f t h e b i oa n d c h e m i c a la n a l y s i sc a j lb es u c c e s s m l l yp e r f - o n t l e d ，h a v ed r a w ng r e a ta t t e n t i o n i nt h i sp a p e r ，t h ek e y t e c h n i q u e sf o rp o l y m e r i cm i c r o n u i d i cc h i p s p r e p a r a t i o na r es t u d i e d t h em a j nc o n c l u s i o n sa r el i s t e d b e l o w ： f i r s t ，an o v e lm e t h o df o rm o l di n s e r tp r e p a r a t i o ni sp r o p o s e db yu s i n gp d m s a st h ee l e c t r o p l a t i n gm o l d h i 曲q u a l 时m e t a lm o l di n s e r tc a nb ep r 印a r e db y “sp d m st e c h n i q u ew 晡l ew i t h o u tt h es u 一8r e m o v a l p r o b l e m i nt h e h o te m b o s s i n gp r o c e s s ，r h e o l o g i c a la n a l y s i so fp m m a ，p sa n dp cn e a rt h e9 1 2 l s st r a n s i t i o n t e m p e r a t u r ea u r em a d e t h er e s u l t ss h o wt h a tp m m ah a sb e t t e rr h e o l o g i c a lp m p e r t i e st h a np ca n dp sa t t e m p e r a t u r et e + 1 0 t h eh o te m b o s s i n gp a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e dt 1 1 r d u g ho n h o g o n a le x p e r i m e n t s f u r t h e r s i m u l a t i o no nt h e h o te m b o s s i n gp r o c e s si sp e r f b 硼e du s i n gc o m m e r c i a lf e as o f h v a r e d e f o i t m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wg o o da c c o r d 锄c ew i t ht h ee x p e r i m e n t s m i c r o c h a n n e le n c l o s i n gi sac r u c i a ls t e pi nt h em i c m n u i d i cc h i pp r e p a r a t i o n t h em i c r o c h a l l n e l st e n dt o c o l l a p s ea n db l o c kw h e nh e a t i n ga n dp r e s s u r ea r ea p p l i e di nt h e n n a lb o n d i n gp r o c e s s i nt h i sp a p e r ，al o w t e m p e r a t u r eb o n d i n gm e t h o di sp r o p o s e d 1 1 1t h i sm e t h o d ，al o wm o l e c u l a rp m m al a y e ri se m p l o y e dt o d e c r e a l s e t h eb o n d i n gt e m p e r a _ 【u r e t h e r e f o r e ，t 1 1 ed i m e n s i o nc h a j l g e sa r ea v o i d e d f o ro t h e rp l a s t i c m c r o c h a n n e l s ，am o d i f i e dp d m sf i l me n c l o s i n gm e t h o di sp r o p o s e d b yu s i n gas a j l d w i c h e ds t r u c t u r e ， h i g hp r e s s u r ec a nb e 印p l i e do nt h i se n c l o s e dm i c r o c h a n n e l s 、 i n t h i sp 印e r ，a ne p o x yr e s i nm o l di n s e r ti sp r e p a r e db yd o u b l ec a s t i n gt e c h n i q u e d o u b l ec a s t i n g t e c h n i q u es h o w sa d v a n t a g e so fs i m p l ep r o c e s s i n ga i l dw i t h o u td i m c u l t yo fd e - m 0 1 d i n g b yu t ii i z i n g t h i s t e c h n i q u e ，p d m sm i c r o n u j d i cc h i p sa r es u c c e s s f u l l yp r e p 2 i r e d k e yw o r d s ：m e m s ；m i c r o n u i d i cc h i p ；p m m a ，s u - 8 ；p d m s ；e p o x y i i 蕾 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本论文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：鹅肇 日期年乡月罗日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或 不分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存或汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 i 不保密自 ( 请在以上方框内打“”) 指导教师签名：予粜直 日期：o ( 年7 月? 日 秘日 签，群岛 姗捌 器 上海交通大学博士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 科学仪器在人类的整个科技发展过程中都起着极其重要的作用，这在近代科技发展中反应 的尤为突出。最近，人类基因组计划的提前完成充分说明了先进的分析仪器与技术在现代高科 技发展中的重要甚至关键作用。面临着2 1 世纪科技发展中提出的众多挑战，分析仪器和分析科 学也正经历着深刻的变革，其中一个日益明显的发展趋势就是化学分析设备的微型化、集成化 与便携化。当前，主要为了适应生命科学发展的需要，分析仪器的发展正在出现一个以微型化 为主要特征的、带有革命性的重要转折时期。 2 0 世纪9 0 年代初，由瑞士的m a n z 和w i d m e r 首先在分析化学领域提出了以微电子加工技 术为依托的微型全分析系统( m i c mt o t a la n a l y s i ss y s t e m s ，“一t a s ) 的概念，其目的是通过化学 分析设备的微型化与集成化，最大限度地把分析实验室的功能转移到便携式的分析设备中( 如： 各类芯片) ，实现分析实验室的个人化、家用化。因此，也被通俗地称为芯片实验室 ( l a b o n - a - c h i p ) 。微流控芯片( m i c r on u i d i cc h i p ) ，又称为电泳芯片( e l e c t r o p h o r e s i sc h i p ) ，是 微全分析系统的重要组成部分，是以分析化学和生物化学及生物技术为基础，以微机电系统 ( m e m s ) 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的全新技 术，是采用微加工技术在几平方厘米大小的芯片上刻蚀出微管道网络和其它功能单元，形成进 样、反应、分离、检测于一体的快速、高效、低耗的微型分析装置，具有广阔的发展前景【2 ，3 1 。 在微流控系统发展的初期，制作微流控芯片的材料主要是硅、玻璃和石英，这是因为这些 材料具有己知的表面化学特性，良好的电渗流和光学性能，并且加工工艺成熟。玻璃和硅在以 往微流控芯片研究中作出了重大贡献，但是在t a s 的不断发展中暴露出其局限性：玻璃芯片 的制造过程极缓慢，且需要相应的净化室及设施，芯片的封装过程复杂、耗时，芯片易碎且昂 贵。硅不透光，是半导体，耐酸碱性能较差，在一些条件下( 如高电场驱动) 不适用于分离和 检测。高分子材料加工成型方便、价格便宜、深宽比高、通过复制技术可以廉价地进行大批量 生产，而且高分子聚合物材料具有良好的生物兼容性、良好的表面电特性、低的荧光背景，使 第一章绪论 得大部分的生化分析可以成功进行，已经引起了越来越多的关注f 4 】，成为研究的热点。另外， 高分子材料具有种类多、可供选择的余地大、加工成型方便、价格便宜等优点，非常适合于大 批量制作一次性微流控芯片。 1 2 聚合物微流控芯片制作工艺的研究现状 聚合物微流控芯片制作主要由版图设计、微通道成型和微通道封装等几个主要步骤组成。 下面将分别对这微通道成型和封装工艺的研究现状作一个综述。 1 2 1 聚合物微流控芯片微通道的成形工艺 目前，聚合物芯片上微通道的加工方法主要有：热压法( h o te m b o s s i n g ) 5 - 7 1 ，模塑法( c a s t i n g m o l d i n g ) ”】，注塑成型法( i n j e c t i o nm o l d i n g ) 1 0 川，激光烧蚀法( l a s e ra b l a t i o n ) 【1 2 13 1 ，软刻 蚀( s o rl i t h o g r a p h y ) 【1 4 ，1 5 1 和压模法( c o m p r e s s i o nm o l d i n g ) 【1 6 1 ，不同的加工方法对于材料的性 质有着不同的而且非常特殊的限制和要求。例如，对于热压法和注塑成型法，材料的玻璃转化 点温度、软化温度和热膨胀系数是芯片制作的最重要参数；对于压模法，材料的硬度是一个关 键参数；而对于模塑法，材料的弹性或者说材料在变形后保持原有形状的能力则是实验需要考 虑的重要因素。 ( 1 ) 热压法 m a n y n o v a 于1 9 9 7 年首次提出采用两种不同的热压法制作塑料微通道6 1 。一种方法是用微 小直径的镍铬合金丝来压塑料。如图1 - 1 ( a ) 所示，一条长约2 0c m ，直径1 3 肛m 或2 5 “m 的 合金丝被拉紧后放在一片聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ，俗称有机玻璃) 上，分别在丝的上面和 p m m a 的下面放上一块显微镜的载玻片，然后将他们一同放入加热炉中，在1 0 5 加热1 0m i n 便可以在p m m a 上形成微通道。另一种方法是首先制作一个硅模具，然后以它为模具在塑料上 压出微通道。硅模具的制作是采用湿法刻蚀的办法，首先在单晶硅片上氧化一层二氧化硅，再 在二氧化硅表面涂上一层光刻胶；采用曝光、显影的方法将图形转移到光刻胶上，然后用氢氟 酸溶液刻蚀二氧化硅，再用乙二胺邻苯二酚溶液( e d p ) 刻蚀硅，最后再分别去除硅表面上的 光刻胶和二氧化硅，这时硅片上便拥有了凸起的三维微通道结构。如图l - 1 ( b ) ，硅模具制作 好以后，将它放在p m m a 上，再将它俩放在两块经过抛光的铝板之间，然后在铝板上施加压力 2 上海交通大学博士学位论文 并同时将整个装置加热到1 3 5 ，大约5m i n 便可以在卧心，i a 上制出微通道。这两种方法相比 较，第一种方法只能制作一些简单的直通道形式的芯片，但不需制作模具；第二种方法则可以 制作出更为复杂结构形式的微通道。 ( a ) p m m a ( b ) 图1 1 热压法示意图( a ) 用丝压的方法；( b ) 用硅模具压的方法 铝板 p m m a 硅模具 铝板 f i g u r e1 - ls c h e m a t i cd i a g r 锄o f h o te m b o s s i n g ( a ) w i r ee m b o s s i n g ；( b ) e m b o s s i n gw i ms i l i c o nm o l d 适合采用热压法加工的材料有聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 与聚碳酸酯( p c ) 等聚合物材 料。目前，商业化的热压设备已经已经出现，其装置简图由图1 2 所示，由钢架、加热和冷却 系统、模具和基片定位台及加压系统组成。利用热压设备可以大大提高了加工的速率和复制精 度。 加热与冷却系统 锕架 模具 高聚物 基片 图1 2 热压装置 f i g u r el - 2s e t u po ft h e h o te m b o s s i n g e q u i p m e n t 3 第一章绪论 ( 2 ) 模塑法 e 仃e n h a u s e r 于1 9 9 7 年首次提出用模塑法制作塑料微通道1 8 1 。如图1 3 所示，首先，采用湿法 刻蚀的办法生成一个硅模具，硅模具上具有凸起的三维结构；然后，将提前混合好的p d m s 浇 注到硅模具上；最后，将固化好的p d m s 从硅模具上剥离下来即可。 黼铲i 物并固化i 徨虱 晰辆铡离j 皇瑟瑟器理l 基片与盖片后贴合 l 盏二画 盖片一芭二二= = = j 图1 3 模塑法工艺流程图 f i g u r e1 - 3s c h 咖a l i co f t h ec a s t i n gp r o c e s s ( 3 ) 注塑成型法 m c c o 丌n i c k 于1 9 9 7 年首次用注塑成型法制作塑料微通道【l o j 。注塑成型法也需要一个模具， 首先用湿法刻蚀的办法生成一个硅模具，再利用这个硅模板电铸一个镍模具，这个母板上的图 鼍 形是凹的，然后从这个母板上电铸出多个镍子模具，此时，子模具上的图形与硅模具上的图形 是一致的。子模具制好后，便可以采用注塑方法大批量的生产塑料芯片。 ( 4 ) 激光烧蚀法 r o b e r t s 于1 9 9 7 年首次提出用紫外线激光器加工塑料微通道，采用激光烧蚀法的一个优点 是可以加工出高深宽比的微通道【1 2 】。激光烧蚀过程分为两种，一种是在塑料片上覆盖一个掩模 板，用来定义将被烧蚀的区域，然后让激光透过掩模板照射到塑料片上，形成微通道，加工过 4 在枉 上海交通大学博士学位论文 程如图1 4 所示；另一种方法是将塑料片固定在一个可以通过编程精确控制其移动的平台上， 然后让塑料片在经过聚焦的激光束下移动，便可以生成所需的微通道，可以通过控制平台的移 动速度和激光的脉冲频率来控制微通道的深度。后一种方法的优点就是不需要制作掩模板，但 由于整个微通道是连续加工的，因此加工速度慢，不利于商品化批量生产。 掩摸 基片 图1 4 激光烧蚀法加工原理图 f i g u r el - 4s c h e m a t i co f t h el a s e ra b l a t i o np m c e s s ( 5 ) 软刻蚀 d u 厨于1 9 9 8 年报道了一种新的低成本的微细加工技术一“软刻蚀【1 5 】。首先，采用所谓 的快速原型法制作一个模具。用一种c a d 软件设计出所要的微通道图形，采用高分辨率的打印 机将图形打印到一张透明的胶片上，该胶片即为光刻掩模；在硅晶体上涂上一层光刻胶，采用 曝光、显影的办法将光刻掩模上的图形“复制”到光刻胶上，使其形成一个凸起的三维结构， 通过选用不同的光刻胶可以生成不同厚度( 1 2 0 0l l m ) 的三维结构，该种含有三维凸起结构的 光刻胶就是所要的模具。接着，将p d m s ( 俗称硅橡胶) 浇注到光刻胶上，生成含有所需结构 的芯片，具体制作过程如图1 5 所示。采用快速成型法制造模具的一个突出优点就是不需制造 硅模具，因此可以大大缩短芯片的制作周期。 5 第一章绪论 = = 夏= = 一硅片 i 甩腋 f = = = = = = = = = = = 卜一光刻胶 l垩i i 光刻 亡= 三= 3 一母模 l 浇洳d s e 翌 i s i l l 釜慧上剥 ，。_ f _ 西舔f 鼍1 ，i o o 岬i c m l j l _ r 1 ，、r 一u ：ip m ，o 口p m 图1 5 软光刻工艺流程图 f i g u r e1 - 5s c h e m a t i co f t h es o rl i t l l o 脚h yp m c e s s ( 6 ) 压模法 2 0 0 1 年，l i u 利用压模法制作了塑料微通道【1 6 1 。首先，加工一个含有三维凸起结构的硅模 具，然后将它放在一台液压机的下加热台上：将提前计算好的一定量的p c 颗粒放到硅模具的 中心，再在上面放上一块镍板；移动上加热台与镍板接触并施加一定的压力，同时将上、下加 热台升温至1 8 8 ，p c 颗粒开始融化；当形成的p c 片厚度达到1m m 时，将上、下加热台分 开，一起取下硅模具、p c 片和镍板，空冷9 0s ； 冷却完后，便可以将已经含有所要微通道的 p c 片与硅模具和镍板分开，整个过程大概需要3m i n 。 在以上提到的微通道加工方法中，模塑法和软刻蚀法只适用于p d m s 这种弹性塑料，所以 应用非常有限；激光烧蚀法虽然制作工艺比较简单，但加工时间较长，不适合批量生产，在芯 片研究的初期阶段则比较实用。热压法和注塑法是目前最为常用的，这主要是由于这两种方法 可加工的塑料品种比较多，而且复制精度较高，可以中、大批量生产；这两种方法相比较，注 塑法所需的设备较昂贵，技术不易掌握，而热压法所需设备相对简单，操作简便，便于实现较 高程度的自动化生产。 6 上海交通大学博士学位论文 1 2 2 微流控芯片成形模具制备工艺 热压成形技术以其灵活性强，成本低的显著特点适应了微流控芯片的发展，得到广泛的应 用。在热压成形技术中，微通道成形模具的制作是此项技术得以应用推广的关键。 微通道成形模具具有较高的精度和技术指标要求。常用的模具材料可以分为金属( 包括铜、 镍等) 和非金属( 包括硅、玻璃等) 两种。非金属材料的模具由于其寿命较短，适合实验室和 科研单位小批量生产的需要。而金属模具以其较长的使用寿命和突出的经济性适应大批量生产 制造的需要，得到发展。对于金属微通道成形模具，传统的模具制作加工方法不能满足其要求， 对全新加工方法的强烈需求引起了学术界的广泛关注。 综观国内、外在金属成形模具方面的研究，大多基于m e m s 加工技术，通过光刻和电铸技 术完成。目前，采用较多的方法是将硅作为基板，电铸后将基板腐蚀掉【”，1 8 1 。具体工艺流程为： 先在硅基板上生长二氧化硅，将二氧化硅做为掩模，通过硅的湿法腐蚀或硅的干法腐蚀获 得所需图形的硅模具。然后将硅模具作为微电铸的母模进行镍的微电铸。电铸后将硅模具腐蚀 掉便得到了镍金属模具。由于湿法腐蚀时腐蚀侧面与表面成5 4 7 4 。的夹角，所以侧壁垂直度不 好。e l d e r 等提出了一种在硅模子上电铸金属模具的d e e m o ( d 叫e t c h i n g ，e l e c t r o p l a t i n g ， m o u l d i n g ) 方法。利用最新改进的硅或聚合物干法刻蚀技术【2 2 】，可以制造出高深宽比的硅模 子，解决了电铸后通道侧壁垂直度不好的问题。然后硅模子可以直接进行模压或进行后续的电镀 和模压。但是在电铸过程中，一方面由于电铸时电流过大；另一方面电铸过程中应力的存在， 导致电铸过程中硅片变形，造成镍模具表面高低不平，使得最终得到的镍模具表面较为粗糙。 l i g a 技术是目前制作金属模具最先进的工艺，利用该技术可以得到深宽比为1 0 0 ，厚度 为1m m 的微结构。l i g a 技术已经用于制备微流控芯片成形金属模具，但是昂贵的同步辐射光 源成为限制l i g a 技术应用的瓶颈。 s u 一8 厚胶技术采用普通的u v 光源，可以制造数百微米甚至1 0 0 0 m 厚、深宽比可达5 0 的m e m s 微结构，而成本大大降低，在一定程度上代替了l i g a 技术，成为近年来研究的一个 热剧2 4 1 。u v l i g a 技术制作微流控芯片成型模具对设备要求不高，而且工艺简单。但该工艺存 在的问题是s u 8 固化后的光刻胶难以彻底的去除，常用的采用强氧化剂去除的方法会对金属模 具造成损伤，使金属模具表面产生缺陷，这就限制了u v l i g a 技术的应用。 7 第一章绪论 1 2 3 塑料微流控芯片的键合工艺 键合是指将带有微通道的基片和盖片，在适当的条件下进行封接而形成封闭微通道的制作 工艺。塑料微流控芯片的键合方法较多，有：热碾压( t h e r n l a l l 锄i n a t i o n ) 【1 2 】，p d m s 薄膜【15 1 ， 粘接例，溶剂粘合( s o l v e n tb o n d i n g ) 【2 6 】，热键合等。 在热碾压工艺中，需要用到一种p e 仰e 薄膜( 一般厚度为3 0u m ) ，该种薄膜表面覆盖着 一层5 1 0 m 厚的熔融状态的粘性层( a d h e s i v el a y e r ) 。用一个加热的辊子将该薄膜辊到塑料 基片上，同时粘性层溶化粘接到基片上，形成密封的通道。 由于p d m s 和很多材料之间都具有很好的粘接性，比如硅片、玻璃、一些塑料材料( 包括 它本身) 等，所以当以塑料材料作为基片时，可以与p d m s 薄膜在室温下直接实现非永久性密 封，即芯片键合完后，还可以撕开而不会损坏微通道。d u 厨提出在键合前对p d m s 表面进 行等离子体氧化，氧化后的p d m s 可以与硅、玻璃、二氧化硅、石英、氮化硅、聚乙烯、聚苯 乙烯等多种材料实现永久性密封。 粘接方法又可以分为两种，一种是在片子上涂上一层胶，然后进行键合【2 5 】：另一种方法是 在基片和盖片之间夹有一层双面胶带【2 8 1 。 溶剂粘合就是针对所用的芯片材料，选择合适的有机溶剂，该溶剂能够部分的溶解键合表 面，在键合前将它涂到盖片上，然后施加很小的压力便可以实现芯片的键合。w a n g 利用匀胶机 以4 5 0 0 印m 的速度将2 ，4 p e m a d i o n e 涂到p m m a 盖片上，然后与p m m a 基片紧密接触，手压 2m i n 便实现了通道的封接【2 6 】。 紫外光固化胶可以在室温下完成微通道的封装，无需加热。首先用旋涂方法将紫外固化胶 涂覆在硅片上，厚度为3 5 岬。采用转移法将光刻胶转移到基片上后与盖片贴合，紫外光照 射固化即可完成封装，该方法封装得到的微流控芯片没有微通道的堵塞变形。 分 c h e h s i n “n 等提出了一种新的紫外胶封装方法【2 9 1 ，具体实施方法是在三明治结构的 边缘涂上紫外光固化胶，利用毛细作用力把胶吸到夹层中，但不会流进微通道中，然后紫 外光固化，就可以完成微流控器件的封装( 图1 6 ) 。 不同材料组成的电泳微通道，由于电渗流的不匹配，可能产生样品区带增宽。为了使 微通道表面具有相同的电荷，s i y il a i 等提出了另一种紫外胶固化方法【3 0 】。该方法是将胶 8 上海交通大学博士学位论文 注入微通道和基片和盖片之间的空隙，用固定装置固定好，然后用高压气体吹出微通道中 的胶，最后进行紫外光固化。该方法可通过对微通道的表面改性消除电渗流不匹配的缺点。 u v g l u e 图1 6 毛细管力紫外胶封装流程图 f i g u r el 一6a s c h e m a t i cd j a g r 啪o f u vg l u eb o n d i n gt e c h n i q u ea s s i s t e dw i t hc a p i l l a r ) ，f o r c e 热键合是目前塑料芯片键合主要采用的一种方法，这主要是由于以上其它方法所形成的微 通道都是由不同材质组成的，这会引起电泳分离时样品的区带增宽，影响分离效率，其中热碾 压和粘接中所使用的胶或者胶带还很容易阻塞微通道，而且有时会污染检测样品。热键合的原 理比较简单，就是通过加热、加压来实现微通道的密封，但具体的实施办法却不尽相同。 1 9 9 7 年，m a 啊n o v a 首次利用热键合法对p m m a 集成毛细管电泳芯片进行键合【6 1 。将p m m a 基片与盖片夹持在两片显微镜载物片之间，然后放进一加热炉中，将炉温升至1 0 8 ，保持1 0 m i n 。并提出热键合时的温度略高于微通道热压时的温度( 1 0 5 ) ，有助于键合时的成品率的 提高，而且如果第一次键合不完全，还可以进行二次键合，二次键合的温度不变，但时间需要 延长。 2 0 0 1 年，w a b u y e l e 对p m m a 和p c 两种材料分别进行了热键合实验，但实验过程类似。 以p m m a 为例，将厚度为o 2 5m m 的p m m a 薄膜覆盖到p m m a 基片上，然后放入加热炉中， 再在盖片上面加一重物；将炉温以2 0 m i n 升至p m m a 的玻璃转化点温度( 1 0 5 ) ，保温1h ， 9 第一章绪论 然后逐渐冷却至室温，冷却时间需要2h 。 大多数情况下，使用和基片相同的高聚物材料的盖片进行封合。高聚物材料的玻璃态温度 大多在1 2 0 1 8 0 之间，因此，与玻璃和硅的封装工艺相比，高聚物芯片热封合温度较低，即 使装有温度敏感试剂、或用温度敏感试剂对通道进行过化学改性的基片也可封合【3 2 3 3 1 。塑料微 流控芯片热键合时，温度一般高于材料的玻璃化转变温度，存在的问题是，由于表面软化，致 使微通道变形较大。为了避免微通道变形，m a d o u 等用真空热封装( v a c u u m a s s i s t e dt h e r m a l b o n d i n g ) 实现了塑料微流控芯片的键合【3 4 j ，实验结果如图1 7 所示。真空条件下进行热键合可 以消除熔融界面处的气泡并且降低温度和压力，因此可以避免熔融的聚合物流近微通道。 _ 图1 7 真空热封装的微通道照片 f i g u r el 一7s e mp h o t o so fm i c r o c h a n n e l sb o n d e db yv a c u u m a s s i s t e dt h e 玎n a l s o p e r 等提出在盖片上涂一层玻璃化温度低的共聚物来进行塑料芯片的封装【3 3 1 。例如，聚丁 基丙烯酸甲酯( p b m a ) 的玻璃化温度为4 5 ，而p m m a p b 凇共聚物的玻璃化温度则依赖于 共混物中各组分的体积分数，能大大降低聚合物芯片的热封装温度。这也就避免了温度过高造 成的微通道的变形和堵塞。 美国u cb e r k e l y 大学的林立伟等人采用局部加热的方法成功的实现了微流控器件的键合， 而且避免了加热对管道变形的影响阮3 6 1 。键合原理如图1 8 所示。该工艺由于采用的是局部加 热，因此不会对微通道产生影响。 l o 上海交通大学博士学位论文 图1 8 局部加热封装示意图 f i g u r el - 8s c h e m a t i co fb o n d i n gp r o c e s s w i l d 等采用激光局部加热的方法实现了芯片的无变形封装p 7 1 ，激光透射焊接原理和塑料 芯片的激光键合示意图分别如图1 9 所示。参加焊接的材料分为透射层和吸收层。透射层要求 对红外激光透明，而吸收层对红外激光吸收大。当激光达到两层材料的界面时，激光被吸收层材料 表面吸收局部熔化，在紧密接触时，与其相应的透过层也因传导作用而与吸收层材料熔化在一起， 达到焊接键合的目的。目前国内华中科技大学也在开展此方面的工作阮3 9 1 。 妇 一够- ：= 圈l 激光传输 图1 9 激光焊接原理 f i g u r e1 9s c h e m a t i co f t h el a s e rb o n d i n gp r o c e s s 第一章绪论 从上述的综述可以看出，微流控芯片的键合方法有很多种，但是热键合方法具有比其它方 法更多的有点，是研究的重点。目前的热键合方法还存在的问题是键合温度过高，会使微通道 产生变形和堵塞。而局部加热法和激光键合法工艺较为复杂，且设备昂贵，普通实验室不易实 现。因此需要对常规的热键合方法进行改进，以克服目前存在的微通道变形的问题。 1 3 微流芯片的应用及发展趋势 迄今为止，用有机聚合物成功制作微流控芯片的材料主要有：聚二甲基硅氧烷 ( p d m s ) 、聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 、聚碳酸酯( p o l y c a r b o n a t e ) 、聚苯乙烯( p o l y s t y r e n e ) 等。p d m s 是一种较常用的材料，d u 母等使用快速成模的方法在不到2 4h 就制出了p d m s 的微液流芯片，以此对氨基酸、蛋白质、d n a 片段进行了分析，得到了和常规毛细管电 泳方法可比的结果【15 1 。y a nl i u 等在p d m s 的微通道中通过动态涂覆p b ( p o l y b r e n e ) 和 d s ( d e x 仃a ns u l f a t e ) ，在一定p h 值下得到了稳定的电渗流，考察了电渗流和p h 的关系 以及涂覆前后电渗流的变化【4 0 】。a n d e r s o n 等通过快速模型的方法p d m s 上制作了复杂的 三维微通道h 1 1 。e f f e n h a u s e r 等通过压印( m o l d i n g ) 的方法制作了集成毛细管电泳微芯片， 在d n a 片段上插入染料( y o y 0 1 ) 和荧光标记物，得到了z m o l ( z e p o m o l e s ) 级的检出限 【4 2 】。h e n r y 等在p m m a 的微通道表面以氨基官能团物质进行修饰，以反射吸收红外光谱 ( r a 。i r ) 、x 射线光电子能谱( x p s ) 等方法研究了微通道表面状况【4 3 j 。m a n y n o v a 等以 金属丝印刻和硅模具压印的方法制作了p m m a 材质的芯片，通过分析山羊抗体免疫球蛋 白g 评价了微系统。s o p e r 等以p m m a 材质制作了微芯片电泳装置，高速地进行了寡 聚核苷酸的分离分析【4 5 4 6 1 。其它有机聚合物材质微流控芯片的应用相对较少。 从以上论述可知，微流控芯片发展到今天，在生物、化学、诊断等领域取得了巨大的 成功。在其出现的十年当中，人们不断地从各个方面对其改进。如芯片材料选择、微通道 刻蚀方法及设计、管道壁的化学修饰等。从目前的研究成果来看，有机聚合物材料无疑将 在芯片材料的选择中扮演重要角色。因此，在选择合适的刻蚀方法及优化通道设计的条件 下，寻找具有优良性质而价格便宜的有机材料、研究新材料的修饰试剂等将会为微全化学 分析系统的实用化打下坚实的基础。 微流控芯片发展的最终方向是实现灯a s ，即将整个生化分析所需要的步骤都集成到 1 2 上海交通大学博士学位论文 一块芯片上完成。虽然目前距实现这个目标还很遥远，但在各国科学家的努力下，已经迈 出了突破性的一步。 从目前的研究报道来看，集成的趋势有两种，一是“水平集成”：即在块基片集成 大量相同的微流单元，一次可以并行处理成千上万次相同的操作；另一种是“垂直集成”， 即在一块基片上集成几个不同的微流单元，可以顺序进行不同的操作4 7 1 。 上样区 广。”_ 弋 电路板 液滴混合区热反应区袈金黼泳区 r 1r 一1r 1 广1 r 1 图1 1 0 集成化的d n a 分析芯片 f i g u r el - 1 0i n t e g r a t e dd n am i c r o f l u i d i cc h i p b u m s 等【4 8 】在硅基片上集成了微通道、化学反应腔、毛细管阀、加热器、温度传感器、 光电二极管检测元件、凝胶电泳通道( 如图1 1 0 ) ，可以实现进样、驱动、液滴混合、热 反应、毛细管电泳，最后用集成的发光二极管对反应物质进行荧光检测，得到满意的结果。 通过这种方法，对小体积的液滴进行操纵、混合、反应、检测成为可能。 l a g a l l y 等【4 9 】在玻璃芯片上集成了阀、憎水孔、p c r 扩增及c e 分离系统，如图1 1 1 所示。直径为1 0 0m m 玻片上，形成8 个集成单元，每个单元由阀、疏水孔、p c r 扩增反 应腔和c e 分离通道组成。在该系统中，采用了外部阀控制压力和真空用于驱动和操作液 流。施加一定的真空，憎水孔和阀即开启，在气压的作用下，样本溶液从样本池中进入p c r 第一章绪论 反应室，然后封闭阀和憎水孔，开始加热，p c r 循环，循环结束后进行凝胶电泳。 该系统的使整个分析实验室微型化，首次建立了集取样、p c r 扩增及d n a 分离分析 于一体的微流控系统。该系统实现了自动上样、快速高效p c r 反应以及在线c e 分离分析。 ， 图1 1 1 集成化的p c r c e 芯片 f i g u r e1 - 11i n t e g r a t e dp c r - c em i c m n u i d i cc h i p h a n s e n 纠5 0 】提出了一个新颖的集成概念，借用了大规模集成电路的一些思想。由于微 流控系统中的阀起到连接和转换流路的作用，所以可以将微阀看作大规模集成电路中的晶 体管，而其它的微流元件如微泵、微混合器、微反应器等可以看做大规模集成电路中的逻 辑元件，将微阀和不同的“逻辑元件”组合可构成具有一定功能的“逻辑单元”，这些“逻 辑单元”通过通用的微流连接器( 接口) 连接形成微流网络，运用先进的批量制造技术可 以使制造成本降低( 图1 1 2 ) 。 到目前为止，研究人员利用微流控芯片进行了核酸、蛋白质、药物的快速鉴别【5 4 5 5 1 ， 在芯片上完成了样本预处理、微渗析、分离、测序、克隆等生化分析的重要步骤【5 6 6 0 1 。基 因分析、蛋白质分析、药物开发、临床医学等方面潜在的巨大商业价值驱动着微流芯片快 1 4 上海交通大学博士学位论文 速发展，可以预见，在不远的将来，微流芯片会象计算机一样走进千家万户。 图1 1 2 阵列化的渗析芯片 f i g u r el - l2a r r a y e dd i a l y s i sm i c r o f l u i d i cc h i p 1 4 本论文的研究意义及主要研究内容 1 4 1 研究目的及意义 聚合物微流控芯片具有加工成型方便、价格便宜等优点，是目前研究的热点。热压成 形技术以其灵活性强，成本低的显著特点适应了微流控芯片的发展，得到广泛的应用。因 此对微通道成形金属模具的制备、热压成型工艺参数的选取和优化，以及微通道封装工艺 的研究有着重要的学术意义和实用价值。本研究的目的在于制作出侧壁垂直，表面光滑的 塑料微流控芯片的热压金属模具，用于芯片的热压成形。热压成形及键合工艺是制作芯片 的关键技术，因此对它们的研究是本文研究的重要组成部分。 1 4 2 研究内容 本论文的主要研究内容包括聚合物微流控芯片金属模具制作工艺研究、微通道热压成 型工艺研究以及微通道键合工艺研究。论文分成七章，第一章绪论，主要介绍聚合物微流 控芯片的制作工艺，包括微通道成型工艺、热压成型模具制备工艺以及微通道封装工艺的 第一章绪论 研究现状及发展趋势。第二章主要介绍了毛细管电泳原理及基本概念。第三章针对 u v l i g a 技术存在的不足，提出了p d m s 技术制备金属模具，该工艺是利用s u - 8 光刻胶 浇注p d m s 微通道，然后以p d m s 为模板进行微电铸制备金属模具。本章详细讨论了该 技术的工艺流程，并对影响金属模具质量的因素进行了研究。第四章对热压成型工艺进行 了研究，包括各种材料的流变性能，热压成型工艺参数的选取及优化。并应用有限元分析 软件d e f o r m ，对热压成型工艺进行了计算机仿真研究，分析了温度、压力和时间对模 压效果的影响。在第五章中，提出了p m m a 微流控芯片的低温封装方法，该方法在低于 玻璃化转变温度下进行封装，并对封装机理进行了讨论。另外，本章提出了一种改进的 p d m s 膜封装方法，该方法可以耐更高的压力，而且适用于各种聚合物材料，具有通用性。 第六章主要介绍了p d m s 玻璃复合结构微流控芯片的制作方法。提出了一种