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低成本微流控芯片加工方法

 选取了常用的低成本微流控芯片加工方法进行介绍。

微模塑成型 

由于PDMS材料在微流控芯片加工领域的广泛应用,基于PDMS的微模塑成型成为目前最为常见的微流控芯片加工方法。其中,使用SU-8光刻胶作为模具对PDMS进行模塑成型较为常见,将SU-8光刻胶旋涂在硅片上并进行光刻,根据不同型号SU-8光刻胶和旋涂速度的控制,其厚度可以在十几到一两百微米范围内自由调节;将PDMS主剂与硬化剂10:1混合去除气泡后缓慢倾倒在SU-8微结构上,加热硬化;将PDMS从SU-8模具上小心揭取,模具可以重复使用;将PDMS与玻璃等基底材料进行氧等离子处理后键合。

激光烧蚀 

这里的激光烧蚀特指使用波长为10.6 μm的二氧化碳激光在聚合物材料表面进行烧蚀加工微流道的方法。使用激光烧蚀方法加工微流道,其优点在于:加工过程简单快捷,一次烧蚀即可完成加工;材料适用范围宽,大部分聚合物材料和玻璃等均可使用该方法在表面加工微流道。缺点在于:在聚合物材料材料表面加工的微流道内壁凹凸不平,存在大量气泡,可能需要通过化学方法进行处理;在聚合物材料表面加工流道两侧有熔融材料抛出再凝固形成的凸起,不利于后续键合;加工精度有限,仅适用于流道宽深度大于80 μm的应用。激光烧蚀方法在低成本微流控芯片领域的应用,目前还集中在单一聚合物材料应用上,从未来的发展方向看,其在基于可降解生物塑料、纸、导电塑料等材料的微流控芯片加工领域还有较大的发展空间。

2D/3D打印

2D打印指办公和实验场合常见的激光打印机、喷墨打印机、蜡打印机、丝网印刷等加工微流控芯片或微流控芯片倒膜模具的方法,3D打印是利用近来发展迅速的3D打印机直接打印微流控芯片或倒模模具的技术。2D打印微流控芯片通常应用在纸基微流控芯片中,通过疏水性墨水的浸透作用在亲水纸材料中包围形成微流道,图案精度由打印机精度或丝网网孔决定,通常在80~400 μm之间。此外,还可以利用喷墨打印或丝网印刷在玻璃或聚合物基底上直接沉积PDMS、SU-8等材质的微结构,形成微流控芯片;如果使用含有银纳米颗粒的导电墨水,还可在微流控芯片表面打印电极。图3(a)、图3(b)为丝网印刷的基本原理,通过丝网印刷方法加工的基于紫外感光介质浆料(5018A,Dupont,USA)的微流道和银电极。

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3 基于丝网印刷的微流控芯片


使用3D打印对微流控芯片进行加工,主要有微立体光刻(stereo-lithography)、熔融沉积成型(FDM)等方法,其中熔融沉积成型3D打印机由于价格相对低廉可用于低成本3D微流控芯片的加工。熔融沉积成型技术既可以直接打印PC、PLA、ABS(acrylonitrile butadience styrene)等材料制成3D微流控芯片,也可以打印用于PDMS倒模的模具。但目前商业化熔融沉积成型设备的精度在100~500 μm之间,距离大部分微流控芯片的应用需求还有一定差距,且适于微流控芯片使用的透明打印耗材选择有限,芯片加工速度与本文介绍的其他方法相比也较慢。

注塑成型 

注塑成型是在塑料加工领域使用广泛的加工方法,近年来伴随微注塑技术的发展,研究者开始尝试使用注塑成型的方法加工微流控芯片,常见的用于微流控芯片的注塑材料有PMMA、COC、PDMS等。传统上,使用注塑方法加工微流控芯片需先加工模具,耗时长且模具价格昂贵。在低成本微流控芯片加工中,有别于传统金属模具,Hansen T S等人使用加工在镍表面的SU-8光刻胶作为注塑模具,模具反复使用300次后制品质量稳定,显著降低了成本和模具加工时间。其优势在于重复性好、加工速度快、可以加工3D微流控芯片,适用于大规模微流控芯片的加工;缺点是灵活性差,芯片结构变动时需要重新开模,模具成本较高。

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