基于镀膜玻璃微流控芯片制作工艺的研究-

1、第39卷第1期2011年2月福州大学学报(自然科学版Journal of Fuzhou University(Natural Science EditionVol39No1Feb2011【DOI】CNKI:351117/N201101261718000文章编号:10002243(201101014305基于镀膜玻璃微流控芯片制作工艺的研究王伟1,2,王宗文1,2,蔡建南1,2(1福州大学食品安全分析与检测技术教育部重点实验室,福建省食品安全分析与检测技术重点实验室,福建福州350002;2福州大学化学化工学院,福建福州350108摘要:开发了一种采用金属膜绿基玻璃作为芯片制作材料,在玻璃上旋涂

2、光刻胶层,制作微流控芯片的工艺针对光刻胶层不耐刻蚀液腐蚀的特点,优化了涂胶、匀胶、预烘、曝光、显影、坚膜等制作工艺步骤,使得制作工艺具有良好的稳定性自制玻璃微流控芯片的通道深度可以达到36m,宽度可以达到150m,最大有效直线长度可达150mm,芯片具有优良的性能工艺的开发节约了实验资源,提高了芯片设计的灵活性和多样性关键词:微流控芯片;光刻胶;镀膜玻璃中图分类号:O6578文献标识码:AStudy on fabrication technology of microfluidic chip with coated glassWANG Wei1,2,WANG Zongwen1,2,CAI Ji

3、annan1,2(1Ministry of Education Key Laboratory of Analysis and Detection for Food Safety,Fujian Provincial Key Laboratory of Analysis and Detection Technology for Food Safety,Fuzhou,Fujian350002,China;2College of Chemistry and Chemical Engineering,Fuzhou University,Fuzhou,Fujian350108,China Abstract

4、:This paper describes a fabrication technology of microfluidic chip by spincoating photore-sist on metal film coated glassThe fabrication steps,including smearing,spincoating,prebak-ing,exposure,development and rebaking,were optimized to increase the ability of corrosionresist-ance for photoresist l

5、ayerThe optimization made fabrication technology stableThe channel in mi-crofluidic chip could get36m depth,150m width and150mm lengthThe glass microfluidic chipshowed good performanceThe development of fabrication technology saved the cost of microchip fabri-cation and improved the flexibility in m

6、icrofluidic chip fabrication and diversity in pattern designKeywords:microfluidic chip;photoresist;coated glass0引言自从上个世纪90年代Manz提出微全分析系统(miniaturized total analysis system,TAS的概念以来1,作为TAS的重要组成部分,微流控芯片技术得到了迅速的发展常见的微流控芯片主要由玻璃和高分子材料制作而成25,玻璃芯片的刚性内通道由于具有耐腐蚀和不易吸附样品等优点,得到了广泛的应用玻璃芯片通常经由光刻、湿法腐蚀和键合等工序制作而成611

7、,这种工艺较稳定且易于控制,因此一直延用至今,并不断得到完善和改进12,13现在的玻璃芯片已经商品化进口芯片的价格较高,从订制到收货,周期很长,不利于实验效率的提高国内的微流控芯片商品主要由各研究院所和高校在实验室制作得到在国内制作的玻璃芯片,大多数是采用直接购买的商品化的匀胶铬版为材料,通过湿法刻蚀,高温键合等工艺加工而成商品化的匀胶铬版价格昂贵,而且铬版的尺寸大小固定,不利于在芯片上加工更多的元件和制作更长的直线型通道为了提高实验的效率,节省实验资源,拓展设计的多样性,开发一种采用普通的,易得到的玻璃制作微流控芯片的技术十分重要收稿日期:20100519通讯作者:王伟(1975,助理研究员

8、,Email:weiwangfzueducn基金项目:国家自然科学基金资助项目(20805007;福建省自然科学基金资助项目(2010J01034福州大学学报(自然科学版第39卷商品化的匀胶铬版主要由玻璃和镀在上面的铬层和光刻胶层三个部分组成,其中铬层是作为牺牲层,作用是在湿法刻蚀中保护下面的玻璃不被腐蚀,以保持通道图形的精确14光刻胶层(正型胶在曝光中,光照的部分会产生化学反应,这些部分可以被洗去,最后掩膜上的图形就会转移到光刻胶层上来对于刻蚀深度比较深的芯片而言,牺牲层是必不可少的,因为光刻胶层不耐刻蚀液,牺牲层的存在可以在较长的时间内阻止刻蚀液接触到玻璃,从而获得较深的通道牺牲层的材料通

9、常是金属,通过真空镀膜的方式结合到玻璃表面上,因此,从实验室制作带铬层的玻璃对设备的要求比较高15,如果能采用市场上现有的镀膜玻璃作为芯片制作材料,则能极大提高芯片制作工艺的效率目前市面上常见的金属膜玻璃主要作用为防光照和防紫外线,这种镀层通常由铝合金购成,并被大规模工业化生产,材料易得到,价格低廉,可以作为芯片的制作材料研究了在镀膜玻璃上旋涂光刻胶层,并制作微流控芯片的工艺在旋涂光刻胶层的玻璃上面制作芯片的工艺中,最大的困难之一是光刻胶层不耐刻蚀液的腐蚀,在很短的时间内,光刻胶层就会浮起起胶,由于光刻胶层的浮起,刻蚀液就直接接触到了玻璃或牺牲层,从而产生针孔为此,优化了光刻胶的旋涂工艺,如匀

10、胶机的转速,转动时间,坚膜时间,坚膜温度,曝光时间和预烘时间等,让光刻胶层能在最长的时间内阻止刻蚀液穿透胶层,避免起胶最后在最优化的旋涂光刻胶膜的条件下制作微流控芯片并进行表征1实验部分11仪器与试剂LC 3D 安培检测器(Bioanalytical System ,West Lafayette ,IN ,USA 、HW 2000型色谱工作站(上海千谱软件有限公司、高压电源(山东师范大学化学化工与材料科学学院、紫外灯(余姚市光源电器厂、滴管、培养皿、KW 4A 型两段转速台式匀胶机(中国科学院微电子研究所、电热恒温干燥箱(GZX DH 300,上海跃进仪器厂、箱式电阻炉(X2512,上海跃进仪

11、器厂Philips XL 30扫描电镜(Phil-ips ,Eindhoven ,The Netherlands 用于从芯片通道的切面测量通道参数市售金属膜绿基玻璃片(华尔润集团,江苏,厚度:4mm ,BP 218正型光刻胶(北京化学试剂研究所,多巴胺(DA 和儿茶酚(CA 购自于Sigma 公司(St Louis MO ,USA 显影液的配制:06%的NaOH 溶液玻璃腐蚀液的配制:666mL 40%的HF 与1333g NH 4F 溶于400mL 蒸馏水中去光胶溶液的配制:5%NaOH 溶液金属层去除液的配制:玻璃腐蚀液与6mol ·L 1HCL 的等体积混合12掩膜制作与管道的

12、设计使用计算机辅助设计软件Coreldraw11设计出芯片上微流体通道的布局,并用精密激光照排机打印出掩膜13微流控芯片的制作步骤玻璃微流控芯片的主要制作步骤如图1所示 图1玻璃芯片的制作步骤Fig1The process of microfluidic chip fabrication2结果与讨论21微流控芯片制作步骤的优化211玻璃表面的清洗玻璃先用洗洁精清洗,接着用自来水冲洗,然后在洁净室中,再用二次水冲洗,最后用吹风机吹干备用212匀胶在吹干后干净的玻璃表面滴上光刻胶,用玻棒抹平,放入匀胶机的托盘中,盖上隔离装置,通电甩·441·第1期王伟,等:基于镀膜玻璃微流控芯

13、片制作工艺的研究胶转速越大,光刻胶涂得越均匀,但转速太大时,胶层厚度太薄,溶胀较快,将导致胶层对刻蚀液耐受力时间减短转速太慢,光胶不能很好附着在玻璃上面,胶层不牢固,容易起胶实验所使用的匀胶机共有两个匀胶时段和相应的转速范围固定第一时段转速为650r ·min 1,第二时段转速为2100r ·min 1,匀肢时间10s ,预烘时间20min ,预烘温度135,曝光时间27min ,显影后的坚膜时间30min改变第一时段匀胶时间从6 18s ,结果发现,随着转动时间的增加胶层对刻蚀液的耐受时间也增加,当转动时间为12s 时,胶层耐受力最好,当转动时间超过12s 时,胶层耐受力

14、反而下降,说明过长的匀胶时间使得胶层变得太薄,见图2最后,选择12s 作为第一时段的匀胶时间固定第一时段的转动时间为12s ,改变转速从450 850r ·min 1,发现胶层的耐受力随着转速的提高而提高,当转速达到650r ·min 1时,胶层具有最高的耐受时间,再加大转速,耐受时间急剧减少,说明高转速不利于厚胶层的形成,最后选择第一时段的转速为650r ·min 1在第二时段快转速下,固定转速为2100r ·min 1,当匀胶时间少于10s 时,胶层不均匀,改变匀胶时间,从10 30s ,结果发现,随着转动时间的增加胶层对刻蚀液的耐受时间减少了,当转

15、动时间为10s 时,胶层耐受力最好,说明厚的胶层有利于提高胶层耐受力,见图3最后,选择10s 作为第二时段的匀胶时间接着固定第二时段的转动时间为10s ,改变转速从1200 2800r ·min 1,结果发现胶层的耐受力随着转速的提高而提高,当转速达到1900r ·min 1时,胶层具有最高的耐受时间,再加大转速,耐受时间急剧减少,说明高转速不利于厚胶层的形成,最后选择第二段的转速为1900r ·min 1 图2第一时段匀胶时间对胶层耐受时间的影响Fig2Effects of the spin coating time for stage on the durat

16、ion of photoresist layer 图3第二时段匀胶时间对胶层耐受时间的影响Fig3Effects of the spin coating time for stage on the duration of photoresist layer213 预烘图4预烘时间对胶层耐受时间的影响Fig4Effects of the pre baking time on the duration of photoresist layer 将旋涂好光刻胶的玻璃马上放到温度为135的烘箱里烘烤,使胶膜当中的有机溶剂充分挥发,增加胶层与玻璃的黏附性和胶层的耐磨性当预烘时间超过20min 时,粘附强

17、度开始下降,胶层对刻蚀液的耐受时间减少,见图4最后选择20min 为最佳预烘时间214曝光将掩膜放在涂好光胶的玻璃上,上面再放几片干净的玻璃片(不要盖住管道,压实掩膜和玻璃的接触面,用紫外灯(8W 3照射曝光,优化曝光时间为24min ,以下实验的曝光时间均为24min215显影将曝光后的玻璃片放入显影液中,曝光部分迅速脱落溶解,呈现管道图形显影后,先用二次水,小心冲洗表面的碱液,再用吹风机吹干;显出金属层后,用金属层去除液再浸泡30s ,去除通道部分的金属层,接着用二次水冲洗干净并吹干·541·福州大学学报(自然科学版第39卷216坚膜显影后,管道两侧的光胶层浸泡的时间不

18、宜太长,如果直接把显影完的玻璃片进行刻蚀,那么,光胶层极易溶胀因此,要在烘箱里烘干,随着坚膜时间的增加,光刻胶与金属膜的粘附强度进一步增加;当达到25min 后,粘附强度达到最大,从而刻蚀时间达到最长,见图5后面实验均选择坚膜时间为25min随着坚膜温度的增加,光刻胶与金属膜的粘附强度逐渐增加;当温度达到135时,达到了粘附强度的最高点,从而使刻蚀时间达到最大,见图6,最后选择坚膜温度为135 图5坚膜时间对胶层耐受时间的影响Fig5Effects of the rebaking time on theduration of photoresist layer 图6坚膜温度对胶层耐受时间的影响

19、Fig6Effects of the rebaking temperature on the duration of photoresist layer217刻蚀将上述玻璃片放入玻璃腐蚀液,一定时间后,取出洗净用5%NaOH 洗去光胶,然后取出玻璃片并洗涤干净218打孔取另一片无镀膜的绿基玻璃,在相应的位置打孔打孔时,可在打孔的位置加上几滴水,起润滑和导热的作用玻璃片底下垫个木板,慢速打孔,可提高成功率219键合二次水洗后,将已洗净的基片和盖片紧密贴合,在150恒温2h ,赶走两片之间的水分,冷却至室温准备键合将加工好的基片和相同材质的盖片洗净烘干对齐紧贴后平放在高温炉中的石墨片上,升温过程1

20、00200300350400450500550565,每个温度点恒温10min ,400恒温2h ,565恒温3h然后关闭电源,自然冷却 图7金属膜绿基玻璃芯片通道图Fig7Channels in the microfluidic chip fabricatedwith metal film coated glass 图8DA 和CA 分离谱图Fig8Electrophoretogram of DA and CA22分离实验采用金属膜绿基玻璃制得的微流控芯片的深度可以达到36m ,宽度可以达到150m ,最大直线有效长度可以达到150mm制得的芯片通道图形见图7,其中芯片通道的顶宽为100m

21、,深为33m从图·641·第1期王伟,等:基于镀膜玻璃微流控芯片制作工艺的研究上可以看出,通道边缘部分平整,底部均匀,说明工艺条件良好将芯片(分离通道长86mm 安装在自制的安培检测装置上,结合铂圆盘电极16,在09V 检测电位,对浓度均为01mmol ·L 1的多巴胺(DA 和儿茶酚(CA 进行分离,结果见图8两个样品可以在150s 内得到分离,重复进样后,其中多巴胺的峰高RSD 为398%(n =5,迁移时间RSD 为420%(n =5,说明芯片具有良好的重现性,并能适用于样品的分离3结语以易得到的金属膜绿基玻璃作为芯片制作材料,利用匀胶机,在玻璃的表面旋涂上

22、光刻胶层针对光刻胶层不耐刻蚀液腐蚀的特点,优化了芯片制作工艺应用开发得到的芯片,对多巴胺和儿茶酚进行了分离,结果显示芯片可以适用于样品分离,并具有良好的重现性参考文献:1Manz A ,Graber N ,Widmer H MMiniaturized total chemical analysis systems :a novel concept for chemical sensing J SensActuators ,1990(B1:2442482Liu D ,Zhou X ,Zhong R ,et al Analysis of multiplex PCR fragments with P

23、MMA microchip J Talanta ,2006,68:6166223Wang W ,Xu X ,Bin Q ,et al A new method for fabrication of an integrated indium tin oxide electrode on electrophoresis micro-chips with amperometric detection and its application for determination of synephrine and hesperidin in pericarpium citri reticula-tae

24、J Electrophoresis ,2006,27:417441814Wang J ,Chen G ,Chatrathi M P ,et al Capillary electrophoresis microchip with a carbon nanotube modified electrochemicaldetector J Anal Chem ,2004,76:2983025Chen G ,Li J H ,Qu S ,et al Low temperature bonding of poly (methylmethacrylate electrophoresis microchips

25、by in situ poly-merisation J J Chromatogr :A ,2005,1094:1381476Harrison D J ,Fluri K ,Seiler K ,et al Micromachining a miniaturized capillary electrophoresis based chemical analysis systemon a chip J Science ,1993,261:8958977Harrison D J ,Manz A ,Fan Z ,et al Capillary electrophoresis and sample injection systems integrated on a planar glass chipJ Anal Chem ,1992,64:192819328Jacobson S C ,Hergenroder R ,Koutny L B ,et al High speed separations on a microchip J Anal Chem ,1994,66:111411189Mao X ,Luo Y ,Dai Z ,et al Integrated lectin affinity microfluidic chip for gl