CN102390804A - 动态纳米刮印结合等离子体聚合制作纳米通道的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态纳米刮印结合等离子体聚合制作纳米通道的方法及系统，其特征是：在硅片上制作出纳米尺寸光栅图形的模板，纳米尺寸光栅图形在模板的上表面前沿的棱边上形成有光栅线槽；将柔性聚合物基底设置为可连续前行的传送带，其在传送过程中首先经过设置在固定位置上的模板的下方并在模板的刮印下形成沿传送带传送方向上的纳米线槽图形；随后进入真空室内通过等离子体聚合在柔性聚合物基底上成膜，成膜是由两种混合气体在辉光放电的情况下电离成离子并反应，以反应生成物的沉积完成柔性基底上线槽顶部密封，形成纳米通道。本发明可以实现连续大面积聚合物纳米通道的制作，拓展纳米通道的应用领域。

Description

动态纳米刮印结合等离子体聚合制作纳米通道的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种微纳米流体通道的制作方法，属于微纳流体系统制作技术领域。

背景技术

目前，微系统技术已经成为发展高新科技产业的一个重要源动力。微纳流体系统作为微系统技术的一个重要分支，越来越受到科研单位和学者们的广泛关注和研究。它一般定义为流体流动的通道一维以上的截面处于数百到几个纳米的尺寸范围。流体在其中传输具有特异的性质，能使得主导宏观和微米量级流体传输和分子行为的许多物理化学性质发生改变。微流体在纳米流体通道中可控、可测且可大规模集成。对于此系统的研究突破了一些重要的传统理论，它的应用领域已辐射到纳电子系统制造、集成电路冷却、光学元件制作、蛋白质结晶、药物检测、毛细管电泳分离技术等，应用领域非常广泛。

现有用来制作纳流通道的材料主要有玻璃、SiO₂、SiN和一些聚合物等。制作方法主要是先通过电子束光刻或聚焦离子束刻蚀等技术在模板上制作出纳米线槽，再通过平面热压或低压键合方式在对纳米线槽进行顶部密封，形成通道。但是玻璃材料制作工艺复杂、键合难度大；硅材料易脆、不透光、成本高、电绝缘性不够好。刻蚀结合键合的工艺流程繁多，影响制作质量的负面因素增多，而且每次只能单片制作，效率低下，达不到很多场合下生产量的要求。

用聚合物作为制作纳米流体通道的材料有很多优点，聚合物非常适用于进行微加工，又有很好的化学机械性能、生物兼容性等。因此用聚合物制作纳流通道依然具有非常广阔的前景。现有的制作工艺仍然界限于键合方式。键合方式的优点是可以对纳流通道的尺寸实现精确控制，但这种方式只能实现单片制作，而且基底的面积越大，所需的压力越大，受力不均匀性概率增加，过大的压力下还会造成纳流通道变形、堵塞等不良后果。所以，键合法制作纳流通道的方式在很多应用场合下受到限制。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种动态纳米刮印结合等离子体聚合制作纳米通道的方法及系统，以实现连续大面积聚合物纳米通道的制作，拓展纳米通道的应用领域。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明动态纳米刮印结合等离子体聚合制作纳米通道的方法的特点是：

利用光刻或电子束刻在硅片上制作出纳米尺寸光栅图形的模板，所述纳米尺寸光栅图形在模板的上表面前沿的棱边上形成有光栅线槽；

将柔性聚合物基底设置为可连续前行的传送带，所述传送带在传送过程中首先经过设置在固定位置上的模板的下方，并由模板上带有光栅线槽的棱边在柔性聚合物基底表面刮印形成沿传送带传送方向上的纳米线槽图形；连续前行的柔性聚合物基底随后进入真空室内，在所述真空室中通过等离子体聚合法在所述柔性聚合物基底上成膜，所述成膜是由两种混合气体在辉光放电的情况下电离成离子并反应，反应的生成物分别沉积在光栅线槽的底部、侧壁，并通过生成物的沉积使线槽顶面封闭，形成位于线槽内的、密封的纳米通道。

本发明动态纳米刮印结合等离子体聚合制作纳米通道的系统的特点是：

设置具有纳米尺寸光栅图形的模板，所述纳米尺寸光栅图形在模板的上表面前沿的棱边上形成有光栅线槽；

以柔性聚合物基底为传送带，由底部托辊支承构成传送带的连续传送系统，沿所述传送带的传送方向依次设置刮印单元和等离子体聚合单元；所述刮印单元是将所述模板设置在传送带的上方，模板的上表面前沿棱边垂直于传送带行进方向，并于柔性聚合物基底的表面相接触；

所述等离子体聚合单元具有一用来实现等离子体聚合的真空室，作为传送带的柔性聚合物基底在经刮印单元之后进入所述真空室完成等离子体聚合反应。

本发明动态纳米刮印结合等离子体聚合制作纳米通道的系统的特点也在于：

所述模板固定在能够调节倾斜角度的角位移台上，在所述模板上覆贴加热片。

在所述连续传送系统的前端设置起始辊，末端设置收集辊，柔性聚合物基底在所述起始辊上放卷，依次经过所述刮印单元和等离子体聚合单元后，在所述收集辊上收卷。

在所述连续传送系统的前端设置涂胶机构，所述涂胶机构包括紫外固化胶的储胶容器和涂胶辊，所述涂胶辊与起始辊构成对辊结构；在所述起始辊与刮印单元之间设置一加热源；在刮印单元与真空室之间设置紫外光源。

与现有技术相比，本发明有益技术效果体现在：

1、本发明采用模板棱边刮印的方式相比与已有技术中用整个模板面压印的方式实现纳米线槽的复制，模板与柔性聚合物基底的接触压力减小程度非常明显，通过柔性聚合物基底适度张紧和有效支撑可以大大提高模板棱边与柔性聚合物基底之间接触的均匀性，保证了纳米线槽结构的稳定，进而提高纳流通道的质量；

2、本发明设置作为传送带的柔性聚合物基底的连续传送系统，纳米线槽的制作和等离子体聚合反应直至纳流通道的形成在一流水线系统中完成，实现纳流通道的连续制作，极大地提高了制作效率；

3、本发明采用以相关反应气体的等离子体聚合形成纳米通道壁方式，控制真空室内放电功率、压强、气体流量等参数保持恒定，以使生成聚合物沉积速率不变，如此形成的通道尺寸能够非常稳定，同时，沉积法的形成大大提高了通道壁的结合强度。

附图说明

图1为本发明系统构成示意图；

图2为图1中A部断面放大图；

图3为图1中B部断面放大图；

图4为图1中C部断面放大图；

图中标号：1储胶容器；2储胶辊；3起始辊；4加热源；5角位移台；6模板；6a加热片；7弹性皮带；8紫外光源；9a入口过渡辊；9b出口过渡辊；10下极板；11抽气口；12真空室；13进气管；13a入口过渡段；14混合气体；15上极板；16射频电源；17收集辊；18柔性聚合物基底；19纳米流道；20紫外固化胶。

具体实施方式

参见图1，本实施例中动态纳米刮印结合等离子体聚合制作纳米通道的方法是：

利用光刻或电子束刻在硅片上制作出纳米尺寸光栅图形的模板6，纳米尺寸光栅图形在模板6的上表面前沿的棱边上形成有光栅线槽；

将柔性聚合物基底18设置为可连续前行的传送带，柔性聚合物基底18在传送过程中首先经过设置在柔性聚合物基底18上方的模板6，由模板6上带有光栅线槽的棱边在柔性聚合物基底18的表面刮印形成沿传送带传送方向上的纳米线槽图形；连续前行的柔性聚合物基底18随后进入真空室12内，在真空室12中通过等离子体聚合法在柔性聚合物基底18上成膜，成膜是由两种混合气体(如O₂和HMDSO)14在辉光放电的情况下电离成离子并反应，反应的生成物分别沉积在光栅线槽的底部、侧壁，并通过生成物的沉积使线槽顶面封闭，形成位于线槽内的、密封的纳米流道19。

如图1所示，本实施例中动态纳米刮印结合等离体聚合制作纳米通道的系统的特点是：

设置具有纳米尺寸光栅图形的模板6，纳米尺寸光栅图形在模板6的上表面前沿的棱边上形成有光栅线槽；

以柔性聚合物基底18为传送带，由底部托辊支承构成柔性聚合物基底18的连续传送系统，沿柔性聚合物基底18的传送方向依次设置刮印单元和等离子体聚合单元；刮印单元是将模板6设置在柔性聚合物基底18的上方，模板6的上表面前沿棱边垂直于传送带行进方向，并于柔性聚合物基底18的表面相接触；

等离子体聚合单元具有一用来实现等离子体聚合的真空室12，柔性聚合物基底18在经刮印单元之后进入真空室12完成离子体聚合反应。

如图1所示，具体实施中，相应的结构设置也包括：

在连续传送系统的前端，将柔性聚合物基底(如PET)18卷绕在起始辊3上，在连续传送系统的末端，完成纳米流道19的制作的柔性聚合物基底18收集成卷在收集辊17上；

在模板6所在位置的柔性聚合物基底18的下方，设置由带轮支撑的弹性皮带7，以弹性皮带7对柔性聚合物基底18进行支撑，一方面保证有足够的刮印力，另一方面使柔性聚合物基底18在沿模板棱边方向上所承受的力均匀一致；

在真空室12的入口处和出口处分别设置入口过渡辊9a和出口过渡辊9b，作为柔性聚合物基底18的支撑辊；

真空室12用于实现电离和聚合反应，提供电离反应、聚合、生成物沉积的空间和压强条件，混合气体14是由贯穿设置在真空室侧壁的进气管13导入，抽气口11设置在真空室12的底部，上极板15位于柔性聚合物基底的上方，下极板11处在与上极板15上下相对位置上，并且位于柔性聚合物基底18的下方；射频电源16用于产生射频功率放电，电离通入的混合气体14，并聚合反应，生成沉积物；设置电机及传动机构，保证各转动部分传动速度协调一致；

在刮印单元中设置角位移台5，模板6固定设置在角位移台5上，通过角位移台5调节模板6与柔性聚合物基底18之间的倾斜角度以及模板6的上下位置，在模板6上覆贴有加热片6a，通过加热使刮印中的柔性聚合物基底或是紫外固化胶局部受热软化，以提高刮应效果，并保护模板，应控制加热片的温度使其保持在低于柔性聚合物基底或紫外固化胶的玻璃化温度。

图1所示的连续传送系统中，在连续传送系统的前端设置有涂胶机构，包括储胶容器1和涂胶辊2，利用涂胶辊2与起始辊3的相对转动将储胶容器1中的紫外固化胶(如SU-8胶)20连续地涂覆在柔性聚合物基底18的表面(图2所示)；在起始辊3与刮印单元之间设置一加热源4，涂有紫外固化胶20的柔性聚合物基底18在进入刮印单元之前，首先经过加热源4的加热烘干紫外固化胶中的溶剂，使紫外固化胶20凝固，随后在通过刮印单元时即在紫外固化胶20上形成有光栅线槽(图3所示)；在刮印单元与真空室12之间设置紫外光源8，柔性聚合物基底18上的紫外固化胶20在刮印之后，利用紫外光进行固化处理；这一结构形式在经过后续的等离子体聚合单元之后即形成纳米流道19(如图4所示)。

为保证基底上的紫外固化胶凝固充分和刮印后的固化充分，设置加热源4所在区段的长度为500mm，紫外光源8所在区段的长度为250mm，柔性聚合物基底18的行进速度为50mm/min；

对于连续传送系统中是以模板6直接在柔性聚合物基底18上刮印纳米线槽的系统工艺，图1中所示的涂胶机构、加热源4、紫外光源8均设置为闲置。

实施例：

取一段PET柔性聚合物基底长带，经酒精清洗及异丙醇淋洗后吹干，然后放到烘箱内以90℃烘烤10分钟，使其充分干燥，再将其放到真空室内进行氧气等离子灰化，灰化时真空室的压强设置为20Pa、功率为40W、灰化时间为30秒。

设置加热源4温度设为90℃，紫外光源8的波长为365nm；

调整角位移台5使模板6与柔性聚合物基底18的平面间夹角为20°-30°；移动调整角位移台5的上下位置，使模板6上的棱边与柔性聚合物基底18的表面相接触，并保持有4N-6N的接触压力。

涂胶辊安装在储胶容器的上盖上，涂胶辊下半部分浸入在紫外固化胶液SU-8胶内，调节储胶容器的高度，使得涂胶辊与缠绕在起始辊上的柔性聚合物基底18相接触；

在离子体聚合单元中，当真空室内的压强抽真空达到0.1Pa以下时，向真空室内通入待电离反应的混合气体，混合气体是氧气20SCFM和HMDSO气体20SCFM，当真空室压强达到4Pa时；开启射频电源16进行放电，放电功率设置为300W-400W，氧气和HMDSO的混合气体在上极板和下极板之间电离并发生反应；

为了实现利用聚合沉积方式来形成纳米流道19，设置模板的纳米线槽的线槽的深度与宽度之比不小于2。

混合气体中的HMDSO是以液态形式储存，对其进行加热使挥发成气态后通入到真空室内，氧气是从氧气储罐通过另一个进气管导入真空室内。

Claims (5)

1.动态纳米刮印结合等离子体聚合制作纳米通道的方法，其特征是：

利用光刻或电子束刻在硅片上制作出纳米尺寸光栅图形的模板(6)，所述纳米尺寸光栅图形在模板(6)的上表面前沿的棱边上形成有光栅线槽；

将柔性聚合物基底(18)设置为可连续前行的传送带，所述传送带在传送过程中首先经过设置在固定位置上的模板(6)的下方，并由模板(6)上带有光栅线槽的棱边在柔性聚合物基底(18)表面刮印形成沿传送带传送方向上的纳米线槽图形；连续前行的柔性聚合物基底(18)随后进入真空室(12)内，在所述真空室(12)中通过等离子体聚合法在所述柔性聚合物基底(18)上成膜，所述成膜是由两种混合气体在辉光放电的情况下电离成离子并反应，反应的生成物分别沉积在光栅线槽的底部、侧壁，并通过生成物的沉积使线槽顶面封闭，形成位于线槽内的、密封的纳米通道(19)。

2.一种动态纳米刮印结合等离子体聚合制作纳米通道的系统，其特征是：

设置具有纳米尺寸光栅图形的模板(6)，所述纳米尺寸光栅图形在模板(6)的上表面前沿的棱边上形成有光栅线槽；

以柔性聚合物基底(18)为传送带，由底部托辊支承构成传送带的连续传送系统，沿所述传送带的传送方向依次设置刮印单元和等离子体聚合单元；所述刮印单元是将所述模板(6)设置在传送带的上方，模板(6)的上表面前沿棱边垂直于传送带行进方向，并于柔性聚合物基底(18)的表面相接触；

所述等离子体聚合单元具有一用来实现等离子体聚合的真空室(12)，作为传送带的柔性聚合物基底(18)在经刮印单元之后进入所述真空室(12)完成等离子体聚合反应。

3.根据权利要求2所述的动态纳米刮印结合等离子体聚合制作纳米通道的系统，其特征是所述模板(6)固定在能够调节倾斜角度的角位移台(5)上，在所述模板(6)上覆贴加热片(6a)。

4.根据权利要求2所述的动态纳米刮印结合等离子体聚合制作纳米通道的系统，其特征是在所述连续传送系统的前端设置起始辊(3)，末端设置收集辊(17)，柔性聚合物基底(18)在所述起始辊(3)上放卷，依次经过所述刮印单元和等离子体聚合单元后，在所述收集辊(17)上收卷。

5.根据权利要求4所述的动态纳米刮印结合等离子体聚合制作纳米通道的系统，其特征是在所述连续传送系统的前端设置涂胶机构，所述涂胶机构包括紫外固化胶的储胶容器(1)和涂胶辊(2)，所述涂胶辊(2)与起始辊(3)构成对辊结构；在所述起始辊(3)与刮印单元之间设置一加热源(4)；在刮印单元与真空室(12)之间设置紫外光源(8)。

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