4.5.微制造技術(shù)的研究進(jìn)展

4.5.1復(fù)制模塑
也許是聚合物模塑工藝中最簡(jiǎn)單的一種，復(fù)制模塑包括將聚合物澆注在印章或模具上。圖5顯示了復(fù)制模制工藝和從硅母版復(fù)制的器件。當(dāng)使用PDMS作為模具材料時(shí)，模具可以在彎曲或輪廓的襯底周?chē)冃我孕纬晒饪屉y以捉摸的圖案區(qū)。此外，復(fù)制模塑可用于復(fù)制納米級(jí)的特征，使用彈性印章意味著與剛性材料相比，從模具中釋放不是問(wèn)題。復(fù)制模塑成型生產(chǎn)微流控部件的主要缺點(diǎn)是目前它不是一個(gè)自動(dòng)化的過(guò)程，因此它的生產(chǎn)能力不足以進(jìn)行工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)。盡管注塑提供了一種具有更高吞吐量的復(fù)制模塑方法，但由于圍繞該主題的大量文獻(xiàn)，該技術(shù)將在第4.5.5節(jié)中更詳細(xì)地討論。

圖5.復(fù)制模塑工藝示意圖。在將預(yù)聚體澆注在頂部之前，制備PDMS母版。一旦預(yù)聚體流入母體的所有區(qū)域，聚合物被固化，并且PDMS母體被移除，從而得到復(fù)制的部分。B-通過(guò)仿制模塑制造的微流控恒化器。彩色染料用來(lái)顯示渠道和硬幣的規(guī)模。

4.5.2。壓花/納米壓印光刻
壓花，或壓印光刻，是一種涉及到材料-通常是聚合物-在模具或帶有浮雕圖案的印章上形成圖案的技術(shù)。這可以通過(guò)多種方式執(zhí)行。最常見(jiàn)的是，將基材置于高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的40-50?°C，然后使印章與基材接觸，兩部分都被冷卻，聚合物回到Tg以下。然后，模制的零件從印章上釋放。此外，可以使用預(yù)聚體來(lái)實(shí)現(xiàn)壓印光刻，然后可以固化該預(yù)聚體以提供固體圖案。在工業(yè)上，光盤(pán)(CD)是這種技術(shù)如何用于消費(fèi)品的大規(guī)模生產(chǎn)的一個(gè)例子--盡管這些過(guò)程中的許多現(xiàn)在已經(jīng)切換到注塑成型。此外，在研究環(huán)境中，壓花已被用于制造能夠?qū)⒐怦詈系讲▽?dǎo)中的柵格，以及可靠地再現(xiàn)小至25?nm的特征，這些特征隨后可用作蝕刻掩?；蛴米鹘饘賱冸x的犧牲層。用于壓印光刻的郵票已經(jīng)在許多材料上用多種技術(shù)制造，例如PMMA和石英。此外，公司還開(kāi)發(fā)了用于制作壓花郵票和壓印襯底的商業(yè)系統(tǒng)。壓花作為一種復(fù)制方法也是有利的，因?yàn)樗枰苌俚木酆衔锪鲃?dòng)，因此在最終部分有低的熱應(yīng)力。雖然這一過(guò)程可以自動(dòng)化，但加熱和冷卻基板和工具所需的時(shí)間意味著周期時(shí)間太長(zhǎng)，無(wú)法進(jìn)行高通量制造。

4.5.3 SU-8
IBM開(kāi)發(fā)的負(fù)性抗蝕劑SU-8導(dǎo)致了許多MEMS和芯片實(shí)驗(yàn)室式器件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，而這些器件是為微電子行業(yè)開(kāi)發(fā)的薄膜所難以企及的。

SU-8于1998年首次被發(fā)明，允許研究人員在比以前觀察到的更厚的抗蝕劑層(高達(dá)1200?μm)中創(chuàng)建具有高縱橫比的結(jié)構(gòu)。除了形成這些厚層的能力外，它還具有機(jī)械、熱和化學(xué)性能，使其能夠用于制造用于注塑的鎳模具，直接制造齒輪等微機(jī)械部件，以及直接制造熱流傳感器到光塑材料中，這突出了它對(duì)微流體的適用性。SU-8的處理方式與其他光刻膠大致相同(圖2)，但預(yù)烘烤和曝光時(shí)間必須延長(zhǎng)，以彌補(bǔ)較厚的層。此外，還添加了曝光后烘焙，以加速聚合物在暴露于紫外線輻射的區(qū)域中的交聯(lián)。SU-8還被用來(lái)創(chuàng)造多層結(jié)構(gòu)，可以用來(lái)構(gòu)建復(fù)雜的三維形狀。Mata等人描述了只需一個(gè)顯影步驟即可在較大特征上或其周?chē)纬?0?μm直徑的柱子或孔的工藝。該程序還允許創(chuàng)建懸垂結(jié)構(gòu)，而這些結(jié)構(gòu)以前只能通過(guò)涉及粘合、蝕刻和電鍍的復(fù)雜的多步驟方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。多層SU-8技術(shù)被進(jìn)一步用于組織工程的多孔支架，同時(shí)具有促進(jìn)細(xì)胞系分化和增殖的表面。事實(shí)上，這種光致抗蝕劑的出現(xiàn)導(dǎo)致了完全由SU-8制造的微流控設(shè)備的制造。

4.5.4快速成型
盡管微電子技術(shù)和微流控技術(shù)依賴于光刻技術(shù)，但這一過(guò)程有一個(gè)主要的障礙：在石英掩模上使用鉻，將紫外光圖案化到抗蝕劑所需的區(qū)域。這些口罩不僅價(jià)格昂貴(每個(gè)口罩約400美元)，而且還很耗時(shí)，需要相當(dāng)多的專業(yè)知識(shí)才能制造--這是生物和化學(xué)中采用這項(xiàng)技術(shù)的障礙。為了解決這一問(wèn)題，秦等人提出了解決方案。印刷在醋酸酯薄膜上的圖案，可以用來(lái)代替石英掩膜。在這里，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的激光成像系統(tǒng)被用來(lái)將黑色墨水圖案印在膠片上不能曝光的區(qū)域。這項(xiàng)技術(shù)使得快速生產(chǎn)光刻掩模的成本(約每平方英寸1美元)和時(shí)間(約2?h從設(shè)計(jì)到制造)是石英掩模的一小部分。此外，這些面具的機(jī)械靈活性意味著可以制造非平面表面。雖然這些口罩不像鉻口罩那樣耐用和穩(wěn)定，但事實(shí)證明，它們足以用于微流控設(shè)備的快速成型，在那里納米級(jí)分辨率不是問(wèn)題。如果使用高分辨率、2400dpi的打印機(jī)打印掩膜，則可以實(shí)現(xiàn)10?μm的網(wǎng)點(diǎn)大小，這突出了它們對(duì)大多數(shù)微流體應(yīng)用的適用性。

4.5.5。微注射成型
雖然上述可復(fù)制的制造技術(shù)可用于提供高生產(chǎn)能力的制造手段，但在自動(dòng)化和生產(chǎn)能力方面，沒(méi)有哪種技術(shù)能與注塑相比。1872年首次被描述，注塑是一種將熔融的塑料注射到型腔中的過(guò)程，允許制造許多相同的部件。這項(xiàng)技術(shù)隨后在第二次世界大戰(zhàn)期間迅速擴(kuò)大，當(dāng)時(shí)對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)的負(fù)擔(dān)得起的部件的需求增加了。這最終導(dǎo)致了第一臺(tái)螺桿驅(qū)動(dòng)注塑機(jī)的開(kāi)發(fā)，它可以更好地控制塑料的注射，從而提高零件的精度和重復(fù)性。到了20世紀(jì)下半葉，注塑已經(jīng)成為一種非常有效的工業(yè)規(guī)模制造零件的方法，注塑塑料的市場(chǎng)預(yù)計(jì)到2020年將達(dá)到1621億美元。目前，注塑成型最常與CD和藍(lán)光光盤(pán)的制造聯(lián)系在一起，在這些光盤(pán)中，特征尺寸可以達(dá)到140?nm，盡管在研究環(huán)境中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較小的特征。注塑作為一種復(fù)制方法，與壓花相比有一個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)：聚合物熔體的加熱和零件的冷卻是分開(kāi)的。這意味著每次復(fù)制都不需要熔化塑料的時(shí)間，因此大大縮短了周期時(shí)間。

在商業(yè)注塑機(jī)中，整個(gè)過(guò)程是相同的--將熔融的塑料注入模具，在那里它被固化，零件可以被釋放。簡(jiǎn)而言之，塑料被加熱到其熔體溫度以上，此時(shí)螺桿不僅將熔融材料移動(dòng)到模具型腔，而且還混合和均化塑料熔體。注射到模具中的材料被稱為“射料”，通常由足夠的材料組成，一旦考慮到冷卻過(guò)程中的收縮，就可以填充模具，另外還有少量材料，以允許壓力從驅(qū)動(dòng)螺桿傳遞到模具中，并防止螺桿觸底。然后塑料在模具中冷卻，澆口中的材料首先凝固。這意味著沒(méi)有更多的材料可以進(jìn)入型腔，因此螺絲將收縮并為下一個(gè)零件準(zhǔn)備噴丸。一旦模具中的塑料冷卻到尺寸穩(wěn)定的程度，零件就會(huì)被頂出，工藝可以重新開(kāi)始。整個(gè)過(guò)程可以在沒(méi)有監(jiān)督的情況下運(yùn)行，因?yàn)樗峭耆詣?dòng)化的，因此對(duì)于從前面提到的CD和藍(lán)光光盤(pán)到更大的零件(如汽車(chē)車(chē)身)的高產(chǎn)量生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，這是一項(xiàng)如此有吸引力的技術(shù)。

關(guān)于微結(jié)構(gòu)的成型，注塑成型最重要的考慮因素可能是模具。對(duì)于平面器件和圖案的制造，零件通常是靠在工具內(nèi)固定到位的嵌體(有時(shí)稱為“墊片”)模制而成的。這些鑲嵌是平面結(jié)構(gòu)，其包含零件上所需的最終配置的浮雕圖案。工具必須設(shè)計(jì)成適合這些嵌體，并在整個(gè)成型過(guò)程中將它們固定在適當(dāng)?shù)奈恢?。傳統(tǒng)上，這些刀片是通過(guò)數(shù)控銑削金屬制造的，這可以適應(yīng)于制造微米級(jí)的特征。然而，由于數(shù)控銑削存在表面粗糙度高和特征尺寸限制大等缺點(diǎn)，研究人員也展示了各種制造這些墊片的方法，這些方法可以作為高分辨率照片和X射線光刻制造與高通量注塑技術(shù)之間的橋梁。已使用的材料和方法的例子有LIGA、蝕刻石英、蝕刻硅、聚四氟乙烯(PTFE)支持的鎳、鎳上的SU-8、紫外光固化的聚氨酯樹(shù)脂、大塊金屬玻璃以及聚酰胺片上的SU-8。

雖然目前的大多數(shù)研究都是用注射成型來(lái)制造納米級(jí)的特征，但也有一些已經(jīng)創(chuàng)造出來(lái)的微流控裝置的例子。Hansen et al.。創(chuàng)建了注射成型微流控芯片，而Kim等人。描述了一種能夠確定血型的注射成型芯片。

如前所述，通常通過(guò)注射成型來(lái)制造CD，該技術(shù)也已被用于制造微流控器件。在CD格式中，流體可以通過(guò)離心力在設(shè)備內(nèi)進(jìn)行操作，離心力可以通過(guò)改變芯片的自轉(zhuǎn)速度來(lái)控制。這種離心力的存在因此消除了對(duì)泵、混合器和復(fù)合閥的需要，也降低了通道被氣泡或分子堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。除了這些功能，Marc Madou和他的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的工作表明，諸如聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和細(xì)胞裂解等功能也可以被整合到這些微流控設(shè)備中，突顯了這項(xiàng)技術(shù)的靈活性。此外，正如Morelli等人所展示的那樣，這些設(shè)備有助于實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量的制造技術(shù)。世衛(wèi)組織描述了一種基于CD的注射成型設(shè)備來(lái)篩選細(xì)菌。

4.5.6 熱塑性粘接
由于復(fù)制成型、壓花成型和注射成型制作的器件是平面結(jié)構(gòu)，通道仍需密封才能用作微流控器件。一種這樣的密封方法是將蓋子粘在設(shè)備上。雖然相對(duì)簡(jiǎn)單，但這種方法并未被廣泛采用，因?yàn)橥ǖ廊菀?span style="padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; overflow-wrap: break-word !important;">堵塞。一種更常見(jiàn)的技術(shù)是熱熔接。熱熔接是指在零件和蓋子接觸時(shí)將它們加熱到Tg以上，并可應(yīng)用于各種聚合物。然而，由于裝置和蓋子的大面積必須被加熱，該技術(shù)受到通道結(jié)構(gòu)的變形的影響。超聲波焊接是另一種可以將熱塑性部件粘合在一起的技術(shù)。在這里，能量導(dǎo)向器(或焊接縫)被制造到設(shè)備或蓋子中。然后，在焊接喇叭將壓力和超聲波振動(dòng)傳遞給裝配之前，零件被對(duì)準(zhǔn)并接觸。它通過(guò)摩擦加熱焊縫，然后熔化形成與蓋子的粘結(jié)。由于能量集中在焊縫上，與熱熔接相比，通道的變形要小得多，同時(shí)仍能提供部件的強(qiáng)熔合。