一種自封裝技術制備PMMA微流控通道方法研究

　　本文結合濕法腐蝕技術、紫外固化納米壓印技術、熱壓納米壓印技術制備出聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)溝槽微結構，基于局部加熱的自封裝技術成功制備出了PMMA 微流控通道。研究了硅模板結構參數(shù)的選擇要求以及工藝過程中實驗參數(shù)對實驗的影響。實驗結果表明，熱硅片與基片相對運動方向應與PMMA 溝槽微結構方向平行，有利于制備出變形量小、尺寸均勻的微流控通道。

　　微流控芯片在化學、生物和醫(yī)學等領域中有著重要的應用，主要表現(xiàn)在耗樣量低、分析速度快、具有高靈敏度、高分辨率以及高集成度等優(yōu)勢。微流控通道是微流控芯片的重要組成部分，如何高精度的制備微流控通道成為當前研究的熱點問題。熱鍵合方法是比較常用的一種方法，即在加熱加壓的條件下，鍵合的結構層與封裝層表面緊密接觸，形成分子間作用力從而產生一定的鍵合強度。而該方法缺點是需要高溫高壓條件，這樣會導致熔融態(tài)的聚合物迅速回流堵塞溝槽或使其嚴重變形，難以精確控制工藝過程。

　　鑒于傳統(tǒng)熱鍵合過程的不足，本文提出一種局部加熱引導自封閉技術制備PMMA 微通道的新方法，即通過線接觸移動加熱聚合物溝槽頂部至熔化，利用熱硅片將熔體聚合物流動束縛在接觸區(qū)域，引導其沿著聚合物溝槽側壁自動回流，冷卻后最終形成聚合物微流控通道。真空技術網（http://genius-power.com/）認為該方法在解決傳統(tǒng)聚合物通道封閉技術存在的通道堵塞變形、工藝時間長、尺寸控制精確度欠佳、結合力不強等技術瓶頸有較大突破。

　　本實驗主要包括PMMA 溝槽制備和密封兩部分。利用濕法腐蝕技術處理鍍有方向性氮化硅光柵掩模的硅片，由于硅各晶面腐蝕速率的差異，在其表面獲得溝槽微結構。并將其作為模板，結合紫外固化納米壓印技術，在聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET) 基底上獲得聚氨酯丙烯酸酯(PUA)的溝槽微結構。然后以PUA 溝槽微結構為模板，利用熱壓納米壓印技術在玻璃基底上獲得PMMA 的溝槽微結構。最后采用局部加熱引導自封閉技術獲得PMMA 微流控通道。探究了硅模板的結構參數(shù)、PMMA 溝槽的方向性對實驗影響，并通過建立傳熱模型，實現(xiàn)了對工作平臺運動速度控制。

　　1、實驗

　　局部加熱引導自封閉技術制備PMMA 微流控通道的主要包括兩個過程：高深寬比PMMA 溝槽微結構的制備過程及對其封閉的過程。

　　1.1、PMMA 溝槽微結構的制備

　　本文采用熱壓納米壓印的方法來制備PMMA溝槽微結構，因此需要有對應的模板。通過濕法腐蝕技術可以制備出硅溝槽微結構模板，但是考慮在熱壓納米壓印過程中，真空技術網（http://genius-power.com/）認為柔性模板與基片間的貼合程度比硬質模板更好，故利用紫外固化納米壓印技術在柔性基底PET 上制備出PUA 溝槽微結構模板。

圖1 PMMA 溝槽微結構制備流程圖

　　具體的實驗操作流程如圖1 所示。首先是濕法腐蝕過程：對表面具有氮化硅掩模的硅片進行濕法腐蝕，采用的腐蝕溶液是質量分數(shù)為50%的氫氧化鉀溶液，水浴加熱溫度為80℃。用激光切割機切下斷面，在顯微鏡下觀察，若大致符合深寬比要求，可以繼續(xù)用掃描電子顯微鏡測量對應的尺寸參數(shù)。其次是紫外固化納米壓印過程：在清潔烘烤過的硅模板上以2000r/min 的轉速旋涂脫模劑。脫模劑的使用有利于降低硅模板的表面能，這樣有利于后續(xù)實驗的脫膜過程。然后將液態(tài)PUA 滴到硅模板上，把具有粘性的PET 基片貼合到硅模板上，使用一定的壓力去除內部的氣泡，然后在紫外曝光機下曝光20min，此時液態(tài)的PUA 已經固化。將PET 基底揭下即可獲得PUA溝槽微結構模板。最后是熱壓納米壓印過程：將一塊清潔烘烤過的玻璃基片，以2000r/min 的轉速旋涂PMMA，120℃預烘烤10min。由于實驗對PMMA 厚度的要求，需要旋涂兩層PMMA。在熱臺上將已制備好的PUA 模板與PMMA 膠層貼合，并均勻施加20N 的壓力，將溫度升高到180℃維持30min，待溫度冷卻到115℃撤去壓力，冷卻到50℃左右揭下PUA 模板，在玻璃基片上得到PMMA 溝槽微結構。

　　1.2、PMMA 溝槽微結構的封閉

　　實驗使用的設備如圖2(a)所示，實驗前，調整工作臺的位置，使用水平儀確保工作臺的水平度。取單晶硅沿著晶向斷裂的斷面作為加熱部分，使得斷面與工作平面平行，并將硅片固定在兩外置鋁殼的PTC 加熱器之間。為了便于固定基片，實驗采用PDMS 塊表面與基片間的靜摩擦力保證兩者之間不發(fā)生相對運動，起到固定基片的作用。

圖2 PMMA 溝槽頂部加熱融化實驗裝置(a)及原理圖(b)

　　實驗的原理如圖2(b)所示，通過采用硅片線接觸的方式加熱PMMA 溝槽的頂部，控制好兩者間的相對運動速度，使得PMMA 溝槽頂部迅速被加熱至熔化溫度，在表面張力以及硅片的擠壓作用下，液態(tài)的PMMA 沿著溝槽側壁流下，當表面張力和封存空氣達到平衡時不再繼續(xù)往下流動，冷卻后液態(tài)PMMA 固化完成對溝槽的自封裝，從而形成PMMA 微流控通道。截取一小塊基片斷面，用掃描電子顯微鏡觀察微通道結構。研究中采用的PMMA 是RS-A ldrich 公司生產的熱塑性膠，PDMS 材料是由Dow CorningCorp 公司生產的184 預聚體和固化劑按10∶1的比例配置而成的;實驗結果通過光學顯微鏡(Nikon，optipho-t 100)， 掃描電鏡(SEM)(美國FEI 公司、型號sirion200)觀察獲得。

　　2、總結

　　本文介紹了一種利用局部加熱引導自封裝技術制備PMMA 微流控通道的方法。實驗過程中用濕法腐蝕技術制備出硅的溝槽微結構，并以其為模板，結合紫外固化納米壓印技術在PET 基底上復制出PUA 的溝槽微結構柔性模板，再利用熱壓納米壓印技術將PUA 模板復制到玻璃基底上，制備出PMMA 溝槽微結構，最后采用局部加熱的自封裝技術成功制備出了PMMA 微流控通道，并通過建立半無限大物體瞬態(tài)傳熱模型，運用MATLAB 軟件模擬溫度隨時間和傳熱距離的分布情況來確定相對運動速度大小。

　　實驗結果表明，該方法實現(xiàn)了從硬質模板到柔性模板的轉移，有利于制備出高精度PMMA 溝槽微結構;占寬比大于1 且深寬比大的溝槽更有利于將空氣封存在溝槽底部從而形成微流控通道;相對運動速度方向與PMMA 溝槽方向平行時更有利于形成變形量小、尺寸均勻的微流控通道。