芯片材料与芯片制做技能（二）
2.4硅、玻璃和石英芯片的打孔法子
玻璃类芯片的打孔法子包罗金刚石打孔法[3]，超声波打孔法[4]和激光打孔法等。金刚石打孔法设立简朴，打孔速度快，但钻头品质对打孔品质影响很大；超声波打孔法见图2-11所示，由于有超声波振动的相关，所钻出的孔边际润滑、一律，最小孔径寻常在μm左右，玻璃表面无损和裂缝，对后续的封接过程没有影响，但封接前必需对玻璃表面举办矜重的洗涤，以除去残留的切屑和杂质；激光打孔法能将激光能量聚焦到很微弱的领域内把工件“烧穿”，很恰当在熔点高、硬度大的材料上打孔，打出的孔又细又深，最小孔径可达几微米如下，但设立较贵，孔领域易造成微裂缝，且钻孔过程中造成的溶胶微粒轻易堆积在孔的领域，这些微粒在键合前必需经过超声和抛光断根[4]。
图2-11超声波打孔机相片[49c]
2.5硅、玻璃和石英芯片的封接过程
为了使封接过程成功举办，玻璃和石英表面必需抵达很高的皎洁度，在芯片制做和打孔过程所残留的小颗粒、有机物和金属物都必需断根皎洁。别的，玻璃和石英表面应为亲水的，以有益于低温键合的举办。是以在芯片封接以前，需求对芯片基片和盖板举办矜重的化学洗涤，洗涤后的芯片应在超净室中结尾键合过程。比如玻璃和石英在封接前，每每要在硫酸和过氧化氢搀和溶液（piranhasolution）中洗涤10-20min，尔后用大批去离子水洗涤。氧等离子体和UV臭氧等离子体也也许断根玻璃和石英表面的有机残留物，造成亲水性表面。芯片键合胜利与否，在很大程度上还取决于芯片表面的平坦度（总的厚度差池）和粗劣度。
封接的法子要紧包罗如下几种：
（1）热封接
热封接法子是玻璃芯片封接中最罕用的一种法子，其封接过程如图2-12所示。将皎洁的基片晌有微通道的一面与盖板对接后置真空装配中抽真空1h，让其开始联合，尔后将其置于程序化的升温炉（马福炉）中，在基片和盖板高低各放一齐抛光过的石墨板，再压一齐不锈钢块。在炉内进路程序升温，尔后天然冷却至室温。
图2-12玻璃芯片热封接过程图
（2）阳极键合
阳极键合（anodicbonding）是一种对比简朴而灵验的永远性封接玻璃片和硅片的键合法子，其示妄念见图2-13所示[5]。将皎洁的玻璃片和硅片对齐紧贴在一同，将玻璃片与负极邻接，硅片与正极邻接，在玻璃片和硅片之间施加-V高压，操纵温度在-℃之间，玻璃片中的钠离子从玻璃－硅界面向阴极挪移，在界面的玻璃一侧造成负电荷，硅片一侧造成正电荷，正负电荷经过静电引力联合在一同，推进玻璃片和硅片间的化学键合。
图2-13阳极键合道理示妄念
（3）低温粘接
采纳低温粘接技能，以氢氟酸（HF）和硅酸钠为粘合剂，可胜利实行玻璃芯片的封接。将1%HF滴入两片玻璃的裂缝当中，在室温下施加肯定的压力，在几小时内便可胜利实行粘接，其示妄念见2-14所示。环氧胶和PDMS也也许用来做为粘合剂。
图2-14粘合剂封接芯片
2.6硅、玻璃和石英芯片的评价
做家测验室曾经把握了玻璃芯片整套制做工艺，也许依照不同需求，自行策画并迅速制备出具备不同结议和机能的玻璃芯片[6-12]。做家测验室克己几多玻璃芯片见图2-15所示,图2-16和2-17离别是做家课题组自行加工制做的玻璃微流控芯片基片十字通道扫描电镜图和微通道横截面外貌弧线图[2]。
图2-15做家测验室克己的玻璃微流控芯片什物
图2-16玻璃微流控芯片十字通道的扫描电镜图
强调比例为倍
图2-17玻璃微流控芯片通道横截面的外貌弧线
衡量速度为1mm/s，笔直强调比为，
标尺为10μm/格；程度强调比为，
标尺为50μm/格
个中罕见的最简朴十字交错组织芯片的详细规格尺寸如下所示[13]：
以罗丹明B为样本，从统一批出品的玻璃芯片中随机抽取5片，举办迁徙工夫测定，效果见表2-3芯片间相瞄准则差池（RSD）为2.31％；采选个中的一齐芯片接续运转10次，迁徙工夫的变动见表2-4，相瞄准则差池为2.44％。迁徙工夫的相瞄准则差池都对比小，阐述克己玻璃芯片的反复性较好。在统一片芯片上接续运转罗丹明B样本次，个中部份运转效果见图2-18，次运转中，峰形仍根底维持对称，柱效无显然下落。阐述玻璃芯片通道内表面的性质对比平静，操纵寿命较长。
表2-3不同玻璃芯片中罗丹明B迁徙工夫的对比
注：罗丹明B浓度为4.6×10-6M，探测点离通道交错点4.3cm，迁徙工夫为5次运转均值
表2-4统一片玻璃芯片中罗丹明B迁徙工夫的对比
注：罗丹明B浓度为4.6×10-6M，探测点离通道交错点4.3cm
图2-18罗丹明B在统一齐玻璃微流控芯片中屡屡运转电泳图
石英具备优秀的电渗和光学功能，紫外光透射率高，表面性质平静，易于实行表面改性，是微流控芯片巴望的基体材料之一，尤其合用于微流控芯片紫外探测系统中。做家测验室自力把握了石英芯片的制做工艺，可依照测验需求制做不同的石英芯片。石英芯片的制做过程与玻璃芯片大概相当，但由于石英材料硬度大，熔点高级特征，在芯片晌蚀和封接法子上与玻璃有所不同。本测验室采纳的是湿法刻蚀和常温封接技能，以强度较大的HNO3+HF（95：）刻蚀液来提升刻蚀速度，策画制做了能多点匀称加压的模具，大大提升了石英芯片常温封接的胜利率[14,15]。石英芯片外表与玻璃芯片无异，但其在紫外摄取探测微流控芯片平台上有其余芯片无奈比较的功能。
2.7高分子围拢物芯片的制做
高分子围拢物微流控芯片的制做技能与玻璃类芯片有很大的差别，所采纳的制做技能要紧包罗热压法[16,17]、模塑法[18]、注塑法[19]、激光烧蚀法[20]、LIGA法[21]和软刻蚀法[22]等。
2.7.1热压法制做过程
热压法是一种操纵对比普遍的迅速复制微组织的芯片制做技能，便是将围拢物基片与模具瞄准加热并施加肯定压力得到具备宏观组织的芯片，其过程如图2-19所示。简朴热压法的模具可所以直径在50μm如下的金属丝（见图2-20（a）所示）[16]或刻蚀有凸突的微通道硅片阳模（见图2-20（b）所示）[17]。以金属丝为模具只可制做简朴的微通道，且借使通道交错点在统一平面压榨则会造成不准则的形态，对进样和离别带来不利的影响。以刻蚀有凸突的微通道硅片阳模来制做微流控芯片，可得到繁杂微通道，通道交会点也会有使人如意的组织。
图2-19热压法制做过程过程
图2-20简朴的热压法过程
(a)用直径50μm如下的金属丝热压法[16]；
(b)用硅片阳模热压法[17]
2.7.2模塑法制做过程
模塑法是暂时制做高分子围拢物芯片的要紧法子[23-25]，主借使经过光刻胶等得到模具并在模具上固化液态高聚物得到具备微组织芯片的法子。测验室中罕用的模具是环氧SU-8负光胶或正胶，高分子围拢物则以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为主。别的，阳模也可由硅材料、玻璃等缔造。高分子围拢物材料还可所以环氧树脂、聚脲、聚丙烯酸、橡胶和氟塑料等。模塑法制做过程默示如图2-21所示。别的本测验室以水凝胶平面微图案化技能为根底，建造了“液塑法”制备PDMS芯片的浅近技能（图2-22）：即经过水凝胶平面图案化建设化学异质性表面；并于其上制备出平面液态微条纹；以此为复形模板，经过浇塑复形法制备PDMS微流控芯片。复形模板仅需简朴的试剂、材料和过程便可制得，因此这类芯片制做过程较之以SU-8为复形模板的惯例芯片制做过程更为简朴、经济、伶俐；别的，若以化学异质性表面自组织生成的组织化液体为复形组织，所制微通道表面能具备三维曲面几多组织，经过对这一组织性格的伶俐操纵，亦可赋与芯片策画和操纵以特有的浅近性和伶俐性。
图2-21模塑法制做过程示妄念
图2-22“液塑法”制备PDMS芯片的浅近技能
2.7.3注塑法制做过程
注塑法是一种将质料置于打针机中，加热使之变成流体压入模子，冷却后脱模即得芯片的法子[26-28]。在注塑法制做过程中，模具制做繁杂，技能请求高，周期长，是一切工艺过程中的关鍵步骤。一个好的模具可临盆30-50万张围拢物芯片，反复性好，临盆周期短，成本便宜，恰当于已成型的芯片临盆。
2.7.4LIGA技能制做过程
LIGA是德文lithographie，galanoformung和abformung三个词的缩写，意指经过X光粗浅及电铸缔造精细模具，再大批复制微组织的特别工艺过程，由X光深层光刻、微电铸和微复制等三个步骤构成，要紧用于制做高明宽比的微流控芯片。其工艺过程如图2-23所示[21]。第一步为同步辐射X光深层光刻。几毫米厚的对X光敏锐的光胶材料（每每是PMMA）被涂布在一层导电功能很好的金属膜上，操纵同步辐射光源X光优秀的平行功能和高辐射光强，可将掩膜上的图形迁徙到光胶层上，每每光刻深度可达几百微米。图形区下的光胶因受掩膜维护未被X光映照分解，而非图形区下的光胶受X光剧烈映照而分解，可溶于显影液中而被消融除去，云云就得到了一个与掩膜组织雷同，厚度几百微米、最小宽度可达几微米的围拢物三维平面组织。
图2-23LIGA技能的工艺过程图
2.7.5激光烧蚀法制做过程
激光烧蚀法是一种非来往式的藐小加工技能。它操纵掩模或直接依照计划机CAD的策画数据和图形，经过X-Y方位精细掌握激光的地位，在金属、塑料、陶瓷等材料上加工出不同形态尺寸的微孔穴和微通道，默示见图2-24[20]。长处是所得到的微流控芯片组织受热摧残小，通道壁笔直，深宽比大，对掩模的依赖性较小，伶俐性较高；瑕玷是一次只可制做一片，临盆效率较低，紫外激光器代价昂贵，能量大，有肯定的危险，需在准则激光测验室中操纵，是以束缚了激光烧蚀法的进一步进展。
图2-24激光烧蚀法制做过程简朴示妄念
2.7.6软光刻法制做过程
上世纪90岁月末一种新的微图形复制技能锋芒毕露，该技能用弹性模接替了光刻中操纵的硬模造成微形态和微组织，被称之为软光刻技能[22]。软光刻技能的浮现和PDMS材料的大范围操纵是微流控芯片进展史上一个要紧的历程碑。相关于保守的光刻技能，软光刻愈加伶俐。它能缔造繁杂的三维组织，乃至能在不准则曲面上操纵；能操纵于很多材料如：胶体材料、玻璃、陶瓷等；它没有光散射带来的精度束缚，也许抵达30nm-1μm级的微弱尺寸；别的，它所需设立较为简朴，在平凡的测验室处境下就可以操纵，是以软光刻是一种便宜，便利，适于寻常测验室操纵的技能，图2-25显示了在金基底上十六烷硫醇（HDT）微来往印刷过程。
图2-25金基底上十六烷硫醇（HDT）微来往印刷过程[22]
(a）用平面印记在平面基底上印刷；
(b）用转动印记在平面基底上印刷；
(c）用平面印记在非平面基底上印刷
软光刻的中枢是弹性模印记（elastomericstamp），这类印记也许经过光刻蚀和模塑的法子制得。PDMS是软光刻中最罕用的弹性模印记，在策画过程中应仔细防范在PDMS弹性模上造成缺点，如重力、粘结、毛细做使劲等偶尔会使微组织崩塌进而造成缺点，别的过大的高宽比也会造成崩塌。软光刻的关键技能要紧包罗微来往印刷（microcontactprinting,μCP）；再铸模（replicamolding，REM）；微传送成模（microtransfermolding，μTM）；毛细管成模（micro-moldingincapillaries,MIMIC）；溶剂帮忙成模（solvent-assistedmicromolding,SAMIM）等。
固然，软光刻在微加工中的操纵中还存在着一些限制性，如PDMS固化后有1%的萎缩变形，况且在甲苯和乙烷的影响下，宽深比将浮现肯定的膨胀；PDMS的弹性和热膨胀性使其很难得到高的切确性，也使软光刻在多层面的微加工中遭到束缚；由于弹性模太软，无奈得到大的深宽比，太大或过小的深宽比都将致使微组织的变形或歪曲。不过这些都不够以阻遏PDMS在软光刻技能中的普遍操纵，确信跟着协商的进一步深入，将会找到各样想法来补救上述的不够。
参考文件
文章滥觞：《图解微流控芯片测验室》林炳承、秦建华著
为进一步推行遍及微流控芯片技能，霆科生物得到林炳承老师受权，公司网站及
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