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微流控芯片加工:PDMS软刻蚀技术和聚合物成型介绍

微流控芯片大致可以分为三种类型:PDMS芯片、聚合物芯片(COC、PMMA、PC等)和玻璃芯片。三种不同类型的芯片各有不同的加工方法。本文主要介绍PDMS芯片加工的软光刻/软刻蚀技术(soft lithography technique)和聚合物成型技术

什么是PDMS软刻蚀技术?

软刻蚀技术可以被看做光刻技术的一种扩展延伸。最初,标准的光刻技术在微电子企业中主要被用来处理半导体材料。光刻技术从本质上讲非常适合用来处理光刻胶。因此,大部分微流控器件仍旧使用光刻技术来加工SU-8模板,集成微结构的PDMS层的加工过程如图1所示。

集成微结构的PDMS层的加工过程

1 集成微结构的PDMS层的加工过程[1]。图中(a)-(d)对应通过光刻技术加工硬质模板的过程。图中(e)-(f)可以被认为是软刻蚀过程的一部分。

软刻蚀技术扩展了传统光刻技术的可能性。不同于光刻技术,软刻蚀技术可用于加工处理广泛的弹性材料例如机械软材料。由于涉及的材料具有一定的“柔软性”,这就是为什么这种刻蚀技术使用“soft”这个单词。软刻蚀技术非常适合用于聚合物、凝胶以及有机单层材料。PDMS材料具有许多非常优异的特性如廉价、生物兼容性、低毒性、化学惰性、多种多样的表面化学绝缘性以及机械灵活性和耐久性等,因此,其在软刻蚀应用中被广泛的大量使用。此外,PDMS很容易被操控和加工,所以,仅需要很少的仪器设备便可加工PDMS器件。

应该注意的是属于软刻蚀技术并不是指一个独特的加工技术。软刻蚀技术实际上包含了许多的加工方法,这种加工方法全部是基于使用类似于图1f的PDMS模板层。为了方便提供一个简要的概述,如下部分将会介绍和软刻蚀技术相关的核心技术。

微流控芯片中的PDMS软刻蚀技术

软刻蚀技术的第一个基本特性是获得密封的微流控器件。典型的情形是,压印在PDMS层上微通道紧密的与玻璃片结合在一起,请见如下图2。另外一种情况是另外一片没有通道的PDMS片与带有微通道的PDMS层紧密的结合在一起。PDMS键合可以使PDMS层和玻璃形成牢固的、永久的结合。这种牢固的结合可以通过plasma bonding来实现。当微通道经过合适的密封后,流体或溶液可以在高达约350 kPa的压力下被推进到通道内而不会损坏微通道。

图2 微流控芯片的加工:集成微通道的PDMS层被密封在玻璃片上

2 微流控芯片的加工:集成微通道的PDMS层被密封在玻璃片上

PDMS软刻蚀技术:复制压模/成形(Replica Molding)

在复制成形过程中,PDMS图案层被用作软模具,图案层随后会被聚合物覆盖。固化后,聚合物从PDMS模具中分离。和光刻技术中使用的硬模板类似,PDMS模具的起始图案被压印在聚合物的表面。然而,复制成形技术允许在多种材料上形成图案,例如,生物相容性的聚合物材料琼脂或琼脂糖可以通过复制成形技术来形成所需要的图案。此外,复制成形技术还可以一次性的复制3D结构并且相同的PDMS模具可以重复使用许多次。

图3 复制成形技术的过程

3 复制成形技术的过程

PDMS软刻蚀技术:毛细管成形

毛细管成形是使用带有图案的PDMS作为模具的第二种技术。PDMS层的图案必须首先接触基底如玻璃片,然后使用毛细管成形技术来把液态的聚合物填充到PDMS模具的图案内。正如毛细管成形技术暗示的那样,利用毛细现象来逐步的填充图案。作为替代方案,也可以使用抽吸的方法把液体聚合物填充到图案内。聚合物固化以后,可以轻轻的移除PDMS,随后,基底的表面上就会留下坚固的固体微结构。

图4 毛细管成形技术的过程

4 毛细管成形技术的过程

PDMS软刻蚀技术:微接触印刷

在微接触印刷技术中,PDMS层被用作一个印章。PDMS层首先被浸入在分子“墨水”中,然后再与基底相接处以便把“墨水”转移到基底的表面。在微接触印刷技术中,只有来自PDMS印章的凸起表面的“墨水”才会被转移到基底上。各种“墨水”如小分子、蛋白质或者细胞悬浮液等都可以用于微接触印刷。

图 5 微接触印刷技术的过程

5 微接触印刷技术的过程

PDMS软刻蚀技术:转移微模塑

在转移微模塑技术中,PDMS层的图案化表面被液态聚合物填充。当移除多余的聚合物以后,把PDMS层进行倒置然后使其与基底接触。然后进行固化,待聚合物固化后,小心谨慎的剥离PDMS层,随后就会在基底的表面上留下特征尺寸小到1μm的坚固的固体微结构。和复制成形技术类似,相同的PDMS层可以被填充许多次。

图6 转移微模塑技术的过程

6 转移微模塑技术的过程

参考文献

[1] D. B. Weibel, W. R. DiLuzo and G. M. Whitesides, Microfabrication meets microbiology, Nature Rev. Microbiol., 2007, 5 (3): 208-218.

[2] G. M. Whitesides and A. D. Stroock, Flexible method for microfluidics, Phys. Today, 2001, 54: 42-46.



标签:   PDMS软刻蚀技术 聚合物成型