微流控芯片PPT课件

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。
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微流控芯片相关制备技术
孙
珊
2012.05.08
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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。
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Contents
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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
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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。
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。
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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
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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；
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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。
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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
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实验室洁净标准
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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
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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。
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
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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。
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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
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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
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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。
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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
பைடு நூலகம்
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
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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
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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。
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微流控分析芯片材料
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微流控芯片加工方法
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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
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1 微流控分析芯片材料
硅材料
玻璃石英
有机聚合物
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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。