微流控芯片PPT课件

2021
13
1.4 芯片制作环境
由于微流控芯片基本组成单元的微米 尺寸结构，要求在制备过程中必须对环境 进行严格认真的控制。这里所涉及的环境 指标通常包括：空气温度、空气湿度、空 气及制备过程所使用的各种介质中的颗粒 密度。芯片制作较高的环境要求一般需要 在洁净室内才能达到。一般洁净室设计由 更衣室、风淋室、缓冲间和超净室组成。
1
微流控分析芯片材料
2
微流控芯片加工方法
3
微流控芯片键合方法
4 普通实验室玻璃芯片的简易加工技术
5 普通实验室PDMS芯片的简易加工技术
2021
3
1 微流控分析芯片材料
硅材料
玻璃石英
有机聚合物
2021
4
1.1 硅材料
在微电子学发展的过程中，硅的微细加工 技术已趋成熟。在硅片上可使用光刻技术高精 度地复制二维图形，并可使用制备集成电路的 成熟工艺进行加工及批量生产。即使复杂的三 维结构，也可以用整体和表面微加工技术进行 高精度的复制。因此，它首先被用于制作微流 控分析芯片。
2021
21
掩模制备
通常的用于微电子行业的掩膜材料有镀 铬玻璃板或镀铬石英板，在它们表面均匀地 涂上一层对光敏感的光胶。用计算机制图软 件绘制微流控芯片的设计图形，再通过专用 的接口电路控制图形发生器进行光刻，可在 掩膜材料上得到所需的图形。图形发生器相 当于一架特殊的照相机。与一般照相机不同 的是这种照相机并不是由外界物体的光线通 过物镜在底片上成像，而是接受来自计算机 的输入数据成像。
2021
10
在所采用的分析条件下材料应是惰性的
有机聚合物能溶于某些有机溶剂中，例如聚甲基丙烯 酸甲酯（PMMA）的微结构在乙腈中会发生溶胀、塌陷甚 至堵塞等现象，而它对高浓度的甲醇则是惰性的。因此选 择聚合物材料时要考虑芯片材料和可能使用的有机溶剂间 的相容性。
材料应有良好电绝缘性和热性能
微芯片在分析时如用到电泳分离，材料应有良好的电
2021
5
1.1 硅材料
优点
具有良好的化学惰性和热稳定性 良好的光洁度，加工工艺成熟, 可用于制作聚合物芯片的模具等
缺点
易碎，价格贵 不能透过紫外光 电绝缘性能不够好 表面化学行为较复杂
2021
6
1.2 玻璃石英
优点 缺点
很好的电渗性质 优良的光学性质 可用化学方法进行表面改性 可用光刻和蚀刻技术进行加工 难以得到深宽比大的通道 加工成本较高 封接难度较大
2021
9
聚合物材料应有良好的光学性质
能透过可见光与紫外光，入射光不能产生显著的背 景信号。例如使用激光荧光法检测时，要注意芯片材料 的本底荧光要尽量低。使用高本底荧光的芯片材料会引 起信噪比降低和检测下限升高。
聚合物材料应容易被加工
不同的加工方法对聚合物材料的可加工性有不同的
要求。例如，用激光烧蚀法加工芯片时，聚合物材料 应能吸收激光辐射，并在激光照射下降解成气体。热 压法加工时要求芯片材料具有热塑性。而模塑法用的 高分子材料应具有低黏度，低固化温度，在重力作用 下，可充满模具上的微通道和凹槽等处。
11
聚合物材料的表面要有合适的修饰改性方法
用于制作微流控芯片的高分子聚合物主要有三类：热塑 性聚合物、固化型聚合物和溶剂挥发型聚合物。
热塑性聚合物有聚酰胺、聚甲基丙烯酰甲酯、聚碳酸酯、 聚丙乙烯等；
固化型聚合物有聚二甲基硅氧烷（PDMS）、环氧树脂 和聚氨酯等，它们与固化剂混合后，经过一段时间固化变 硬后得到微流控芯片；
溶剂挥发型聚合物有丙烯酸、橡胶和氟塑料等，将它们 溶于适当的溶剂后，通过缓慢地挥发去溶剂而得到芯片。
2021
源自文库12
1.3.2 聚二甲基硅氧烷（PDMS）
优点 缺点
能重复可逆变形 能用模塑法高保真地复制微芯片 能透过300nm以上的紫外和可见光 耐用且有一定的化学惰性 无毒、价廉 表面可进行多种改性修饰 不耐高温 导热系数低
绝缘性以避免被高压击穿。散热性能好的材料有利于焦耳
热的散发。随着微通道和微结构的尺寸下降，焦耳热散发
能力随之增加，因此有机聚合物的导热能力在微尺度时重
要性也降低。芯片中的化学反应需要在高温下进行时，就
必须考虑芯片材料的耐热性，如PCR扩增用微流控芯片的
材料要能承受DNA片段变性时所需的95℃高温。
2021
2021
19
2.1.1 光刻掩模
光刻掩模的基本功能是当光线照射其上时，图形区 和非图形区对光线的吸收和透射能力不同。通过曝光 成像的原理，可将光刻掩模上的图形转移到基片表面 的光胶层上。
2021
20
对掩模的要求
• 掩模的图形区和非图形区对光线的 吸收或透射的反差要尽量大 • 掩模的缺陷如针孔、断条、桥连、 脏点和线条的凹凸等要尽量少 • 掩模的图形精度要高
光刻蚀技术由薄膜沉积、光刻和刻蚀三个工序组成。
光胶层 薄膜
2021
18
光刻蚀的基本工序
薄膜沉积：光刻前先在基片表面覆盖一 一层薄膜，薄膜的厚度为数Å到 几十微米，这一工艺过程叫薄膜沉积。 光刻：在薄膜表面用甩胶机均匀地覆盖上一层光 胶。将光刻掩模上微流控芯片设计图案通过曝光 成像的原理转移到光胶层上的工艺过程称为光刻。 刻蚀：是将光胶层上的平面二维图形转移到薄膜 上并进而在基片上加工成一定深度微结构的工艺。 选用适当的刻蚀剂，使它对光胶、薄膜和基片材 料的腐蚀速度不同，可以在薄膜或基片上产生所 需的微结构。
2021
14
实验室洁净标准
2021
15
2021
16
2 微流控芯片加工方法
➢光刻法 ➢模塑法 ➢热压法 ➢LIGA技术 ➢激光烧蚀法 ➢软光刻
2021
17
2.1 光刻蚀
微流控分析芯片上微通道的制作，起源于制作半导体及集 成电路芯片所广泛使用的光刻和蚀刻技术。光刻蚀是用光胶、 掩模和紫外光进行微制造，它的工艺成熟，已广泛用于硅、 玻璃和石英基片上制作微结构。
2021
7
1.3 有机聚合物
优点 缺点
成本低、品种多 能通过可见与紫外光 可用化学方法进行表面改性 易加工得到宽深比大的通道 可廉价大量地生产 不耐高温 导热系数低 表面改性的方法尚不够成熟
2021
8
1.3.1 选择聚合物材料的原则
聚合物材料应有良好的光学性质 聚合物材料应容易被加工 在所采用的分析条件下材料应是惰性的 材料应有良好电绝缘性和热性能 聚合物材料的表面要有合适的修饰改性方法
微流控芯片相关制备技术
孙
珊
2012.05.08
2021
1
芯片是微流控芯片实验室的核心， 微流控芯片的研究涉及芯片的材料、尺 寸、设计、加工和表面修饰等。了解芯 片制备的全过程，体会芯片设计的重要 性，是微流控芯片研究工作的基础。未 来芯片实验室领域的竞争首先将是芯片 设计和制造的竞争。
2021
2
Contents