PDMS微流控芯片复型模具的新型快速制作方法

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1、第43卷第6期机械工程学报Vol.43No.62007年6月CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERINGJun.2007*PDMS微流控芯片复型模具的新型快速制作方法1,2111徐书洁段玉岗丁玉成卢秉恒(1．西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室西安710049)2．西安理工大学理学院西安710048)摘要：提出一种快速制作聚二甲基硅氧烷(Poly(dimethylsiloxane)，PDMS)微流控芯片复型模具的新方法，并对其制作工艺进行研究。以液体光刻胶为模具材料，在液态下

2、通过紫外光曝光使光刻胶固化而形成模具微结构。在整个制作过程中不需要对液体光刻胶进行烘烤，与目前使用较多的以SU-8光刻胶(一种负性环氧型光刻胶)为模具材料的制作方法相比，不仅简化制作工序，大大缩短制作时间，且避免加热产生的内应力导致的结构变形。该方法不需要昂贵的制作设备，所用原材料成本低廉。试验结果表明，所制作的模具微结构侧壁陡直、表面光滑，最大深宽比达5.7，在对PDMS材料的复型试验中获得良好的形状和尺寸精度。关键词：微流控芯片模具液体光刻胶曝光显影中图分类号：TN271[4-6]胶(一种负性环氧型光刻胶)

3、。由于SU-8光刻胶0前言具有非常好的机械和光学特性，并对365nm紫外光、X射线和电子束高度敏感，在制作高分辨率微微流控芯片主要应用于分析化学，它将整个化机电系统(Micro-electro-mechanicalsystem，MEMS)验室的功能集成在以微管道网络为结构特征的微小结构中获得了满意的效果，但SU-8光刻胶微结构芯片上。由于微米级通道中的高导热和传质速率，制作时间长、工序多。在制作过程中需经历前烘、使分析速度大大提高，同时贵重试样的消耗大大减中烘和后烘三次烘烤。首先，液态SU-8光刻胶涂少，因此分

4、析系统正向微型化方向发展，而制作微布在基片表面后需进行前烘使其固化才能曝光，接流控芯片的关键是其微加工技术。传统的微流控芯着需在曝光后进行中烘才能使光刻胶发生交联反片主要以硅片或玻璃为材料制作微流路，由于存在应，最后需在显影后进行后烘使光刻胶结构坚固。制作设备昂贵、加工成本高、制作周期长、难以得根据胶层厚度不同，三次烘烤所需时间不同，制作到高深宽比结构以及硅芯片不透明等问题，研究者500µm厚的光刻胶大约需要4h的前烘[7]和数小时们越来越关注聚合物芯片的研究与开发。的后烘。由于后烘引起SU-8胶热膨胀，会导致

5、制聚合物芯片可以通过模塑法、热压法进行大批作好的微结构尺寸改变，并且三次烘烤产生的内应量复制，从而大大提高了制作效率、降低了制作成力易导致细线条图案的扭曲和大面积图案的龟裂。本，但是模塑法或热压法使用的硅模具或金属模具针对SU-8光刻胶模具制作中存在的以上问题，需采用硅工艺、光刻电铸注塑工艺(Lithographie本研究提出了采用可在液态下曝光、在紫外光照射galvanoformungabformung，LIGA)或UV-LIGA工艺下直接发生交联反应的光刻胶制作微流控芯片复型制作，模具制作本身仍工艺复杂、成

6、本高。模具的新设想。以快速、低成本、工艺简单为目的，为降低模具制作成本，近年来研究者开始尝试研究出了一套利用液体光刻胶快速制作微通道模具直接以光刻胶结构为模具，以聚二甲基硅氧烷的新方法，并对制作过程中影响制作效果的几个关(Poly(dimethylsiloxane)，PDMS)为芯片材料，采用键因素进行了讨论。[1-2]模塑法制作微流控芯片。PDMS是一种广泛应用的聚合物芯片材料，它具有能复制特征尺寸为亚微1模具制作工艺米级的微结构，几乎不吸收可见光，对于荧光检测具有良好的光学特性等性质，因而成为最具吸引力模具

7、制作工艺流程如图1所示。[3]的微流控芯片材料之一。首先对基片进行预处理。预处理的目的是增加目前报导的光刻胶模具材料主要为SU-8光刻光刻胶结构与基片的结合力，以防止脱模过程中将光刻胶结构从基片上剥离。本研究以载玻片为基片，∗国家高技术研究发展计划(863计划，03AA404040)和国家自然科学基首先在清洗干净的载玻片上涂一层硅烷耦联剂，并金(50305026)资助项目。20060817收到初稿，20070228收到修改稿1060机械工程学报第43卷第6期期曝光后揭掉光刻掩模和聚醛氟乙丙烯保护膜，用无水乙醇进

8、行显影。显影的目的是将曝光过程中被光刻掩模黑色部分遮蔽处的未固化液体光刻胶溶解除去。将整个结构浸入无水乙醇，振荡2～3min，取出吹干。第一次曝光时为保证线宽精度和断面形状，一般曝光时间较短，光刻胶固化不完全，为增加光刻胶结构的强度和光刻胶结构与基片的结合力，将显影后的基片放置在紫外光源下进行二次曝光，使光刻胶完全固化。2光刻掩模和光刻胶传统微制作工艺使用的光刻掩模为镀铬玻璃板或镀铬石