第58卷
第3期
2021年3月
撳鈉电子技术
Micronanoelectronic Technology
Vol. 58 No. 3 March 2021
DOI ： 10. 13250/j. cnki. wndz. 2021. 03. 010
陈梦月，郝秀清，李子一，徐文豪，李亮
(南京航空航天大学机电学院，南京
210016)
摘要：在微流控芯片中，微通道是进行微分析的重要保证，其成型质量直接影响芯片的分析性 能。从加工机理、技术特点以及适用范围等方面对激光直写加工、光刻加工、热压印技术、微细 铣削加工和3D 打印等微流控通道主要加工方法进行了阐述，并总结了这几种加工技术的优缺 点，这为实际生产提供了一定参考。最后，对微流控通道加工技术的发展进行了展望，未来微流 控芯片将会向三维化、精密化以及微小化方向发展，芯片材料也趋于多样化，这些发展将不断推 动微流控通道加工技术的发展。 关键词：微流控芯片；微分析；微流控通道；微纳制造；微加工技术 中图分类号：035
文献标识码：A 文章编号：1671-4776 (2021) 03-0244-10
Research Progress on Processing Technology of Microfluidic Channels
生理卫生裤Chen M engyue, Hao Xiuqing, Li Ziyi, Xu W enhao, Li Liang
{College o f Mechanical and Electrical E ngineering ^ N a n jin g U niversity o f Aeronautics and A stronautics ，
N a n jin g 210016, China')
Abstract ： In microfluidic chips, micro-channels are the im portant guarantee for micro
analysis, and its molding quality has direct influence on the analytical performance of the chip. From the aspects of m achining m echanism , technical characteristic and range of application, the main processing m ethods of microfluidic channels are expounded, including laser direct w riting, lithography, hot em bossing, micro-milling and 3D printing. T he advantages and disadvantages of these processing techniques are sum m arized, which provides some reference for actual production. Finally, the developm ent of the processing technology of microfluidic channels is prospected. In the fu tu re, the microfluidic chips will develop tow ards directions of three dim ensions, precision and m iniaturization, and the chip m aterials also tend to be diversified, which will continue to prom ote the processing technology development of microfluidic channels.
Key words ： microfluidic chip ； m icro-analysis ； microfluidic channel ； micro-nano m anufacturing ；
micro processing technology
微流控技术又称微全分析系统（p -T A S )或芯
上。2003年微流控芯片被列为“改变世界的十大
仓储室内定位系统
收稿日期：2020-09-08
基金项目：国家自然科学基金面上项目（51875285)；江苏省自然科学基金优秀青年基金资助项目（BK20190066)；上海交通大学机械系统 与振动国家重点实验室开放基金资助项目（M SV 202008)；霍英东教育基金会高等院校青年教师基金资助项目（20193218210002)通信作者：郝秀清，E-mail: ************** PACC ： 0340G ； 0710C
o 引百
微拟球藻
片实验室（l a b -o n -a -Ch
i p
)m ，它将传统生化实验
不用充电的手电筒
室里涉及的基本操作单元集成在一块很小的芯片
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陈梦月等：微流控通道加工技术的研究进展
技术”之一和“影响人类未来15项最重要发明”之一。相比于传统宏观实验室，微流控芯片可以在 微小平台上实现众多分析功能，能够大大节约设备 成本，而且微分析所需的试剂量很小，能够减少较 为昂贵以及有毒试剂的使用，更为重要的是，微尺 度下流体独有的效应能够有效地提高微流控分析速 率及准确性[>5]。
微流控芯片是当前生化分析领域的研究热点，已在分析化学和生命科学领域得到了广泛的应 用，比如D N A等生物大分子的分离检测、免疫分 析和药物筛选等[6_8]。然而，微流控芯片的分析性 能在很大程度上取决于芯片中微通道的成型质量。目前，微流控通道的主要加工方法有激光直写加工、光刻加工、热压印技术、微细铣削加工和3D 打印等。激光直写加工多为直接成型法，即利用激 光直写直接在工件材料表面加工出微流道结构再键 合成微流控芯片；光刻法和热压印法则需先加工出 模具，再成型微通道；而微细铣削加工和3D打印 技术既可以在工件表面直接加工出微通道，也可以 先加工出
模具再成型微通道结构。直接成型微通道 结构时，成型精度仅由成型工艺以及工艺装备的精 度决定，而模具法中精度还取决于微模具的精度，相对而言芯片的精度更难保证，但是更易于实 现批量生产且成本低，尤其是聚合物材料芯片的加 工。本文对以上提及的微流控通道的主要加工方法 进行了归纳总结，通过分析工艺特点为实际生产提 供一定参考。
1激光直写加工
激光直写加工是一种非接触式的加工方法，目前主要有(：02激光直写、准分子激光直写和飞秒激光直写等。
采用c o2激光器进行加工的工艺又称为c o2激光雕刻加工，它以数控技术为基础，再辅以激光，由于光束能量较高，输人热量远大于工件传导 和散发的热量，导致激光作用区的材料会被烧蚀、汽化，留下孔洞™。加工过程中将极细的光束（光 束直径最小可小于o.l mm)作用于工件时，通过 编程控制光束的移动加工出所需的图案，具有生产 周期短和柔性高等优点。2013年，L.M.F u等 人[1°]利用C02激光雕刻机在玻璃基板上加工出微流道，并成功制作了用于甲醛检测的微流控芯片，验证了工艺的可行性。2017年，为实现农产品中农药残留的快速检测，叶嘉明等人[11]采用 C02激光加工制备出了可高通量检测的离心式聚甲基丙烯酸甲酯（PM M A)微流控芯片。最后通 过实验验证了自制的微流控芯片具有高集成性、灵 敏度和精确性等优点。2019年，Z.Y.W u等人
以芯片材料（PM M A、聚对苯二甲酸乙二醇酯(P E T)和聚碳酸酯（P C))、激光功率和激光扫描速度为研究对象，进行了正交实验，发现P M M A材料表面质量最好且可加工深度最深，然 后选择了优化的激光参数（功率15 W，激光扫描 速度15 mm/s)在P M M A表面加工出了微流道结构并通过热压键合成型了微流控芯片。但（：〇2激 光加工P M M A时，激光作用区附近会存在软化区，因而在激光加工P M M A前需利用预测模型对使用的加工参数进行预测，尽量减少软化区域[13]。2020年，高菊逸等人[M]在环烯烃聚合物（C O P)上加工出可用于检测大肠埃希菌0157 :H7的微 流道，加工时间仅需1min。各种C02激光雕刻加 工出的微流控芯片如图1[^12"4]所示。然而，由于激光束能量呈高斯分布，加工出的截面形状不是 标准的矩形，而是近似高斯形，而且加工后的表面 质量略显粗糙，常用于加工较深的微通道。
混合塔反应塔
(a)甲醛检测芯片(b)农残检测芯片％
(c) 4层微混合器M (d) 0157 : H7检测芯片丨
图1基于c o2激光雕刻加工的微流控芯片
Fig. 1Microfluidic chips machined by C02laser carving^10-12,14^
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撳鈉电子技术
与c o2激光基于热效应的加工原理不同的
是，准分子激光属于紫外光，其直写是基于光化学
效应去除材料，通过高光子能量直接打破材料化学
键[~，因而对材料的热损伤较小，在聚合物材料
芯片的加工中具有独特的优势，但准分子激光器价
格比较昂贵。常见的准分子激光器波长为193和 248 nm，一般有两种加工方式，一是激光通过掩(a)复合加工法（b)激光直写法
图3复合加工法和激光直写法加工出的
膜直接聚焦到工件表面以成型图案，二是利用激光 将掩膜成像，通过掩膜的像加工出所需的结构[~。2008年，T.C.Z u o等人[n]自行研制了准分子激光 直写系统，他们利用自制的准分子激光在PM M A 表面加工出微流道，并用低通量的激光照射基板3()次以提髙表面质量，最后热压键合成可用于聚合酶链反应的微流控芯片系统，准分子激光抛光后 的表面粗糙度达1.42 pm。准分子激光直写系统示 意图如图2[17]所示。2010年，W.W.Z h a n g等 人D8]利用准分子激光在可降解的聚合物上实现了不同宽度微流道的加工，流道的深度为20〜 1 200 pm，证明了准分子激光刻写具备加工阶梯结构的能力。为进一步降低准分子激光加工后的底 面质量，2011年，申雪飞等人[~提出了先用准分子激光加工出所需的微流控芯片结构，再通过电铸 技术复制出反向模具，最后注塑成型微流控芯片的 复合加工方法。
淀粉牙签
加工前，在玻璃基板上涂光刻胶，由于光刻胶和玻璃之间刻蚀阈值存在差异，准 分子激光加工中可通过选择两阈值间的激光能量以完全去除表面光刻胶并使玻璃表面作为微流道的底 面。他们还对比了复合加工法和准分子激光直写加 工的微流道底面的表面质量，如图3[19]所示，结果 表明相比于直接加工法中表面粗糙度为887 nm，复合法能够达到18 n m的表面粗糙度。此外，普通的U V激光也被用于微流控芯片的加工，常用的波长有266 nm[2"]和365 nm[21]。
图2准分子激光直写系统示意图[17]
Fig. 2 Diagram of the excimer laser direct writing system^l ,J
微通道底面图
Fig. 3 Micrographs of micro-channel bottom processed by complex processing and laser direct writing methods[1<v-
飞秒激光直写加工是一种非常特殊的激光直写 技术，它利用了飞秒激光非线性多光子吸收的特性。当飞秒激光作用于透明材料时，焦点处产生强 吸收，直接在玻璃中成型三维结构。目前，飞秒激 光直写主要有两种方式：一是飞秒激光辅助刻蚀(F L A E)，即采用飞秒激光诱导材料内部改性，然 后使用酸溶液进行湿化学刻蚀[22_23]；二是水辅助的飞秒激光钻孔（W A FLD)，即在蒸馏水中直接进行飞
秒激光刻写[24]。F L A E工艺中，飞秒激光能够诱导玻璃局部化学性质的改变，导致后续使用 诸如等化学溶液进行湿化学刻蚀时能够选择 性地刻蚀激光改性区域，从而形成内部中空的结构。2004 年，Y.Bellouard 等人[25]基于 F L A E 技 术在熔融Si02基底上制备出了高深宽比的微流道结构。然而，相较于熔融Si02，光敏玻璃由于飞秒激光诱导的能量强度较低、刻蚀率较高而更具优 势，而且化学刻蚀前，为了激发激光改性区，需对 飞秒激光改性后光敏玻璃进行热处理，热处理能够 使加工的光敏玻璃表面具有光学质量，使其能够与 微光学元件很好地集成形成功能生物芯片[^27]。2014年，K.Sugioka等人[28]利用F L A E技术在光 敏玻璃内直写出了三维中空微流体直通道，微通道 位于光敏玻璃表面下300 处，光学显微镜的观 察结果表明制备的直通道在长度方向直径是均勻的。W A F L D工艺是将玻璃的某一表面与水接触.飞秒激光从另一表面照射并聚焦到玻璃与水的接触界面，然后从玻璃背面烧蚀出微通道结构。2013年，Y.L i等人〔29]在熔融石英表面下300、5()()和700 p m处构建了复杂的三维螺旋微流道结构，实现了单个芯片上不同层微流道加工。与 F~L A E技术相比，W A F L D法仅依赖于多光子吸收 的特性，能够加工所有透明的材料，而且无需担心
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陈梦月等：微流控通道加工技术的研究进展
刻蚀速率，可加工各种复杂的结构。两种飞秒激光 直写法加工的微流控芯片如图4[28_29]所示。然 而，飞秒激光直写只能加工透明材料，目前针对微 流控生物芯片的材料仅限于玻璃，而且，其内部三 维结构的分辨率受飞秒激光本身特性以及刻蚀过程 的影响，一般在激光波长尺度或者更大。
E 3D
D
飞秒激光直写
热处理 超声刻蚀
(500〜605 1 h) (HF 体积分数 10%)
(a) FLAE 法關
计算机 灯—水
(b) WAFLD 法間
图4
基于飞秒激光直写法加工的微流控芯片[28_29]
Fig. 4 Microfluidic chips processed by femtosecond
laser direct writing method^28 - 29]
2 光刻加工
光刻技术的主要工艺流程如图5[3°]所示。需注 f …•
1
涂光刻胶I
曝光|
1U U U U U U 1
::：雜：费::::：麵^
I 丨基板■涂底层光刻胶---------掩膜
图5
光刻技术的主要工艺流程图
Fig. 5 Main process flow chart of the lithography technology^31^
显影
化学腐蚀
湿法刻蚀等
清洗
意的是，光刻胶分为正负两种，两种光刻胶显影后 获得的图形相反。显影后，掩膜板上的图案会转移 到光刻胶层上，之后一般有两种加工方法，一是直 接以光刻胶为模具成型微通道，二是辅以刻蚀技术 在基板上刻蚀出所需的图案，最后洗去光刻胶，以 刻蚀出的基板作为微模具。
基于光刻工艺加工出的微模具，可通过模塑 法、注塑法浇注成型微通道结构，然后打孔键合成 最终的微流控芯片，多用于高分子材料芯片的加工 制作。2011年，J .J .C h e n 等人[31]以玻璃为基
板，采用光刻技术加工出了 S U -8胶微模具，并 利用模具成型出一种聚甲基硅氧烷（PD M S ) + PD
MS +玻璃的三层流控芯片。2012年， U . H ashim 等人[32]使用SU _ 8光刻胶在硅片上制 备了微流控模具，并以P D M S 为芯片材料，浇注 出了几种微混合器芯片。为节约成本，他们也尝试 了用玻璃代替硅片进行光刻，但结果表明，玻璃上 制备的S U -8胶图案寿命有限，其与玻璃的结合 力会随时间的推移而减弱。2U 18年，高凌峰[33]在硅 片基板上通过化学气相沉积的方法沉积了一层s o 2
膜，光刻显影后利用深硅刻蚀技术将光刻胶上的图 案转移到硅片上，加工出了硅模具，并浇注成型微 流体混合器通道结构。2019年，江洋等人〜]也基于 S U -8胶模具成型了 PD M S 微流控通道，并利用氧 等离子体对PD M S 芯片进行表面改性，最终键合成 可用于细胞共培养的微流控芯片。
光刻工艺加工出的微通道结构的分辨率很 高，但加工前必须先用光刻工艺加工出掩膜，工艺 流程比较复杂，成本昂贵且加工周期长，多适用于 批量生产。而且，在加工不同深度的通道时，需进 行多次光刻，每次都需对掩膜和基板的相对位置进
行校准。
钼板坯3热压印技术
热压印加工微通道的基本原理是利用热量将聚
合物材料加热至玻璃化温度以上，再通过对压模施 加压力将压模上的图案转移到玻璃化的聚合物 上，
冷却固化后得到具有一定机械强度的图案，最
后通过脱模得到所需的微通道结构。热压印技术是 热塑性材料微流控芯片极具前景的加工工艺，尤其 适用于高深宽比结构的加工。
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微纳电子技术
目前在对微流控通道热压印加工的研究中，多 研究温度、压力、加压时间等加工参数对微通道复 制精度的影响。2013年，C .C . K u o 等人[35]发现当温 度为 170 °C 、压力为 55 kgf /cm 2 (1 kgf /cm 2 〜 0. 098 M Pa )时，P M M A 基板表面复制率可达 99%。而2016年，S . C . N ian 等人M 发现对于PC 基板而言，优化的参数为温度2U ) °C 、压力 20 kg ,/cm 2，此时P C 基板表面的复制率可达 97.5%。2016年，G . C heng 等人[37]发现当温度为 f g +40°C («8为玻璃化转变温度）时，微流控通 道的复制精度更高。此外他们还利用热压印技术成 功复制出了结构相同的P C 、P M M A 和基苯乙烯 (P S )这三种典型热塑性非晶聚合物微流控器 件，并测量了这三种微器件的表面粗糙度，发现 P M M A 材料微器件具有更好的表面质量。2017 年，F .Qogun 等人[38]也通过仿真实验发现在热压 印的加
工参数中，温度是影响微通道复制率的关键 性参数，而压力和加压时间的影响相对较小，他们 发现提高温度能够有效提高微通道的复制精度，但 是过高的温度又会产生侧向变形，导致基体变薄。 图6[37]为热压印技术加工出的微流控芯片。然 而，由于热压印技术加工中需先加工出压模，且压 印过程中必须先将聚合物加热至玻璃化温度以 上，压印结束后也必须将温度冷却至玻璃化温度之
(a) t,+20 ^(136 X.) (b) «g +30 ^(146 X.)
(c) tg +4〇 ^(156 X.)
图6
基于热压印技术的微流控芯片[37]
Fig. 6 Microfluidic chips fabricated by the hot
embossing technology。37]
下才能脱模，因而生产周期相对较长。2016 年，S . C . N ian 等人[36]提出了一种与铁氧体材料相 结合的新型磁屏蔽方法，并基于此设计出感应线 圈，能够实现快速而均匀的加热和冷却，与常规热 压印加工相比，压印时间缩短了 50%以上。此 外，也可通过改进压模制备工艺，缩短压模制备时 间来提高微流控通道的热压印效率。
4微细铣削加工
微细铣削加工是一种机械加工方式，通过数控
编程控制微细铣刀的运动轨迹，使其按照设定的刀 轨去除材料以实现各种二维或三维结构的成型，具 有可加工材料范围广、精度高、柔性好和成本低等 优点，且可以加工出各种复杂三维结构的零 件[39_411]。但其加工精度很大程度上受微细铣刀精 度的制约，而且由于刀具具有钝圆半径，加工直角 结构时，存在无法消除的圆角。现阶段有关采用微 细铣削技术加工微流控芯片的研究非常少。2012 年，A . A m para 等人[〜对微流控常用的高聚物材 料P C 和P M M A 进行了铣削实验，并证明了微细 铣削微流道和微阵列的能力，结果表明加工出的结 构具有良好的表面质量且深宽比高达3。同年， Y .
S . L in 等人[42]利用四轴数控微细铣床在6061铝 合金表面加工出深度为5() p m 的微流道，并将带 有微通道的铝板通过边缘处的螺钉与中空环氧树脂 盖板封合。为了便于观察，铝板和环氧树脂层间附 加一层玻璃。还有一些研究人员对先采用微细铣削 工艺加工出微流控模具再成型微流道的方法也进行 了探索，但大部分的研究还处于针对微模具常用材 料的铣削实验研究或是仅加工出微流控模具，尚未 成型最终的微流控器件。2008年，S . M in 等人[43] 研究了采用6061 - T 6511铝合金和304奥氏体不 锈钢这两种微模具制造常用材料微铣时，切削深度 和进给速度对侧壁表面质量的影响。20H 年， H . Shizuka 等人[44]也进行了类似的铣削实验，他 们针对冷作模具钢开展端铣最优加工参数的探 索，结果表明与传统铣削过程不同的是，微端铣过 程中进给速度对表面质量几乎无影响，而径向切深 对表面质量影响最大，且径向切深不应超过刀具半 径，否则会引起刀具偏转和颤振，导致表面粗糙度 增大。以上研究仅对微模具常用材料加工参数进行
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