1.微流控技術(shù)及微流控芯片

微流控（microfluidics）是一種精確控制和操控微尺度流體，尤其特指亞微米結(jié)構(gòu)的技術(shù)。在20世紀(jì)80年代興起，是一個(gè)涉及了工程學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、微加工和生物工程等領(lǐng)域的交叉學(xué)科。微流控研究的空間特征尺度在微米量級(jí)，介于宏觀尺度和納米尺度之間，流體運(yùn)動(dòng)顯示出二重性：一方面，微米尺度仍然遠(yuǎn)大于通常意義上分子的平均自由程，因此，對(duì)于其中的流體而言，連續(xù)介質(zhì)定理成立，連續(xù)性方程可用，電滲和電泳淌度與尺寸無(wú)關(guān)；另一方面，相對(duì)于宏觀尺度，微米尺度上的慣性力影響減小，粘性力影響增大，雷諾數(shù)變小，層流特點(diǎn)明顯，傳質(zhì)過(guò)程從以對(duì)流為主轉(zhuǎn)為以擴(kuò)散為主，并且面體比增加，粘性力、表面張力及換熱等表面作用增強(qiáng)，邊緣效應(yīng)增大，三維效應(yīng)不可忽略。

   微流控芯片（microfluidic chips，又稱芯片實(shí)驗(yàn)室）是微流控技術(shù)實(shí)現(xiàn)的主要平臺(tái)和技術(shù)裝置, 其主要特征是容納流體的有效結(jié)構(gòu)（通道、反應(yīng)室和其他某些功能部件）至少在一個(gè)維度上為微米級(jí)尺度。微流控芯片具有液體流動(dòng)可控、消耗試樣和試劑極少、分析速度高等特點(diǎn)，可在幾分鐘甚至更短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行上百個(gè)樣品的分析，并且可在線實(shí)現(xiàn)樣品的預(yù)處理及分析全過(guò)程。芯片實(shí)驗(yàn)室的代表性技術(shù)就是針對(duì)極小量（10-9~10-18 L）的流體進(jìn)行操控的微流控技術(shù)。芯片實(shí)驗(yàn)室也包括了非流動(dòng)的靜態(tài)微型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通常為微陣列芯片（micro-arrays），如基因芯片、蛋白質(zhì)芯片等生物芯片。這類芯片可以認(rèn)為是微流控芯片的特殊類型，其特點(diǎn)是流體的流量通常未被控制，一般通過(guò)檢測(cè)點(diǎn)陣上的不同反應(yīng)來(lái)進(jìn)行分析。

作為一種新興的科學(xué)技術(shù)，微流控受到許多從事物理科學(xué)、生命科學(xué)以及工程科學(xué)的研究者的廣泛關(guān)注?？蒲惺袌?chǎng)和醫(yī)療的需求，加上微納米加工技術(shù)的日益成熟，催生了微流控芯片技術(shù)并加速了它的發(fā)展。如在醫(yī)療健康、檢驗(yàn)檢疫、環(huán)境監(jiān)測(cè)、勞動(dòng)保護(hù)、司法鑒定等領(lǐng)域，以及微量分子分析、分離分析技術(shù)的微型化以及分子生物學(xué)研究領(lǐng)域的大通量和低消耗的實(shí)驗(yàn)技術(shù)的迫切需求，成為微流控芯片技術(shù)發(fā)展的巨大推動(dòng)力。20世紀(jì)后期迅速發(fā)展的微電子工業(yè)積累了大量的微流控芯片加工所必需的理論和技術(shù)，許多相關(guān)設(shè)備、儀器和新材料應(yīng)運(yùn)而生。近年來(lái)，微流控研究發(fā)展迅速，技術(shù)創(chuàng)新層出不窮，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬。

微流控芯片技術(shù)從概念提出到誕生和發(fā)展，都離不開微加工技術(shù)。微加工技術(shù)的發(fā)展與微流控芯片的發(fā)展息息相關(guān)。首個(gè)現(xiàn)代意義上的微流控裝置可能是1975年斯坦福大學(xué)Terry等發(fā)明的。他們利用微加工手段，在一片硅晶片上蝕刻出了微細(xì)的管道，用作氣相色譜的色譜柱，進(jìn)行微量氣體分離分析的研究。1990年，Manz等人提出微全分析系統(tǒng)（micro total analysis system，μTAS）的概念，微流控芯片進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。新材料應(yīng)用和發(fā)展使得微加工本身的內(nèi)涵也得到了豐富。1998年，Whitesides GM提出了軟蝕刻技術(shù)的概念，從此宣告微流控芯片進(jìn)入了以彈性聚二甲基硅氧烷（PDMS）為關(guān)鍵材料的時(shí)代。

 隨著微流控芯片技術(shù)的逐漸展開及微分析技術(shù)的需求，芯片構(gòu)型設(shè)計(jì)越加豐富，出現(xiàn)了一系列形式各異、具有多種微通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的芯片構(gòu)型。如電泳芯片分離通道的網(wǎng)絡(luò)形狀主要有：直線型、螺旋型、彎曲蛇形、多邊形、折疊形等。由于生化分析的復(fù)雜性和多樣性需求，微流控芯片技術(shù)的發(fā)展趨于組合化和集成化，經(jīng)常需在一塊芯片基片上集成多種功能單元，如化學(xué)反應(yīng)器、生物反應(yīng)器、過(guò)濾裝置等以進(jìn)行多種樣品的分析檢測(cè)，以用于DNA測(cè)序和突變點(diǎn)檢測(cè)，氨基酸、蛋白質(zhì)、細(xì)胞檢測(cè)和藥物篩選等。基于高通量快速分離的需要，多通道陣列并行操作是微流控芯片的發(fā)展趨勢(shì)，芯片通道數(shù)量已從最初的12通道、96通道，發(fā)展到384通道。

2.微流控芯片的制備

微流控芯片通過(guò)微細(xì)加工技術(shù)集成各種不同功能的單元，如微反應(yīng)池、微泵、微閥、檢測(cè)單元等。微通道加工技術(shù)與以硅材料二維和淺深度加工為主的集成電路芯片不同。微流控芯片微通道的兩個(gè)重要指標(biāo)是深寬比和微通道界面形狀。深寬比指在基片上形成的微結(jié)構(gòu)的深度特征與寬度特征之比，高深寬比結(jié)構(gòu)加工難度較大。對(duì)于直接加工法，形狀特征與腐蝕的方向性有關(guān)，即各向同性或各向異性會(huì)形成不同的幾何形貌特征；對(duì)于復(fù)制加工方法，如熱模壓和模塑法等，微通道幾何形狀直接與模板形狀及加工工藝有關(guān)。

3.微流控芯片的材料

微流控芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題是選取芯片材料，選取材料時(shí)考慮的主要因素是：

① 優(yōu)良的加工性能，便于大批量生產(chǎn)以降低費(fèi)用。材料具備良好的加工性能是提高成品率和自動(dòng)化生產(chǎn)的前提，也是芯片批量生產(chǎn)的前提條件；

② 生物相容性或化學(xué)惰性，不影響分析試劑、藥物的化學(xué)性質(zhì)；

③ 散熱和絕緣性；

④ 良好的光透性能，適應(yīng)光學(xué)檢測(cè)的要求。

另外還要考慮材料的電滲流特性、表面可修飾性及可密封性能等。在實(shí)際操作中，一般根據(jù)使用要求有所取舍，但材料應(yīng)有良好的工藝性以便于未來(lái)產(chǎn)品開發(fā)。到目前為止，制作微流控芯片的材料主要有：硅、玻璃、石英、高聚物、陶瓷、紙等。選擇合適的材料對(duì)于制作工藝選擇和微流控芯片的成功應(yīng)用非常重要。

3.1. 硅材料  

單晶硅是最先嘗試使用的芯片基材。硅及二氧化硅具有良好的化學(xué)惰性和熱穩(wěn)定性，而且硅的微細(xì)加工技術(shù)已趨成熟。即使復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，也可用整體和表面微加工技術(shù)進(jìn)行高精度的復(fù)制。硅材料的缺點(diǎn)在于易碎、成本高、不透光、電絕緣性差且表面化學(xué)行為復(fù)雜等，雖然較厚的氧化層（>15μm）可以提高其絕緣層，但厚氧化層尚無(wú)成熟的鍵合方法。上述缺點(diǎn)限制了硅材料在微流控芯片中的廣泛應(yīng)用。但由于硅和聚合物材料間的粘附系數(shù)小，故現(xiàn)常用來(lái)制作聚合物微通道芯片時(shí)所用到的模具。

3.2. 玻璃  

玻璃和石英彌補(bǔ)了單晶硅在電學(xué)和光學(xué)方面的不足，價(jià)廉、易得，具有良好的電滲性和良好的光學(xué)性質(zhì)，為微系統(tǒng)的故障診斷和光學(xué)檢測(cè)提供了便利條件；潤(rùn)濕能力、表面吸附和表面反應(yīng)性等有利于使用不同的化學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行表面改性；耐腐蝕性也可滿足大多應(yīng)用的需要。玻璃的微細(xì)加工工藝較為成熟，能夠滿足一般應(yīng)用需要。由于表面性質(zhì)與毛細(xì)管電泳中的毛細(xì)管材料性質(zhì)基本相同，很多積累的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)可以方便地移植到芯片上來(lái)。在發(fā)展初期，這一技術(shù)極大地促進(jìn)了微流控芯片的發(fā)展。然而，玻璃和石英微流控芯片存在著制作工藝復(fù)雜，加工成本過(guò)高，而且使用玻璃和石英作基體材料時(shí)，通常使用各向同性腐蝕技術(shù)，很難獲得高深寬比的微結(jié)構(gòu)，深度刻蝕困難，鍵合溫度高和鍵合成品率低，使芯片性能難以改善，且需要相應(yīng)的潔凈條件和制作設(shè)備，工藝過(guò)程復(fù)雜。玻璃要加工制作復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)比較困難，步驟相對(duì)繁瑣，而且要想制作對(duì)液體操控所必需的微泵和微閥是非常困難的。這些都限制了玻璃微芯片的普及化和深度產(chǎn)業(yè)化。

3.3.高分子聚合物  

與硅和玻璃相比，聚合物材料種類多、選擇面廣、價(jià)格便宜，具有良好的絕緣性和透光性，可施加高電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)快速分離，成型容易、批量生產(chǎn)成本低，易獲得高深寬比的微結(jié)構(gòu)，微通道表面一般不需或僅需較少修飾，絕大部分聚合物材料對(duì)生物樣品或化學(xué)樣品具有相容性，更適合于一次性使用，具有廣闊的應(yīng)用前景，已引起國(guó)內(nèi)外極大的關(guān)注。用于制作微流控芯片的聚合物主要可分為三類：熱塑性聚合物、固化型聚合物和溶劑揮發(fā)型聚合物。熱塑性聚合物有聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）和聚乙烯（PE）等；固化型聚合物有聚二甲基硅氧烷（PDMS）、環(huán)氧樹脂和聚氨酯等；溶劑揮發(fā)型聚合物有丙烯酸、橡膠和氟塑料等。其中，常用的有PMMA和PDMS。PMMA材料具有良好的電絕緣性，可施加高電場(chǎng)進(jìn)行快速分離。透光性好，成本低，成型容易，可選擇多種加工方法，如模壓法、注塑法、準(zhǔn)分子激光微刻蝕加工等，現(xiàn)已得到了極為廣泛的應(yīng)用。彈性高分子材料PDMS（又稱硅橡膠），具有價(jià)格便宜，絕緣性好，無(wú)毒；它的透光性好，能透過(guò)250 nm以上的紫外光與可見光，易于檢測(cè)；成型容易，批量生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。但PDMS材料制成的微結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較差，疏水性較強(qiáng)，經(jīng)常需要進(jìn)行特別處理來(lái)進(jìn)行改進(jìn)。

選擇聚合物做芯片材料時(shí)，應(yīng)根據(jù)加工工藝、應(yīng)用環(huán)境及檢測(cè)方法等諸多因素和聚合物的光電、機(jī)械及化學(xué)性質(zhì)選擇適用的類型，并注意聚合物材料在所使用的環(huán)境下的惰性、電絕緣性、熱性能和表面合適的修飾改性方法等。一般應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

① 良好的加工性  不同的加工方法對(duì)聚合物的加工性有不同的要求。例如，模壓法加工時(shí)要求芯片材料具有熱塑性，而模塑法用的高分子材料應(yīng)具有低粘度，低固化溫度，在重力作用下，可充滿模具上的微通道和凹槽等處。由于微通道的構(gòu)型越來(lái)越趨于復(fù)雜，高深寬比的微通道的優(yōu)點(diǎn)很多，所以聚合物材料應(yīng)具有良好的加工性。  

② 良好的電絕緣性和熱性能  由于微流控芯片中的液體驅(qū)動(dòng)經(jīng)常采用電驅(qū)動(dòng)方式，而且芯片經(jīng)常被用于進(jìn)行電泳分離，加高壓電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生熱量，高溫或局部高溫都會(huì)對(duì)分離效果造成影響，所以材料應(yīng)有良好的電絕緣性和熱性能。   

③ 良好的光學(xué)性質(zhì)  對(duì)于熒光檢測(cè)和紫外檢測(cè)而言，材料必須在相應(yīng)的波長(zhǎng)范圍內(nèi)有良好的透光性，才能進(jìn)行有效的檢測(cè)。  

④ 表面易于修飾改性  聚合物材料的表面易于進(jìn)行改性，如通過(guò)紫外、等離子體、激光和化學(xué)處理等，不僅可改變電滲流，而且還可減少樣品的的吸附。  

⑤ 在使用條件下材料呈化學(xué)惰性  由于在微分析操作中經(jīng)常要接觸到各種試劑，需要一定抗溶劑能力和耐酸堿能力，因此，在所采用的分析條件下材料應(yīng)是惰性的。  

⑥ 根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合合理選擇  當(dāng)制作普通微流控芯片時(shí)，可選用軟化溫度較低的材料，如有機(jī)玻璃或聚苯乙烯；制作PCR與CE集成芯片時(shí)，可選用軟化溫度較高的材料，如聚碳酸酯或聚丙烯等。

3.4. 陶瓷  

陶瓷材料易碎、透光性不好，但耐高溫，有較高的抗壓強(qiáng)度，采用軟刻蝕或激光加工可制出微通道，適于極限惡劣條件下使用，如航空、太空試驗(yàn)和極地考察等。

3.5.紙  

微流控紙芯片（lab-on-paper，紙上微型實(shí)驗(yàn)室）是近幾年發(fā)展的一種新型微流控芯片。用紙張作為基底代替硅、玻璃、高聚物等材料，通過(guò)各種加工技術(shù)，在紙上加工出具有一定結(jié)構(gòu)的親/疏水微細(xì)通道網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)分析器件。

與傳統(tǒng)的硅、玻璃、高聚物微流控芯片相比，微流控紙芯片具有如下優(yōu)點(diǎn)：

① 成本更低。紙張來(lái)源豐富，且其價(jià)格遠(yuǎn)低于硅、玻璃/石英、甚至高聚物等材質(zhì)；可通過(guò)簡(jiǎn)單的光刻、蠟印、噴墨打印、繪圖等方式制作二維紙芯片，或通過(guò)簡(jiǎn)單的折紙或多層紙片疊加的方法制作三維紙芯片，因此紙芯片制作簡(jiǎn)便，其加工成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)微流控芯片。

② 分析系統(tǒng)更易微型化、便攜化。濾紙本身具有很強(qiáng)的毛細(xì)管作用，經(jīng)圖案化疏水性處理即能引導(dǎo)溶液有序流動(dòng)，因此無(wú)需外置的驅(qū)動(dòng)泵；紙張薄（0.07 ~ 1 mm），質(zhì)地輕，且可折疊，因此易于保存和運(yùn)輸。

③ 生物相容性好。濾紙的主要成分為纖維素，具有良好的生物相容性，可以在其表面固定酶、蛋白質(zhì)和DNA等生物大分子。

④ 檢測(cè)背景低。紙張通常是白色，有利于在紙芯片上開展比色分析。

⑤ 后處理簡(jiǎn)單，無(wú)污染。紙芯片使用完后，可通過(guò)簡(jiǎn)單安全的燃燒方法進(jìn)行處理，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

4.微流控芯片的制作技術(shù)

（1）光刻和刻蝕技術(shù)  傳統(tǒng)的用于制作半導(dǎo)體及集成電路芯片的光刻和刻蝕技術(shù)，是微流控芯片加工工藝中最基礎(chǔ)的。它是用光膠、掩膜和紫外光進(jìn)行微細(xì)加工，工藝成熟，已廣泛用于硅、玻璃和石英基片上制作微結(jié)構(gòu)。光刻和刻蝕技術(shù)由薄膜沉積、光刻和刻蝕三個(gè)工序組成。復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)可通過(guò)多次重復(fù)薄膜沉積-光刻-刻蝕這三個(gè)工序來(lái)完成。  

光刻前先要在干凈的基片表面覆蓋一層薄膜，薄膜的厚度為數(shù)埃到幾十微米，這一工藝過(guò)程稱之為薄膜沉積。薄膜按性能不同可分為器件工作區(qū)的外延層，限制區(qū)域擴(kuò)張的掩蔽膜，起保護(hù)、鈍化和絕緣作用的絕緣介質(zhì)膜，用作電極引線和器件互連的導(dǎo)電金屬膜等。膜材料常見有二氧化硅、氮化硅、硼磷硅玻璃、多晶硅、電導(dǎo)金屬、光刻抗蝕膠、難熔金屬等。制造加工薄膜的主要方法有氧化、化學(xué)氣相沉積、蒸發(fā)、濺射等。  

在薄膜表面均勻地覆蓋上一層光膠，將掩膜上微流控芯片設(shè)計(jì)圖案通過(guò)曝光成像的原理轉(zhuǎn)移到光膠層上的工藝過(guò)程稱為光刻。光刻技術(shù)一般有以下基本工藝過(guò)程構(gòu)成：  

①基片的預(yù)處理。通過(guò)脫脂、拋光、酸洗、水洗的方法使基片表面凈化，確保光刻膠與基片表面有良好的粘附。  

②涂膠。在經(jīng)過(guò)處理的基片表面均勻涂覆一層粘性好、厚度適當(dāng)?shù)墓饪棠z。膠膜太薄，易生成針孔，抗蝕能力差；太厚則不易徹底顯影，同時(shí)會(huì)降低分辨率。光刻膠的實(shí)際厚度與它的粘度有關(guān)，并與甩膠機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度的平方根成反比。涂膠方法有旋轉(zhuǎn)涂覆法、刷涂法、浸漬法、噴涂法等。  

③前烘。在一定的溫度下，使光刻膠液中溶劑揮發(fā)，增強(qiáng)光刻膠與基片粘附以及膠膜的耐磨性。前烘的溫度和時(shí)間由光致抗蝕劑的種類和厚度決定，常采用電熱恒溫箱、熱空氣或紅外熱源。前烘溫度和時(shí)間要合適，若溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成顯影時(shí)留下底膜或感光靈敏度下降，腐蝕時(shí)出現(xiàn)小島；若溫度過(guò)低或時(shí)間過(guò)短，會(huì)造成顯影后針孔增加，或產(chǎn)生浮膠、圖形變形等現(xiàn)象。  

④曝光。將已制備好所需芯片圖形的光刻掩膜覆蓋在基片上，用紫外線等透過(guò)掩膜對(duì)光刻膠進(jìn)行選擇性照射。受光照射的光刻膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在實(shí)際操作中，曝光時(shí)間由光刻膜、膠膜厚度、光源強(qiáng)度以及光源與基片間距決定。曝光的方式有化學(xué)曝光、接觸式和接近式復(fù)印曝光、光學(xué)投影成像曝光。  

⑤顯影。用光膠配套顯影液通過(guò)化學(xué)方法除去經(jīng)曝光的光膠（正光膠）或未經(jīng)曝光的光膠（負(fù)光膠），顯影液和顯影時(shí)間的選擇對(duì)顯影效果的影響很大。選擇顯影液的原則是，對(duì)需要去除的那部分膠膜溶解度大、溶解速度快，對(duì)需要保留的那部分溶解度小。顯影時(shí)間視光致抗蝕劑的種類、膠膜厚度、顯影液種類、顯影溫度和操作方法而異。  

⑥堅(jiān)膜。將顯影后的基片進(jìn)行清洗后在一定溫度下烘烤，以徹底除去顯影后殘留于膠膜中的溶劑或水分，使膠膜與基片緊密粘附，防止膠層脫落，并增強(qiáng)膠膜本身的抗蝕能力。堅(jiān)膜的溫度和時(shí)間要合適。  

刻蝕是將光膠層上的平面二維圖形轉(zhuǎn)移到薄膜上并進(jìn)而在基片上加工成一定深度微結(jié)構(gòu)的工藝。選用適當(dāng)?shù)目涛g劑，使它對(duì)光膠、薄膜和基片材料的腐蝕速度不同，可以在薄膜或基片上產(chǎn)生所需的微結(jié)構(gòu)。根據(jù)刻蝕劑狀態(tài)不同，可將腐蝕工藝分為濕法刻蝕和干法刻蝕兩大類。濕法刻蝕是通過(guò)化學(xué)刻蝕液和被刻蝕物質(zhì)間的化學(xué)反應(yīng)將被刻蝕物質(zhì)剝離下來(lái)的刻蝕方法。大多數(shù)濕法刻蝕是不容易控制的各向同性腐蝕。其特點(diǎn)是選擇比高、均勻性好、對(duì)硅片損傷少，幾乎適用于所有的金屬、玻璃、塑料等材料。缺點(diǎn)是圖形保真度不強(qiáng)，橫向腐蝕的同時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)側(cè)向鉆蝕，以致刻蝕圖形的最少線寬受到限制。干法刻蝕指利用高能束與表面薄膜反應(yīng)，形成揮發(fā)性物質(zhì)，或直接轟擊薄膜表面使之被腐蝕的工藝。其最大的特點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)各向異性刻蝕，即在縱向的刻蝕速率遠(yuǎn)大于橫向刻蝕的速率，從而保證細(xì)小圖形轉(zhuǎn)移后的保真性。干法刻蝕的作用基礎(chǔ)是等離子體。

用光刻的方法加工微流控芯片時(shí)，必須首先制造光刻掩模。掩膜的基本功能是基片受到光束照射時(shí)，在圖形區(qū)和非圖形區(qū)產(chǎn)生不同的光吸收和透過(guò)能力。對(duì)掩模有如下要求：

① 掩模的圖形區(qū)和非圖形區(qū)對(duì)光線的吸收或透射的反差要盡量大；

② 掩模的缺陷如針孔、斷條、橋連、臟點(diǎn)和線條的凹凸等要盡量少；

③ 掩模的圖形精度要高。

通常用于大規(guī)模集成電路的光刻掩模材料有涂有光膠的鍍鉻玻璃板或石英板。用計(jì)算機(jī)制圖系統(tǒng)將掩模圖形轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)文件，再通過(guò)專用接口電路控制圖形發(fā)生器中的曝光光源、可變光闌、工作臺(tái)和鏡頭，在掩模材料上刻出所需的圖形?；蛴梦C(jī)通過(guò)CAD軟件將設(shè)計(jì)微通道的結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)化為圖像文件后，用高分辨率的打印機(jī)將圖像打印到透明薄膜上。此透明薄膜可作為光刻用的掩模, 基本能滿足微流控芯片對(duì)掩模的要求。

（2）熱壓法  

熱壓法（hot embossing）是一種應(yīng)用較廣泛的快速?gòu)?fù)制電泳微通道的芯片制作技術(shù)，適用于PMMA與PC等熱塑性聚合物材料。熱壓法的模具可以是直徑在50 μm以下的金屬絲或是刻蝕有凸突的微通道骨片陽(yáng)膜，如鎳基陽(yáng)模、單晶硅陽(yáng)模、玻璃陽(yáng)模、微機(jī)械加工的金屬陽(yáng)模。在熱壓裝置中將聚合物基片加熱到軟化溫度，通過(guò)在模具上施加一定的壓力，保持30 ~ 60s，可在聚合物基片上壓制出與模具凹凸互補(bǔ)的微通道。此法可大批量復(fù)制，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，但所用材料有限。

（3）模塑法  

用光刻和刻蝕的方法先制出陽(yáng)模（所需通道部分突起），澆注液態(tài)的高分子材料，然后將固化后的高分子材料與陽(yáng)模剝離，得到具有微通道芯片的這種制備微芯片的方法稱為模塑法。模塑法的關(guān)鍵在于模具和高分子材料的選擇，理想的材料應(yīng)相互之間粘附力小，易于脫模。  

微通道的陽(yáng)膜可由硅材料、玻璃、環(huán)氧基SU-8負(fù)光膠和PDMS等制造。硅或玻璃陽(yáng)膜可采用標(biāo)準(zhǔn)刻蝕技術(shù)。PDMS模具可通過(guò)直接澆注于由硅材料、玻璃等材料制的母模上制得。通過(guò)光刻可在SU-8 負(fù)光膠上得到高深寬比（20 :1）和分辯率高達(dá)幾微米的圖形，經(jīng)顯影烘干后可直接作模具用。  

澆注用的高分子材料應(yīng)具有低粘度，低固化溫度。在重力作用下，可充滿模子上的微通道和凹槽等處?？捎玫牟牧嫌袃深悾汗袒途酆衔锖腿軇]發(fā)型聚合物。固化型聚合物有PDMS、環(huán)氧樹脂和聚氨酯等，與固化劑混合，固化變硬后得到微流控芯片；溶劑揮發(fā)型聚合物有丙烯酸、橡膠和氟塑料等，溶劑緩慢揮發(fā)而得到芯片。雖然模塑法受限于高分子材料，但該法簡(jiǎn)便易行，芯片可大批量復(fù)制，且不需要昂貴的設(shè)備，是一個(gè)可以制作廉價(jià)分析芯片的方法。

（4）注塑法  

注塑法的工藝是通過(guò)光刻和刻蝕技術(shù)在硅片上刻蝕出電泳芯片陰模，用此陰模進(jìn)行24h左右的電鑄，得到0.5 cm厚的鎳合金模，再將鎳合金模加厚，精心加工制成金屬注塑模具，將此模具安裝在注塑機(jī)上批量生產(chǎn)聚合物微流控芯片基片。在注塑法制作過(guò)程中，模具制作復(fù)雜，技術(shù)要求高，周期長(zhǎng)，是整個(gè)工藝過(guò)程中的關(guān)鍵步驟。一個(gè)好的模具可生產(chǎn)30 ~ 50萬(wàn)張聚合物芯片，重復(fù)性好，生產(chǎn)周期短，成本低廉，適宜于已成型的芯片生產(chǎn)。

（5）LIGA技術(shù)  

LIGA是德文Lithographie，Galvanoformung，Abformung三個(gè)字的字頭縮寫。LIGA技術(shù)是由光刻、電鑄和塑鑄三個(gè)環(huán)節(jié)組成。第一步為同步輻射深度X光曝光，可將掩膜上的圖形轉(zhuǎn)移到有幾百微米厚的光刻膠上，得到一個(gè)與掩膜結(jié)構(gòu)相同、厚度幾百微米、最小寬度為幾微米的三維立體結(jié)構(gòu)。電鑄可采用電鍍的方法，用光刻膠下面的金屬進(jìn)行電鍍，將光刻膠圖形上的間隙用金屬填充，形成一個(gè)與光刻膠圖形凹凸互補(bǔ)的金屬凹凸版圖，將光刻膠及附著的基底材料除掉，得到鑄塑用的金屬模具。通過(guò)金屬注塑版上的小孔將塑料注入金屬模具腔體內(nèi)，加壓硬化后得到與掩膜結(jié)構(gòu)相同的芯片。熱塑性高分子材料，如聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚偏二氟乙烯都可以通過(guò)注塑的方法復(fù)制微流控芯片。LIGA技術(shù)已用于高深寬比的聚合物芯片制作，也可用于加工微電機(jī)、微泵、微閥等三位微器件。

準(zhǔn)LIGA技術(shù)是用紫外光光源來(lái)代替LIGA技術(shù)中的同步輻射X光深層光刻，然后進(jìn)行后續(xù)的微電鑄和微復(fù)制工藝。它不需要同步輻射X光光刻和特制的X光掩膜板，有利于實(shí)現(xiàn)微機(jī)械器件的大批量生產(chǎn)。根據(jù)紫外光深層光刻的工藝路線的不同，準(zhǔn)LIGA技術(shù)又可分為多層光刻—LIGA、硅模深刻蝕—LIGA和SU-8深層光刻—LIGA三類。

（6）激光燒蝕法  

激光燒蝕法是一種非接觸式的微細(xì)加工技術(shù)。它可直接根據(jù)計(jì)算機(jī)CAD的數(shù)據(jù)在金屬、塑料、陶瓷等材料上加工復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，已應(yīng)用于微模和微通道的加工。用紫外激光使可降解高分子材料曝光，把底片上的二維幾何圖形精確復(fù)制下來(lái)。調(diào)整曝光強(qiáng)度可控制材料的光解深度。用壓力吹掃去除降解產(chǎn)物，得到帶有微通道的基片。所得微流控芯片結(jié)構(gòu)具有受熱破壞小、通道壁垂直、深寬比大等特點(diǎn)。通常，可根據(jù)燒蝕對(duì)象選擇激光的脈沖強(qiáng)度和脈沖數(shù)。該法可應(yīng)用于制備聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、醋酸纖維素、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯和聚四氟乙烯等高分子材料芯片。這種方法對(duì)技術(shù)設(shè)備要求較高，步驟簡(jiǎn)便，而且不需超凈環(huán)境，精度高。但由于紫外激光能量大，有一定的危險(xiǎn)，需在標(biāo)準(zhǔn)激光實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行操作，使用安全保護(hù)裝備和防護(hù)眼鏡。

（7）軟光刻  

軟光刻（soft lithography）是相對(duì)于微制造領(lǐng)域中占據(jù)主導(dǎo)地位的光刻而言的微圖形轉(zhuǎn)移和微制造的新方法，以自組裝單分子層、彈性印章和高聚物模塑技術(shù)為基礎(chǔ)，由哈佛大學(xué)Whitesides教授研究組為主的多個(gè)研究集體提出的低成本的微細(xì)加工新技術(shù)。它能制造復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)及不規(guī)則曲面；能應(yīng)用于生物高分子、膠體、玻璃、陶瓷等多種材料；沒有相關(guān)散射帶來(lái)的精度限制，可以達(dá)到30 nm ~ 1 μm級(jí)的微小尺寸；所需設(shè)備簡(jiǎn)單，在普通實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下能應(yīng)用，無(wú)須特別苛刻的微加工條件和實(shí)驗(yàn)條件，一次制成的模板可以多次重復(fù)使用，極大地縮短了芯片制作所需的時(shí)間，加快研究速度，降低芯片制作的難度和成本。因此軟光刻是一種便宜、方便，適于實(shí)驗(yàn)室使用的技術(shù)。  

軟光刻技術(shù)的核心是彈性模印章，可通過(guò)光刻蝕和模塑的方法制得。PDMS是軟光刻中最常用的彈性模印章。軟光刻的關(guān)鍵技術(shù)主要包括微接觸印刷、再鑄模、微傳遞成模、毛細(xì)管成模、溶劑輔助成模等。  

微接觸印刷是指用彈性印章結(jié)合自組裝單分子層技術(shù)在平面或曲面基片上印刷圖形的技術(shù)。已確定的自組裝單分子層體系有烷基硫醇在金銀等金屬表面和烷基硅氧烷在玻璃、硅、二氧化硅表面等體系。微接觸印刷過(guò)程非常簡(jiǎn)單。用一種彈性體PDMS印模通過(guò)接觸來(lái)傳遞“墨水”上的分子到底物表面。印刷之后，通過(guò)含有第二種分子的稀釋液來(lái)沖洗基底，從而在該圖案的非衍生區(qū)生成不同的自組裝單分子層。  

軟光刻再鑄模通常是指用彈性模而不是用剛性模來(lái)重新鑄模。PDMS的彈性和低表面能有利于彈性模的剝離。在PDMS上再鑄模時(shí)，可通過(guò)機(jī)械壓制、綁縛、拉緊或以上幾種應(yīng)變的結(jié)合，獲得比原始印模更小的納米尺寸?；谠勹T模的方法可制作30 nm的有機(jī)聚合物結(jié)構(gòu)，其垂直精度達(dá)±3 nm。  

微傳遞成模是在PDMS模具表面滴入預(yù)聚合物液體，用扁平的PDMS塊刮削或用氮?dú)獯等ミ^(guò)多的液體。盛滿液體的PDMS模在輻射或高溫條件下與底物接觸，液體干燥后，小心移去彈性模，在底物表面得到聚合物微結(jié)構(gòu)。微傳遞成模能夠同時(shí)產(chǎn)生單獨(dú)又相互聯(lián)系的微結(jié)構(gòu)，最為突出的優(yōu)點(diǎn)是其可方便地在不平滑表面生成微結(jié)構(gòu)，或生成較大面積的微結(jié)構(gòu)，也可一層層地疊加建立三維結(jié)構(gòu)。  

毛細(xì)管成模時(shí)將PDMS模置于基底上并與基底表面良好接觸，形成一個(gè)中空的通道網(wǎng)絡(luò)，將低粘度的液態(tài)預(yù)聚合物置于開放的網(wǎng)絡(luò)通道一端，由于毛細(xì)作用，預(yù)聚物會(huì)自發(fā)地逐漸充滿整個(gè)毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)，干燥后取下PDMS模得到所需的聚合物微結(jié)構(gòu)。  

溶劑輔助成模是在聚合物基底上制作準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)的一種軟光刻方法，兼有再鑄模和壓膜的特點(diǎn)。這種方法的關(guān)鍵是選擇一種能溶解聚合物基底卻不使PDMS印模溶脹的溶劑。通常這種溶劑要有較高的蒸汽壓和表面張力，確保多余溶劑較快蒸發(fā)，減小PDMS模的膨脹。      軟光刻技術(shù)還存在著一些缺陷，如PDMS固化后有1%的收縮變形，而且在甲苯和乙烷的作用下，深寬比將出現(xiàn)一定的膨脹；PDMS的彈性和熱膨脹性使其很難獲得高的準(zhǔn)確性，也使軟光刻在多層面的微加工中受到限制；由于彈性模太軟，無(wú)法獲得大的深寬比，太大或太小的寬深比都將導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)的變形或扭曲。  

2000年, 加州理工學(xué)院Quake等提出了一種基于PDMS材料的多層軟蝕刻技術(shù)（multilayer soft lithography）制作新型的氣動(dòng)微閥和微泵的概念。研究組正式應(yīng)用氣動(dòng)微閥技術(shù)以“大規(guī)模集成微流控芯片”為題在美國(guó)《科學(xué)》雜志上發(fā)表文章，介紹集成了上千個(gè)微閥和反應(yīng)器的微流控芯片，標(biāo)志著芯片從簡(jiǎn)單的電泳分離到大規(guī)模集成化的技術(shù)飛躍。如今微流控芯片已經(jīng)成為涵蓋了從分離分析、化學(xué)合成、醫(yī)學(xué)診斷學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、微生物學(xué)等一系列應(yīng)用研究領(lǐng)域的綜合性交叉學(xué)科。

汶顥提供PDMS芯片、PMMA芯片、玻璃芯片、紙芯片等材質(zhì)芯片設(shè)計(jì)、加工服務(wù)。