用于微流控芯片的PDMS微混合器工艺和数值分析_陈实

的键合。阐述了微混合的机理, 用数值分析方法对三种形状微混合器进行了液体混合效率的分
析, 结果表明, 弯形管道特别是 Z 形管道, 由于惯性力在横截面上产生的二次流动能有效增大液体
间的微混合面积, 因而大大提高了液体混合的效率。
关 键 词: 软光刻; 聚二甲基硅氧烷; 复制- 压模 法; 混合效率
中图分类号: T N 305
为了分 析微混合 器形状 对液体 混合效 果的影 响, 利用 Fluent 软件对如下三种形状的微混合器进 行了流场计算和混合效率分析: T 形管、半圆形管和 Z 字形管( 图 3) 。首先用 Gambit 软件生成几何体并 划分网格、设置边界条件, 然后导入到 Fluent 中完成 计算。本文考察两种液体 a 和 b 的混合程度, 用混 合系数 G 表示: G( s) = Cm in/ Cmax, Cm in 和 C max分别 是液体 b 在通道某个横截面内最小和最大的质量分 数, s 是流程, 采用自然坐标系。考虑对称性, 假设两 种液体均具有同样的物理性质( 和纯水相同) , 只是 使用 a 和 b 加以区别。模 拟条件: 入口管道截面尺 寸 为 200 Lm @ 200 Lm, 混 合 管 道 截 面 尺 寸 为 400 Lm @ 200 Lm, 线性长度为 4 200 Lm, 入口平均 速度 v = 0107 m / s, 分子扩散系数 K= 10- 10 m2/ s。
掩模版由 Illustrator 软件绘制, 最小线宽和间距 不少于 20 Lm, 精度要求不是很高, 因此可用微机控 制打 印机( CD- 102- 4- cp2000, Heidelberg ) 在 胶片上 直接输出图形, 就可得到光刻用掩模版。
模具的制作采用软光刻工艺。首先在硅片上甩
收稿日期: 2006- 05- 29; 修订日期: 2006- 06- 28 作者简介: 陈实( 1981- ) , 男, 湖南人, 硕士, 主要研究方向为 M EM S 微流体。
第6期 2006 年 12 月
微细加工技术 M ICRO FABR ICA T ION T ECHNO LOG Y
文章编号: 1003- 8213( 2006) 06-0048- 04
l16 Dec1 , 2006
用于微流控芯片的 PDM S 微混合器工艺和数值分析
陈 实, 张卫平, 陈文元, 牛志强
文献标识 码: A
1 引言
自从 90 年 代初 瑞士 的 Manz 和 Widm er 提出 / 微 型 全分 析 系 统0 ( L- T AS, M icro T ot al Analysis Syst em) 以来[ 1- 2] , 微流控芯片已经成为了人们的研 究热点。微流控芯片以 M EM S 技术为基础, 将样本 驱动控制单元、处理单元、生化反应单元、检测单元 等集成在一块芯片上, 从而达到快速、准确、小剂量 反应与检测的目的。微混合器是微流控芯片的重要 组成部分之一, 流体混合速度的快慢和混合效率的 高低直接影响着生化反应结果的好坏。国内外已有 不少关于微混合器研究进展的报导, 叙述了不同形 状微 混 合 器 加工 工 艺 和 混 合效 果 的 数 值 模拟 方 法[ 3- 4] , 大体来说, 微混合器按混合方式可以分为主 动式和被动式两大类[ 5] 。本文提出的微混合器是依 靠改变微通道的外形来增大流体间微接触面积, 以 达到提高混合效率的目的, 是一种被动式微混合器。
3 微混合机制和仿真分析
微混合器中主要的混合机制是层流混合[ 11] , 根
图可知, 产生微混合的主要方式有两种: 对 流和分子扩散。对流是指不同流体相对位置的重新 分布, 从而使得流体之间达到混杂的状态, 是一个机 械过程, 由流体的运动特性决定; 分子扩散是由于分 子的热运动使流体从浓度高的区域向浓度低的区域 扩散, 是一个热力学过程, 由液体的热学特性决定。 被动式混合器通过设置特殊的几何形状来改变混合 腔中流场的分布, 使不同流体之间的接触面发生扭 曲变形, 在减小微扩散距离的同时增大了微扩散的 接触面积, 从而有效地提高了微尺度流动混合的效 率[ 12] 。
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2 微混合器的加工工艺研究
到目前为止, 微混合器的加工材料选择经历了 若干 个发展阶段, 从最初的硅 材料发展到玻 璃、石
英、金属和有机高分子聚合物。早期硅和玻璃使用 较多, 如用于 PCR 扩增的腔体和毛细 管电泳[ 6- 8] 。 硅材料由于工艺成熟、化学惰性和热稳定性良好, 首 先被 用于微流体管 道的加工, 但存在脆性大、成本 高、透光性差、表面化学行为复杂等缺陷; 玻璃虽然 透明, 但是其不定形性使得垂直方向上刻蚀难度较 大, 且封装工艺中要求高温或高电压, 不适合快速、 大批量的生产。
对于 T 形管道中液体的混合而言, 影响混合效 率的最大因素是液体分子的热扩散, 液体分子来不 及充分扩散已经通过管道, 因此, 液体之间形成了明
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微细加工技术
2006 年
图 5 直管道截面速度分布
( 如图 6 所示) , 在截面上壁面附近液体从微管道内 侧壁流向外侧壁, 在截面底部附近出现了从管道外 侧向内侧的流动, 流场呈顺时针方向分布, 二次流动 使液体以螺旋的形式向前流动, 两种液体之间的接 触面拉伸变形, 增大了微接触的面积, 大大提高了液 体混合的效率( 如图 7 和图 8 所示) 。
图 8 Z 形管道液体 b 质量分布图
图 9 三种微混合器混 合系数与流程 s 的 关系图
积增大, 混合效率大大提高, G 约为 50% ~ 60% 。因 此, 在本文所设定的模拟条件下, Z 形管更有利于液 体的快速混合。模拟结果对用于微流控芯片的微混 合器形状设计具有指导意义。
4 结论
本文介绍了使用软光刻法和紫外光键合技术制 作高分子聚合物 P DMS 被动微混合器的工艺。为得 到较为优化的微混合器结构, 利用数值方法对三种 类型的微管道以及两种流体混合的情形进行了仿真 计算, 分析了混合效率系数随流程变化的情况, 得出 了 Z 字形混合器具有较高混合效率的结论。在不同 流速和雷诺数下液体的混合效率还有待进一步的分析。
本研究采用高分子聚合物 P DMS 来制作微流体 管道。PDMS 中文名为聚二甲基硅氧烷, 具有价格 便宜、透光性好、生物兼容性好、易于封装等特性, 通 过紫外光照射改性, 可以使材料的憎水性得到较好 的改善[ 9] 。模 具采用 SU- 8 100 型负胶( 美国Micro Chem 公司) , SU- 8 胶是一种负性、环氧树脂型、近紫 外线光刻胶, 曝光后能得到侧壁陡直、高深宽比的图 形, 而且具有良好的力学性能、抗化学腐蚀性和热稳 定性。 211 SU- 8 微模具的制作
第6期
陈实等: 用于微流控芯片的 PDM S 微混合器工艺和数值分析
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个微 流 体 系 统的 设 计、制 造、实 验 和 应 用 有待 于 MEMS 技术及其相关技术的进一步发展。今后微混 合器技术的研究重点将主要集中在微混合理论的发 展、新型材料的应用和加工、与微流体器件的集成和 封装、混合器外形设计优化和产品产业化等方面。
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微混合器的研究工作到目前为止已经取得了很 大的进展, 但是微流体运动和混合的基础理论还很 不成熟, 诸如边界形条件、尺度效应、表面效应和多 相流等问题还未得到很好的解决, 微混合器乃至整
参考文献:
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把 PDMS 树脂和凝固剂( 罗迪亚公司, V- 3040A 和 V- 3040B) 按照体积比 10B1 的比例均匀混合, 然 后置于真空箱内脱气泡 30 m in~ 50 min, 将胶体浇 铸到含模具的硅片表面, 接着固化, 烘箱内 65 e 烘 约 4 h, 完成后, 将其从模具上揭下, 得到含有与模具 相同图形的 PDMS 基底( 如图 1 所示) 。
将 PDMS 基底用无水乙醇、去离子水清洗干净 后, 放置在 ZF- Ò 型紫 外分析 仪( 三 个波长 分别为 254 nm, 320 nm 和 365 nm) 下照射约 3 h, 然后与清 洗过的玻璃片贴合在一起, 并施加一定的压力, 再将 其置于对流烘箱内 70 e 下烘 12 h, 即可完成 P DMS 和玻璃片的完全键合。整个工艺过程如图 2 所示。
图 7 半圆形管道液体 b 质量分布图
模拟结果得到了三种形状微混合器的混合系数 G 和流程 s 的关系, 如图 9 所示。由图可见, 在相同 流程 s 的情况下, Z 形管混合效率最高, 半圆形管次 之, T 形管最低。在出口端, T 形管 的混合 效率最 低 , G只有10% 左右; 半圆管和Z形管由于微接触面