微流控技術(shù)是下一代醫(yī)療診斷顛覆性技術(shù)，2003年被福布斯(Forbes)雜志評為影響人類未來15件最重要的發(fā)明之一。通過在固體芯片表面構(gòu)建微型的反應(yīng)和分析單元，可以實(shí)現(xiàn)對無機(jī)離子、有機(jī)物質(zhì)、核酸、蛋白質(zhì)和其他生化組份快速、準(zhǔn)確的檢測，所以也稱微流控芯片為“芯片上的實(shí)驗(yàn)室”(Lab on a chip)。

微流控加工方法基于傳統(tǒng)MEMS微加工技術(shù)，所使用的材料包括硅、玻璃（石英）、有機(jī)聚合物等，其中聚合物由于以下特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用：

1. 低成本和易加工性

2. 光學(xué)透明性

3. 化學(xué)惰性和電絕緣性

4. 表面可修飾性和可密封性

廣泛應(yīng)用于微流控芯片的聚合物有彈性體PDMS，硬質(zhì)塑料PMMA、PC、COC、COP等。

聚合物的微加工方法可分為兩類，一為直接加工技術(shù)，如微機(jī)械加工，光刻等，二為基于微模具的復(fù)制技術(shù)，其中微模具多為第一類直接加工技術(shù)得來。而對于聚合物微流控芯片，直接加工方式運(yùn)用在批量生產(chǎn)中成本高，基于微模具的復(fù)制技術(shù)分為以下幾類：

1.PDMS澆注技術(shù)

PDMS（聚二甲基硅氧烷）作為一種高分子有機(jī)硅化合物。具有光學(xué)透明，且在一般情況下，被認(rèn)為是惰性，無毒，不易燃，是最廣泛使用的硅為基礎(chǔ)的有機(jī)聚合物材料，因其成本低，使用簡單，同硅片之間具有良好的粘附性，廣泛應(yīng)用于微流控領(lǐng)域。

PDMS具有熱固性，在制造或成型過程的前期為液態(tài)，固化后即不溶不熔，也不能再次熱熔或軟化。PDMS澆注操作方便，以此為基礎(chǔ)開發(fā)的軟光刻、微接觸印刷等技術(shù)在微流控芯片加工中得到了推廣應(yīng)用。

圖1 PDMS翻模操作

2. 熱壓(Hot Embossing)技術(shù)  

熱壓成型技術(shù)是當(dāng)前在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域里最為常用的復(fù)制聚合物微結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)，應(yīng)用了材料的熱塑性，其加工過程主要包含以下步驟：

(1)聚合物基片（圓盤或薄片）放置在熱壓裝置中，并在真空環(huán)境下使溫度達(dá)到聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；

(2)壓頭同樣被加熱到相同（或略高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）；

(3)壓頭一般以一定的壓力壓入聚合物基片，該壓力的大小取決于聚合物基片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、基片的材料以及壓頭的材料；

(4)壓頭和基片勻速降溫到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下，然后再進(jìn)行分離（或開模），得到制品的微結(jié)構(gòu)。

圖2 熱壓成型的流程

圖3 典型的熱壓成型參數(shù)圖

雖然在工業(yè)界并不是很看好該項(xiàng)技術(shù)，但對于有些結(jié)構(gòu)，熱壓是惟一的合理解決方案，而通過一些技術(shù)，也可以做到可控的商業(yè)化。

熱壓成型的優(yōu)勢在于方便平板類零件的大面積成型，且無需復(fù)雜的模具，設(shè)備成本低，但最大的問題在于效率，因?yàn)樯郎睾徒禍氐倪^程需要耗費(fèi)大量時間。

北京化工大學(xué)的Daming Wu等改進(jìn)了工藝，將模具壓頭保持一個預(yù)設(shè)的較高溫度，脫模后散熱，極大的提高了效率，但也增加工藝復(fù)雜性，導(dǎo)致工藝不穩(wěn)定的問題。

為了使熱壓成型進(jìn)一步批量化，卷對卷（roll to roll）熱壓成型稱為近階段的研究熱點(diǎn)。如圖5尤其對于柔性器件大批量制造有很強(qiáng)的優(yōu)勢。

圖4 改進(jìn)的熱壓成型工藝參數(shù)

圖5 卷對卷熱壓成型概念圖

3. 注塑(Injection Molding)

到目前為止，在微觀領(lǐng)域最廣泛制備聚合物的加工過程就是注塑成型，也是工業(yè)界的優(yōu)先選擇。注塑成型也稱注射成型、注射模塑成型等，是聚合物高效、高精度、批量復(fù)制方法，該項(xiàng)技術(shù)也擴(kuò)展應(yīng)用到了金屬、陶瓷粉末注射成型。注塑成型還發(fā)展出了眾多類似技術(shù)，比如反應(yīng)注射成型（Reaction Injection Molding）、微發(fā)泡注塑成型（Microcellular Injection molding）、微擠出成型（Micro Extrusion Molding）等。

注塑成型，也簡稱微成型，是LIGA工藝的重要一環(huán)。注塑成型方法的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)速度快、效率高，操作可實(shí)現(xiàn)自動化，花色品種多，形狀可以由簡到繁，尺寸可以由大到小，而且制品尺寸精確，能成形狀復(fù)雜的制件。

注射成型過程大致可分為合模、射膠、保壓、冷卻、開模、制品取出等階段，上述工藝反復(fù)進(jìn)行，就可批量周期性生產(chǎn)出制品。

圖6 注塑成型的流程

然而對于微尺度結(jié)構(gòu)的加工，尤其是高深寬比結(jié)構(gòu)的填充，注塑成型通常做的不如熱壓成型填充率高，對于微結(jié)構(gòu)的填充最有效的辦法是使用變模溫注塑技術(shù)，即在一個循環(huán)周期內(nèi)將模具溫度實(shí)現(xiàn)高低溫切換，實(shí)現(xiàn)填充效果的優(yōu)化。

圖7 常規(guī)注塑成型vs變模溫注塑成型

圖8 注塑工藝優(yōu)化SEM圖

4. 吸塑（Thermoforming）

吸塑將聚合物薄膜片材加熱變軟后，采用真空吸附于模具表面，冷卻后成型。該工藝量產(chǎn)性好，但由于對片材厚度要求高，芯片強(qiáng)度受限。

圖9 吸塑工藝得到的離心式微流控芯片

5. 高溫壓制成型或澆鑄成型

一種直接使用注塑塑膠粒子，在簡易熱壓裝置中，很小壓力或不加壓，主要利用高溫聚合物流動性成型的方法，類似于納米壓印的技術(shù)，主要應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)室快速原型制造的階段。

圖10 直接利用塑料粒子進(jìn)行高溫壓制或澆鑄成型

結(jié)語：基于模具的聚合物微加工技術(shù)是目前微流控芯片制作的主流，壓印尤其是注塑技術(shù)適用于批量生產(chǎn)，是最具有量產(chǎn)前景的技術(shù)。

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作者Wendell

北京大學(xué)博士，研究方向MEMS微加工，在國際頂級mems、transducers會議上發(fā)表多篇文章，歐洲訪學(xué)歸國，專注微成型領(lǐng)域5年以上。

參考文獻(xiàn)：（略）