專(zhuān)利名稱(chēng)：一種聚二甲基硅氧烷微納流控芯片的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微納流控芯片制造技術(shù)，特別是通過(guò)微加工技術(shù)獲得亞微米精度的結(jié) 構(gòu)并用以倒模制備力學(xué)穩(wěn)定的柔性材料微納流控芯片的技術(shù)。
背景技術(shù)：
納流控的研究興起于本世紀(jì)初，由于納米管道中流體的輸運(yùn)特性取決于納米結(jié)構(gòu) 及其表面性質(zhì)，納流控在新型非半導(dǎo)體微電子，生物傳感，分子操控，濃縮分離，淡水處理等 方面都有巨大的潛在價(jià)值。而微流控的研究起源于上世紀(jì)九十年代，至今已飛速發(fā)展二十 余年，吸引了生物、化學(xué)、物理、機(jī)械等多方面的研究力量，已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)集成高效的技 術(shù)體系。將微納結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)各取所長(zhǎng)所能衍生出的功能芯片因此具有更加廣闊的應(yīng)用前景。但是實(shí)現(xiàn)他們的前提是獲得微納結(jié)構(gòu)芯片的制備技術(shù)。在以往所有的納米結(jié)構(gòu)制 備技術(shù)中通常采用納米光刻技術(shù)，這種技術(shù)成本昂貴，對(duì)環(huán)境和操作都有苛刻的要求，而且 制備芯片周期長(zhǎng)，制備材料局限在硅片和石英玻璃上。因此很多研究者試圖繞開(kāi)這個(gè)技術(shù) 而獲得納米結(jié)構(gòu)的加工能力。一些基于納米線(xiàn)模板或者表面裂紋的技術(shù)相繼被開(kāi)發(fā)出來(lái)， 但是這些技術(shù)基本上都難以具備光刻技術(shù)所具有的在圖案設(shè)計(jì)上的靈活性，只能滿(mǎn)足較為 單一的納米結(jié)構(gòu)的制備。而即使是納米光刻技術(shù)本身，在同時(shí)加工跨尺度的微、納兩種結(jié)構(gòu) 時(shí)也出現(xiàn)了一些局限性。而且相對(duì)于具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值并可以產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)，很多微納加工替 代技術(shù)缺乏步驟的簡(jiǎn)潔性、可重復(fù)性和可批量生產(chǎn)的性質(zhì)，因此不能滿(mǎn)足微納流控技術(shù)發(fā) 展的要求。在微芯片加工中占據(jù)主導(dǎo)地位的PDMS倒模技術(shù)較難運(yùn)用到微納復(fù)合芯片的制 備中，主要是受限于PDMS本身是彈性體，力學(xué)性質(zhì)在納米尺度不夠穩(wěn)定的缺點(diǎn)，要么需要 運(yùn)用額外的納米加工技術(shù)來(lái)制備模具，要么在制作過(guò)程中要采用額外的硬質(zhì)塑料支撐體。因此如果想獲得如加工微流控芯片一樣的簡(jiǎn)潔性和可靠性，采用倒模的PDMS是 一個(gè)好選擇，這就需要一種新型快速制備模具的方法，并且模具上的納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成PDMS 芯片后能夠提供足夠的機(jī)械穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種適用于工業(yè)化的廉價(jià)、易行的微納芯片制備方法，特別 適用于制備力學(xué)穩(wěn)定的彈性體微納芯片。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種聚二甲基硅氧烷微納流控芯片的制備方法，它包括下列步驟 步驟1.將設(shè)計(jì)的芯片結(jié)構(gòu)圖案通過(guò)電腦輸出打印復(fù)制到PET (聚對(duì)苯二甲酸乙二醇 酯)塑料片上即得到掩膜，并將掩膜和依次涂有鉻層和光刻膠的玻璃緊密貼合；
步驟2.用紫外光照射掩膜曝光一定時(shí)間(0. 5飛分鐘)，取出，用定影水定影，并用去 鉻液去除多余的鉻，，完成從設(shè)計(jì)圖案到鉻層圖案的轉(zhuǎn)移；
步驟3.把處理好的玻璃放入恒溫水浴中(溫度(T40°C )，用刻蝕液刻蝕一定時(shí)間(1小時(shí) 10小時(shí))，這一時(shí)間必須長(zhǎng)于傳統(tǒng)的玻璃刻蝕時(shí)間，以達(dá)到過(guò)度刻蝕的目的；步驟4.將刻蝕好的玻璃取出烘干；
步驟5.將PDMS前聚體和固化劑按照一定的質(zhì)量比例(3:1 20:1)混合均勻，并均勻 分布在步驟4中獲得的玻璃模具中，在40°C ~120°C固化一定時(shí)間(10分鐘小時(shí))，從模 具上剝離；
步驟6.用氧等離子體處理有圖案的PDMS片和PDMS基片，并迅速將兩者貼合，形成不 可逆貼合。本發(fā)明的結(jié)果和意義
本發(fā)明利用玻璃過(guò)度刻蝕的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了將玻璃表面微米的設(shè)計(jì)圖案轉(zhuǎn)化成納米的結(jié) 構(gòu)(制備流程見(jiàn)圖1 )。通過(guò)這種方法我們獲得的一系列至少一維尺度亞微米的納米結(jié)構(gòu)(圖 2)，其長(zhǎng)度可以達(dá)到數(shù)十厘米，結(jié)構(gòu)間最小間距可以達(dá)到數(shù)十微米(理想狀態(tài)下大于30um)。 調(diào)諧實(shí)驗(yàn)初始設(shè)計(jì)圖案的形狀我們可以在玻璃表面刻蝕獲得納米線(xiàn)或者納米錐(圖2)。在 同樣的實(shí)驗(yàn)條件下，僅通過(guò)控制線(xiàn)條的粗細(xì)，我們獲得的結(jié)構(gòu)尺寸從數(shù)十微米到數(shù)百納米 連續(xù)可調(diào)控(圖3)，因此很容易實(shí)現(xiàn)了微納結(jié)構(gòu)在同一個(gè)玻璃基片上的制備，也使制備方法 具有很好的靈活性。用這種玻璃基片作為模板澆注的PDMS芯片具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性，克服了傳統(tǒng) 制約PDMS芯片制備的力學(xué)瓶頸。這得益于刻蝕過(guò)程中玻璃本身對(duì)刻蝕液顯示各向同性，而 頂部的鉻層對(duì)刻蝕液刻蝕玻璃具有遮蔽效果，這就形成了刻蝕的選擇性，導(dǎo)致了最后獲得 的結(jié)構(gòu)具有三角形力學(xué)穩(wěn)定的截面結(jié)構(gòu)(圖4)。這種結(jié)構(gòu)被保留復(fù)制到PDMS中，成為穩(wěn)定 納米結(jié)構(gòu)的保證。進(jìn)一步的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)顯示，這種技術(shù)獲得的納米結(jié)構(gòu)具有良好的可重復(fù) 性，誤差可以控制在10%以?xún)?nèi)(圖5)。本發(fā)明結(jié)合了光刻技術(shù)在制備微小結(jié)構(gòu)上的靈活性和倒模技術(shù)在大規(guī)?？焖倏?重復(fù)制造上的優(yōu)勢(shì)，借助玻璃過(guò)度刻蝕的過(guò)程實(shí)現(xiàn)了用微加工技術(shù)制備PDMS納米結(jié)構(gòu)。這 種方法相較于納米光刻技術(shù)具有廉價(jià)、易行、快速、高重復(fù)性的優(yōu)勢(shì)，并能同時(shí)在單面PDMS 表面實(shí)現(xiàn)微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，為將功能化微納芯片推向工業(yè)化奠定了基本的技術(shù)基礎(chǔ)。特別 是在加工要求在亞微米的功能結(jié)構(gòu)如微型富集單元或者微型液體電學(xué)器件上可能擁有廣 闊的應(yīng)用前景。對(duì)于已經(jīng)具有微加工能力的單位，不需要昂貴的納米技術(shù)升級(jí)即可步入微 納芯片制備的行列。


圖1.玻璃上微納結(jié)構(gòu)制備及復(fù)制過(guò)程示意圖。結(jié)構(gòu)制備主要包括將掩膜的圖案 通過(guò)微加工的方法轉(zhuǎn)移到玻璃表面的鉻層上，然后將此結(jié)構(gòu)進(jìn)行過(guò)度刻蝕，獲得微納結(jié)構(gòu)， 完成結(jié)構(gòu)的制備。然后用PDMS澆注固化的方法將這些微納結(jié)構(gòu)復(fù)制，并通過(guò)等離子體貼合 獲得最終的微納管道結(jié)構(gòu)。圖2.典型的納米管道及納米錐的SEM表征。上圖是用本發(fā)明所述方法獲得的典型 的納米管道結(jié)構(gòu)的截面圖，圖中可以看出納米管道高度在140nm左右，寬度在730nm左右。 下圖顯示了另外一個(gè)尺度稍大的納米管道，以及由這些納米管道組成的納米管道陣列。從 圖中可以看出這一組管道結(jié)構(gòu)一致性較好。證明本發(fā)明可以用于制備PDMS納米管道，并且 管道截面圖形完好，沒(méi)有出現(xiàn)納米尺度管道倒塌的現(xiàn)象。
圖3.刻蝕時(shí)間即初始圖案線(xiàn)寬對(duì)幾何結(jié)構(gòu)的影響。這組管道截面圖像說(shuō)明了從 微米圖案轉(zhuǎn)化到納米三角結(jié)構(gòu)的刻蝕變化過(guò)程。附帶的SEM圖像印證了這一過(guò)程?？涛g液 首先將微米鉻層下的玻璃刻出三角形的微米結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)一步刻蝕，縮小了管道的截面大 小，最終到達(dá)亞微米的量級(jí)。圖4.玻璃過(guò)度刻蝕的基本過(guò)程監(jiān)控和圖示說(shuō)明
左圖描述了掩膜寬度在30um，40um, 50um的三種圖案的管道截面的深度隨刻蝕時(shí)間 的變化過(guò)程，右圖描述了相應(yīng)的管道截面寬度變化過(guò)程。從中可以看出通過(guò)調(diào)控微米級(jí)的 管道圖案可以直接影響最終得到的納米結(jié)構(gòu)的截面尺寸。顯示了該方法的尺度可調(diào)控性。圖5.制備的納米管道一致性電學(xué)分析
圖中就掩膜寬度在30um，40um, 50um的三種圖案為基礎(chǔ)制備的納米管道的單管道電 阻統(tǒng)計(jì)分析，每個(gè)圖案選取了 5個(gè)芯片進(jìn)行誤差測(cè)試，可以看出誤差可以控制在較小范圍 內(nèi)(<10%)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用依次預(yù)涂鉻層和光刻膠的玻璃基底，由長(zhǎng)沙韶光鉻版有限公司提{共。實(shí)施例1.在玻璃表面制備凸起的的微納結(jié)構(gòu)
步驟1.在暗室中，將掩膜圖案通過(guò)紫外曝光過(guò)程轉(zhuǎn)移到玻璃基底的鉻層上，曝光0.5 分鐘。用定影劑(0.2% NaOH水溶液)定影2分鐘。用去鉻液(200g重鉻酸鉀和35mL 98% 醋酸溶于IL水中)去除圖案以外的鉻層。用乙醇去除多余的光刻膠，干燥。步驟2.把處理好的玻璃放入恒溫水浴中(溫度0°C )，用IM的刻蝕液過(guò)度刻蝕玻 璃基底10小時(shí)。步驟3.取出玻璃基底，并沖洗干凈，烘干。即得相應(yīng)的微納結(jié)構(gòu) 實(shí)施例2. PDMS微納流控芯片的倒模制備
步驟1.將聚二甲基硅氧烷(PDMS)前體和固化劑按3:1質(zhì)量混合均勻，澆附在玻璃模 具上，并用真空泵抽真空除氣泡。步驟2.將澆有PDMS混合液的模具放在烘箱里40°C加熱1小時(shí)，使PDMS固化，并 從玻璃模具上剝離。步驟3.用氧等離子體處理有圖案的PDMS片表面和無(wú)圖案的PDMS基片表面，并迅 速貼合，即得聚二甲基硅氧烷微納流控芯片。實(shí)施例3.在玻璃表面制備凸起的的微納結(jié)構(gòu)
步驟1.將掩膜圖案通過(guò)紫外曝光過(guò)程轉(zhuǎn)移到玻璃基底的鉻層上，曝光5分鐘。用定影 劑定影2分鐘。用去鉻液去除圖案以外的鉻層。用乙醇去除多余的光刻膠，干燥。步驟2.把處理好的玻璃放入恒溫水浴中(溫度40°C )，用IM的刻蝕液分別過(guò)度 刻蝕玻璃基底1、2、3和4小時(shí)。步驟3.取出玻璃基底，并沖洗干凈，烘干。即得相應(yīng)的微納結(jié)構(gòu)，玻璃過(guò)度刻蝕的 基本過(guò)程監(jiān)控和圖示說(shuō)明見(jiàn)圖4。實(shí)施例4. PDMS微納流控芯片的倒模制備步驟1.將聚二甲基硅氧烷(PDMS)前體和固化劑按5:1質(zhì)量混合均勻，澆附在玻璃模 具上，并用真空泵抽真空除氣泡。步驟2.將澆有PDMS混合液的模具放在烘箱里80°C加熱1小時(shí)，使PDMS固化，并 從玻璃模具上剝離。步驟3.用氧等離子體處理有圖案的PDMS片表面和無(wú)圖案的PDMS基片表面，并迅 速貼合，即得聚二甲基硅氧烷。所得的微納流控芯片的SEM表征見(jiàn)圖2。刻蝕時(shí)間及初始圖 案線(xiàn)寬對(duì)幾何結(jié)構(gòu)的影響見(jiàn)圖3。制備的納米管道一致性電學(xué)分析
就掩膜圖案線(xiàn)條寬度在30um，40um, 50um的三種圖案為基礎(chǔ)制備的納米管道的單管 道電阻統(tǒng)計(jì)分析，每個(gè)圖案選取了 5個(gè)芯片進(jìn)行誤差測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖5?？梢钥闯稣`差可以 控制在較小范圍內(nèi)(<10%)。實(shí)施例5.在玻璃表面制備凸起的的微納結(jié)構(gòu)
步驟1.將掩膜圖案通過(guò)紫外曝光過(guò)程轉(zhuǎn)移到玻璃基底的鉻層上，曝光5分鐘。用定影 劑定影2分鐘。用去鉻液去除圖案以外的鉻層。用乙醇去除多余的光刻膠，干燥。步驟2.把處理好的玻璃放入恒溫水浴中(溫度0°C )，用IM的刻蝕液過(guò)度刻蝕玻 璃基底10小時(shí)。步驟3.取出玻璃基底，并沖洗干凈，烘干。即得相應(yīng)的微納結(jié)構(gòu) 實(shí)施例6. PDMS微納流控芯片的倒模制備
步驟1.將聚二甲基硅氧烷(PDMS)前體和固化劑按20:1質(zhì)量混合均勻，澆附在玻璃模 具上，并用真空泵抽真空除氣泡。步驟2.將澆有PDMS混合液的模具放在烘箱里120°C加熱10分鐘，使PDMS固化， 并從玻璃模具上剝離。步驟3.用氧等離子體處理有圖案的PDMS片表面和無(wú)圖案的PDMS基片表面，并迅 速貼合，即得聚二甲基硅氧烷微納流控芯片。
權(quán)利要求
1. 一種聚二甲基硅氧烷微納流控芯片的制備方法，其特征是它包括下列步驟 步驟1.將設(shè)計(jì)的芯片結(jié)構(gòu)圖案通過(guò)電腦輸出打印復(fù)制到聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯薄膜 片上即制得掩膜，并將掩膜和依次涂有鉻層和光刻膠的玻璃緊密貼合；步驟2.用紫外光照射掩膜曝光0. 5飛分鐘，取出，用定影水定影，并用去鉻液去除多 余的鉻，用乙醇去除多余的光刻膠，完成從設(shè)計(jì)圖案到鉻層圖案的轉(zhuǎn)移；步驟3.把處理好的玻璃放入溫度為(T40°C的恒溫水浴中，用刻蝕液刻蝕1小時(shí) 10 小時(shí)，這一時(shí)間必須長(zhǎng)于傳統(tǒng)的玻璃刻蝕時(shí)間，以達(dá)到過(guò)度刻蝕的目的； 步驟4.將刻蝕好的玻璃取出烘干；步驟5.將PDMS前聚體和固化劑按照質(zhì)量比為3:1 20:1混合均勻，并均勻分布在步 驟4中獲得的玻璃模具中，在40°C ^120°C固化一定時(shí)間10分鐘小時(shí)，從模具上剝離； 步驟6.用氧等離子體處理有圖案的PDMS片和PDMS基片，并迅速將兩者貼合，形成不 可逆貼合，即得聚二甲基硅氧烷微納流控芯片。
全文摘要
一種聚二甲基硅氧烷微納流控芯片的制備方法，它是將設(shè)計(jì)的芯片結(jié)構(gòu)圖案轉(zhuǎn)移到掩膜上，并將掩膜和依次涂有鉻層和光刻膠的玻璃緊密貼合，用紫外光照射掩膜曝光，取出，用定影水定影，并用去鉻液去除多余的鉻，用乙醇去除多余的光刻膠，完成從設(shè)計(jì)圖案到鉻層圖案的轉(zhuǎn)移；然后把處理好的玻璃用刻蝕液刻蝕一定時(shí)間，這一時(shí)間必須長(zhǎng)于傳統(tǒng)的玻璃刻蝕時(shí)間，以達(dá)到過(guò)度刻蝕的目的；將刻蝕好的玻璃取出烘干；將PDMS前聚體和固化劑按照一定的質(zhì)量比例混合均勻，并均勻分布在上述玻璃模具中，在40℃~120℃固化一定時(shí)間，從模具上剝離；用氧等離子體處理有圖案的PDMS片和基片，并迅速將兩者貼合，形成不可逆貼合，即得聚二甲基硅氧烷微納流控芯片。
文檔編號(hào)B81C1/00GK102145875SQ20111005472
公開(kāi)日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2011年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月8日
發(fā)明者徐碧漪, 徐靜娟, 陳洪淵 申請(qǐng)人:南京大學(xué)