微流控芯片的加工技术

目前，微流控芯片的原材料包括单晶硅、玻璃、石英、金属、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚四氟乙烯（PTFE）等。

不同的材料对微流控芯片的功能有不同的影响，而加工工艺则会限制芯片通道和结构的尺寸。因此，依据微流控芯片的具体应用选择合适的材料和加工工艺显得尤为重要。

在工艺制作方面，光刻技术、模塑法、激光烧蚀技术、LIGA技术、热压法、软光刻法和3D打印等技术被广泛应用于微流控芯片的加工制造。

1.    光刻技术

光刻技术是一种关键的微细加工工艺，广泛应用于微型电子器件的制造过程中。其基本原理是通过光刻胶的感光反应，使材料具有耐蚀性，从而将掩模版上的图形复制到基板上，最终在底片上形成刻有通道的微流控芯片。这项技术目前是主流技术之一，在实际的微流控芯片加工制作过程中，常常与其他技术结合使用。

2.    模塑法

模塑法主要适用于以PDMS等高分子聚合物为原料的微流控芯片。加工前期，首先使用光刻技术制作所需的微结构，并在显影烘干后直接作为模具使用。

然后将高分子材料倒入模具中，加热处理使其固化。最后，将固化后的材料从阳模中分离，即可得到具备微结构的微流控芯片。

该方法中，高分子聚合物和模具的选择至关重要，其中高分子聚合物基片和盖片的封接状态与模具表面粗糙度相关，芯片表面的平整度直接受其影响。

3.    热压法

热压法是一种灵活且经济高效的微流控芯片制作技术，对于小至50 nm的特征尺寸具有很高的复制精度。热压法通常包括三个工艺阶段：加热、保温保压和冷却脱模。

不同的加工参数对热压微流控芯片的复制质量和表面粗糙度有重要影响，其中加工温度、压力、时间和脱模温度是主要评估因素。

相关实验结果表明，增强型PDMS模具在微图案化环烯烃聚合物片材的热压过程中表现出优异性能，能够实现小至10 μm（排水通道宽度）的高度可重复性特征。

4.    LIGA 技术

LIGA是一种工艺流程复杂的电铸技术，其名称来源于德文单词lithographie、galanoformung和abformung的首字母缩写。

LIGA技术的实施过程包括利用X射线进行深层光刻，通过电铸制出精巧严密的模具，再进行复刻制作大量微结构，最终制成具有高宽深比等尺寸不同的微流控芯片。

迄今为止，LIGA技术已应用于各种聚合物、金属、金属合金和陶瓷材料的微器件制造。

研究人员利用LIGA技术设计制造了一种新型微针柱放电芯片，并在施加-2.1 kV和-3.8 kV电压下进行电晕和辉光放电，研究不同放电时间的灭菌效果。

结果显示，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在灭菌时间为120秒和180秒时，灭活率均达到100%。这表明，LIGA技术制造的微针柱放电芯片满足灭菌要求，可以作为便携式消毒器。

5.    激光烧蚀技术

作为一种新兴的非接触式微细加工技术，激光烧蚀法利用掩模或直接通过计算机软件设计数据和图形，精准控制激光在X-Y方向的位置，在塑料、金属及陶瓷等材料上制作出各种形状和尺寸的微通道和微孔。

制作微通道时，首先使用铜箔制作所需的光刻掩模，再利用紫外激光束通过显微物镜和光刻掩模进行加工。以高分子材料为基片，聚焦的激光能量可以使材料发生光解，光刻掩模将激光溅射固定在基片上的特定区域。

激光烧蚀的深度由激光强度和激光脉冲数决定，通过调整这两个参数，可以在基片上形成不同深度的微通道。

最终，激光烧蚀法与热压键合工艺结合，完成微流控芯片的制备。激光烧蚀法的优点包括对芯片微通道结构的破坏最小、具有高宽比大且垂直的通道壁、对掩模依赖性小以及高灵活性。

6.    软光刻法

在20世纪90年代末，一种创新的微图形复制工艺开始崭露头角。这种工艺使用弹性材料代替传统光刻技术中的硬质模板来制作微小形状和结构，被称为弹性光刻技术。

与传统光刻工艺相比，弹性光刻技术具有更高的灵活性和适应性。它能够在高分子材料表面创建精细的立体图案，并适用于各种曲面。

此外，弹性光刻技术还能改变材料的表面化学性质，对微流控芯片的表面改性具有重要意义。

这种加工技术所需的仪器设备较为简单，能够在常规实验条件下实施，使得软光刻成为一种相对经济且易于操作的技术，适合各类实验室采纳。

7.    3D 打印

3D打印又称增材制造，是一种从计算机辅助设计（CAD）模型构建三维物体的过程。在计算机的控制下，原材料被逐层添加。

利用3D打印技术，微流控芯片的制造流程得到了显著简化，并且在打印材料的选择上具有很高的多样性。不仅可以使用多种高分子材料，还包括生物材料，这些材料都可以直接通过3D打印技术加工。

研究人员试验了一种微流控芯片的一体化3D成形方法，通过溶解聚乙烯醇和高抗冲聚苯乙烯的通道模具来制造微流控芯片的通道。

实验结果显示，无需对微通道进行快速对准和材料改性等操作，就可以提高工艺的稳定性，其中高抗冲聚苯乙烯制作的微通道质量明显优于聚乙烯醇制作的微通道。

相比其他微纳加工技术，该方法显著降低了微流控芯片制作的技术要求和生产成本，对于推动微流控芯片技术的普及和应用发展具有重要意义。