热压法快速制作微流控芯片模具

自从Harrison等首次将芯片毛细管电泳技术应用于生物样品的分离以来,微流控芯片 (microfluidicchip)技术得到了飞速发展,在许多领域得到了广泛的应用。近几年,聚二甲基硅 氧烷(PDMS)由于容易聚合成形、易脱模、键合强 度高、光学性能优等诸多优点,已成为微流控器件的重要材料。

PDMS微流控芯片主要采用在模具上浇铸预聚体,加热聚合后脱模的方法进行制作,整个流程需要数小时,耗时较长。因此,PDMS微流控芯 片的批量生产需要大量的高质量模具,快速并批 量制备芯片模具的工艺技术成为关键。目前应用 于 PDMS 芯片制作的模具材料主要有光刻胶、 硅、不锈钢、金属 Ni及 PDMS等。这些材料所制作的模具或容易损坏,或制备周期较长,均无法满足PDMS微流控芯片批量制作的需要。(汶颢提供PDMS批量注塑成型机：http://www.whchip.com/yqsb/zscx.html ）

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料的成形收 缩率一般为0.5%~0.7%,且其表面对SiO2基底不粘附,容易脱模,在微纳米技术领域,如 LIGA 和纳米压印光刻(nanoimprintlithography,NIL) 等技术中被用于微纳米结构的高精度复制[。 基于此,本文以 PMMA 为模具材料,采用玻璃为母模,通过热压法快速批量制作微流控芯片的模具,并利用该模具经浇模、键合批量制作PDMS微流控芯片,考察了 PMMA 模具与PDMS微流控芯片的一致性,主要探讨了热压过程温度与压力对模具质量的影响。

1. 实验材料及仪器设备

(1) 试 剂 及 材 料。

匀 胶 铬 板 玻 璃,型 号 为 SG2506,等级为 Um,铬层厚度为145nm,光胶类 别为 Az21805,胶 厚 为 570nm;PMMA,厚 度 为 1.0mm,热变形温度为100~140℃;硝酸铈铵洗液(50g 硝 酸 铈 铵 中 加 12mL 高 氯 酸,加 水 至 300mL);玻璃腐蚀液(HF、HNO3、H2O 的体积比为5:10:85以及 HF、NH4F 的摩尔浓度比为 1mol/L:1mol/L两种体系);PDMS前聚体与引发剂;其他所用化学试剂均为国产分析纯。

(2) 仪器。

JKG-2A 光刻机;JC1000电脑层压机;LEO-1530 扫描电镜系统;MoticE30/31 倒置生物显微镜,配有 CanonEOS350D 型数码相机;DQ-500等离子体去胶机。

2.微流控芯片模具及芯片制作

PMMA微模具及PDM芯片的制作流程如图1所示。

图1 PMMA模具与 PDMS微流控芯片制作流程示意图

(1) 玻璃母模的制作。

以商品匀

胶铬板玻璃为基片,光刻后置于玻璃腐 蚀液中,40℃水浴腐蚀15min,在丙酮中浸泡振荡 除光刻胶,用硝酸铈铵/高氯酸洗液除Cr层,再用 大量去离子水清洗,用 N2 吹干,烘干后即获可得 具微凹槽的玻璃基片。

(2) PMMA 模具的制作。

将有微凹槽的玻璃 基片与PMMA基片紧密贴合,移至电脑层压机中,施加一定压力,130℃,恒温恒压10min,缓慢冷却至室温,脱模后即获得PMMA模具。

(3) PDMS微流控芯片的制作。

PDMS预聚物和引发剂按10：1的体积比调匀,浇注于 PMMA模具表面,真空系 统中除气泡,在温度为 60℃聚合2h,冷却至室温后剥离,即可获得具微凹槽的 PDMS基片;用相同方法聚合平整 PDMS作为盖片,采用自制打孔器（汶颢硅胶、PDMS等软质芯片打孔器）加工直径为 2mm 的圆孔。将 PDMS基片与盖片在中真空下经氧等离子体轰击活化后进行对准贴合,即可获得PDMS芯片(图2)。

图2 PDMS微流控芯片

3. 玻璃的腐蚀

玻璃的腐蚀速度与质量主要取决于玻璃的成分、腐蚀的温度、腐蚀液的成分与浓度。本实验所使用的匀胶铬板玻璃(SODA-LIME 玻璃)系钠钙硅酸盐玻璃,主要成分为二氧化硅、氧化钙和氧 化钠,可在 HF 腐蚀液体系中进行腐蚀加工。研 究结果表明,40℃水浴恒温条件下,在 HF、NH4F 的摩尔浓度比为 1mol/L暶1mol/L 腐蚀液体系中,玻璃的腐蚀速度约为3.2μm/min;而在 HF、 HNO3、H2O 的体积比为5：10：85的腐蚀液体系中,玻璃腐蚀速度约为2μm/min,但是微通道的表面平整度略优于前者,因此我们选用该腐蚀体系进行玻璃微通道加工。将光刻后的玻璃基片 在该腐蚀液中腐蚀15min,即可获得宽100μm、深 30μm 的玻璃微通道,沟道边缘宽度均匀,底部平整度高(图3)。

图3 湿法腐蚀玻璃微沟道的SEM 照片和截面显微照片

PMMA微模具的热压工艺

模具热压成形制作PMMA微流控器件的设备及工艺已经比较成熟。复制的质量与热压 温度、压力及热压方式等工艺条件密切相关。

不同的PMMA材料热变形温度略有所差别, 一般可通过实验测定的温度压力曲线,确定热压成形的温度。本实验选用1mm 厚度的PMMA,其热变形温度为100~140℃,在该温度范围内时, PMMA中大分子链段运动充分展开,令整体处于 高弹态,受到一定压力后可迅速发生形变。如果温 度较低(低于120℃),即使在较大压力下,也无法或 较难完全复制,并且容易损坏玻璃母模。反之,如果温度过高(高于140℃),虽然 PMMA 流动性增强,容易复制细微结构,但往往在微结构的边缘产生气泡,严重影响 PMMA 凸模的平整度。通过实验摸索,本文确定的热压温度为130℃。

实验结果表明,压力的影响不如温度的影响明显,在特定温度下,一定范围内的压力,恒压模式都可获得高质量的 PMMA 模具(图4)。但是, 由于母模为玻璃,压力过大则易造成损坏。 此外,待压 PMMA 基片与玻璃母模的面积匹配程度也 是模具质量的重要影响因素。 PMMA基片面积大于玻璃基片时,热压过程中 PMMA 基片整体处于软化状态,边缘区域由于没有与玻璃母模接触而发生向内弯曲,造成 PMMA 基片整体热应力与所受压力的分布不均匀,使模 具质量难以控制。而选择面积等于或略小于玻璃 母模面积的 PMMA 基片进行热压制作,则可稳定获得高质量模具。

图4 PMMA模具的SEM 照片与截面的显微照片

实验摸索后优化的条件为,在一定压力下, 130℃,恒温恒压10min。包括冷却脱模的时间在内,制作一片模具耗时不到30min。

5.PDMS基片的浇注聚合与脱模

PDMS是通过预聚体和引发剂均匀混合后聚 合而成,聚合反应可在4~130℃下发生,聚合温度越高,所需聚合时间越短。在硅基或镍基模具上聚合时,通常采用100℃。为避免 PMMA 热变形而导致模具损坏,本文采用60℃为聚合温度, 聚合时间2~3h。

PDMS基片与表面未经处理的 PMMA 模具 的粘附强度并不高,只要沿着微凸起的方向小心 操作,便可轻松地将 PDMS脱模。多次浇注聚合 后,也未有剥离困难或 PDMS残余在 PMMA 模 具表面的现象。这是由于 PMMA 表面存在极性 的甲酯基,而 PDMS表面则含—O—Si(CH3)2— 基团,两基团性质差异较大;此外,PMMA 表面的 水接触角约为89°,而 PDMS表面的水接触角则 约109°,均表现较低表面自由能,因此容易脱模。 从图5可以看出,复制获得的 PDMS基片微凹槽 宽度均匀,表面平整度高,其截面与 PMMA 凸起 结构完全互补,说明脱模完整,复制精确高。

图5 PDMS微凹槽的SEM 照片与截面的显微照片

6.模具与芯片的一致性

分别在 PMMA 模具的凸起结构和 PDMS基片的微凹槽上任意选取6个不同位置,测量每个位置微结构的宽度和高度(或深度)。如表 1 所 示,PMMA 模具上凸起微结构的宽度和高度平均 为102.0μm 和32.1μm,其相应的相对标准偏差 分别是0.42%和1.46%。PDMS微凹槽的宽度和深度平均为100.3μm和31.6μm,其相应的相对标准偏差分别是0.47%和1.33%。以上结果表明,热压法制作的 PMMA 模具及采用该模具 浇注聚合获得的 PDMS 芯片,微结构的均匀性 好,PDMS芯片与 PMMA 模具的一致性也较好。

表1 PMMA模具与 PDMS芯片上微通道的一致性分析

同时,我们也对同一玻璃基片上热压制作的 6个 PMMA 模具,以及同一 PMMA 模具上浇铸获得的6片 PDMS微流控芯片的微结构进行测量,结果表明不同 PMMA 模具和 PDMS微流控芯片上相同位置上的宽度与高度(或深度)的相对标准偏差均小于3%。

微流控分析即将进入到实际应用与生产的时期,芯片的大批量工业化生产技术成为重要的研究课题。以高聚物材料为主的一次性微流控分析芯片的批量生产对其相应的模具材料与工艺提出新的要求。PDMS的浇注聚合制备工艺的扩大生产需要大批量的模具以及快速高质量的模具制备工艺。针对这个需求,本文提出以湿法腐蚀的玻璃基片为母模,采用热压法快速、批量制作微流控芯片的 PMMA 模具,所得模具平整度高、一致性好,相对标准偏差小于3%,并且所用时间短, 30min内即可获得一片模具。所制备的 PMMA 模具可用于浇注聚合制备 PDMS微流控芯片。

PMMA 常温下具有一定的硬度,并具有化学稳定性良好、耐气候变化、易于保存等优点,适合作为模具材料。但是,PMMA 的软化点较低,只能适用于100℃以下的操作,从现有的芯片材料来看,适合于 PDMS的浇注聚合。其他高分子材料(如 PMMA)的常温聚合也可以使用PMMA 模具,但需要对模具表面修饰或改性以便于脱模。 此外,类似于其他的模塑法,该法制备微流控芯片 在沟道截面形状和结构方面也有一些限制,如适用于易脱模的上宽下窄的截面和较简单的二维沟道网络系统。

（文章来源： 厦门大学 作者：叶嘉明 李明佳 周勇亮 文章编号:1004—132X(2007)19—2379—04科学网科学网转载仅供参考学习及传递有用信息，版权归原作者所有，如侵犯权益，请联系删除）