《微流控·博士公開課》第一期：聚合物微流控芯片加工技術（上）

2018-05-08 15:00:42 蘇州汶顥微流控技術股份有限公司已讀

微流控技術是下一代醫療診斷顛覆性技術，2003年被福布斯(Forbes)雜志評為影響人類未來15件最重要的發明之一。通過在固體芯片表面構建微型的反應和分析單元，可以實現對無機離子、有機物質、核酸、蛋白質和其他生化組份快速、準確的檢測，所以也稱微流控芯片為“芯片上的實驗室”(Lab on a chip)。

微流控加工方法基于傳統MEMS微加工技術，所使用的材料包括硅、玻璃（石英）、有機聚合物等，其中聚合物由于以下特點得到了廣泛應用：

1. 低成本和易加工性

2. 光學透明性

3. 化學惰性和電絕緣性

4. 表面可修飾性和可密封性

廣泛應用于微流控芯片的聚合物有彈性體PDMS，硬質塑料PMMA、PC、COC、COP等。

聚合物的微加工方法可分為兩類，一為直接加工技術，如微機械加工，光刻等，二為基于微模具的復制技術，其中微模具多為第一類直接加工技術得來。而對于聚合物微流控芯片，直接加工方式運用在批量生產中成本高，基于微模具的復制技術分為以下幾類：

1.PDMS澆注技術

PDMS（聚二甲基硅氧烷）作為一種高分子有機硅化合物。具有光學透明，且在一般情況下，被認為是惰性，無毒，不易燃，是最廣泛使用的硅為基礎的有機聚合物材料，因其成本低，使用簡單，同硅片之間具有良好的粘附性，廣泛應用于微流控領域。

PDMS具有熱固性，在制造或成型過程的前期為液態，固化后即不溶不熔，也不能再次熱熔或軟化。PDMS澆注操作方便，以此為基礎開發的軟光刻、微接觸印刷等技術在微流控芯片加工中得到了推廣應用。

圖1 PDMS翻模操作

2. 熱壓(Hot Embossing)技術

熱壓成型技術是當前在學術研究領域里最為常用的復制聚合物微結構的加工技術，應用了材料的熱塑性，其加工過程主要包含以下步驟：

(1)聚合物基片（圓盤或薄片）放置在熱壓裝置中，并在真空環境下使溫度達到聚合物的玻璃化轉變溫度；

(2)壓頭同樣被加熱到相同（或略高于玻璃化轉變溫度）；

(3)壓頭一般以一定的壓力壓入聚合物基片，該壓力的大小取決于聚合物基片的結構設計、基片的材料以及壓頭的材料；

(4)壓頭和基片勻速降溫到玻璃化轉變溫度以下，然后再進行分離（或開模），得到制品的微結構。

圖2 熱壓成型的流程

圖3 典型的熱壓成型參數圖

雖然在工業界并不是很看好該項技術，但對于有些結構，熱壓是惟一的合理解決方案，而通過一些技術，也可以做到可控的商業化。

熱壓成型的優勢在于方便平板類零件的大面積成型，且無需復雜的模具，設備成本低，但最大的問題在于效率，因為升溫和降溫的過程需要耗費大量時間。

北京化工大學的Daming Wu等改進了工藝，將模具壓頭保持一個預設的較高溫度，脫模后散熱，極大的提高了效率，但也增加工藝復雜性，導致工藝不穩定的問題。

為了使熱壓成型進一步批量化，卷對卷（roll to roll）熱壓成型稱為近階段的研究熱點。如圖5尤其對于柔性器件大批量制造有很強的優勢。

圖4 改進的熱壓成型工藝參數

圖5 卷對卷熱壓成型概念圖

3. 注塑(Injection Molding)

到目前為止，在微觀領域最廣泛制備聚合物的加工過程就是注塑成型，也是工業界的優先選擇。注塑成型也稱注射成型、注射模塑成型等，是聚合物高效、高精度、批量復制方法，該項技術也擴展應用到了金屬、陶瓷粉末注射成型。注塑成型還發展出了眾多類似技術，比如反應注射成型（Reaction Injection Molding）、微發泡注塑成型（Microcellular Injection molding）、微擠出成型（Micro Extrusion Molding）等。

注塑成型，也簡稱微成型，是LIGA工藝的重要一環。注塑成型方法的優點是生產速度快、效率高，操作可實現自動化，花色品種多，形狀可以由簡到繁，尺寸可以由大到小，而且制品尺寸精確，能成形狀復雜的制件。

注射成型過程大致可分為合模、射膠、保壓、冷卻、開模、制品取出等階段，上述工藝反復進行，就可批量周期性生產出制品。

圖6 注塑成型的流程