CN106154746A - 一种制备微流控芯片模板的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备微流控芯片模板的方法，其包括如下步骤：S1将光刻胶涂覆在平面基底上，光刻胶的涂覆厚度为1微米～100微米；S2对涂覆在平面基底的光刻胶进行前烘处理，以挥发掉光刻胶内部的溶剂，从而使光刻胶固化而表面变得平整；S3将设计好的微流控芯片模板的图案发送到紫外激光器中，紫外激光在激光器中聚焦成一束光斑，根据设计好的图案驱动光斑移动对步骤S2中覆盖在基底上的光刻胶直接进行曝光；S4清洗掉不需要的光刻胶，获得微流控芯片模板。本发明方法通过激光直写技术和光刻技术，快速灵活地加工微流控芯片模板，从而能降低芯片的加工成本，缩短芯片加工周期。

Description

一种制备微流控芯片模板的方法
技术领域
本发明涉及微流控制造技术，属于微制造技术领域，具体涉及一种快速灵活地制备微流控芯片模板的方法。
背景技术
微流控广泛地服务于生物检测、化学分析、医疗检测、环境工程、食品工程等各个与我们生活息息相关的领域。微流控作为一个新技术，在科研领域也有很多的应用。在实际研发过程中，需要对微流控芯片的设计进行反复地验证和修改。
软刻蚀(soft lithography)是现如今最广泛的微流控芯片制造技术。软刻蚀技术首先要制造出相应的模板，然后通过弹性体复制模板上的微结构。制造模板的方法很多都是基于光刻工艺，一般可以直接用硅片上的光刻胶微结构作模板，也可以继续在硅片上刻蚀或者离子注入在硅片上形成微结构作为模板。弹性体复制最常用的方法是PDMS(Polydimethylsiloxane，中文名：聚二甲基硅氧烷)模塑法，用PDMS在模板上固化即可精确地复制模板上的结构，PDMS也被广泛地应用到微流控芯片的制造。
但是，光刻工艺首先要做掩膜版，精细的铬掩膜版需要昂贵的设备和清洁的实验环境，一般的实验室很难达到，而且定制掩膜版要在运输上消耗大量的时间。塑料掩膜虽然定制费用便宜，但是精度不够好。掩膜版的制造是限制了这种制造技术的应用。
一种干的光刻胶薄膜被应用于微流控芯片制造，不同于光刻胶在显影前是可流动的液体，光刻胶薄膜是一种固体的薄膜，也对紫外光敏感，可以用来制作模板，也可以用来直接制作微流控芯片。但是和光刻类似，这种工艺也需要首先制作掩膜版。(Y.-C.Tsai；H.-P.Jen；K.-W.Lin and Y.-Z.Hsieh.Fabrication of microfluidic devices using dryfilm photoresist for microchip capillary electrophoresis.J.Chromatogr.A 2006,1111,267-271.；K.Stephan；P.Pittet；L.Renaud；P.Kleimann；P.Morin；N.Ouaini andR.Ferrigno.Fast prototyping using a dry film photoresist:microfabrication ofsoft-lithography masters for microfluidicstructures.J.Micromech.Microeng.2007,17,N69-N74.)
一种利用刻字机制作模板的方法，不需要掩膜版，直接用刻字机在不干胶或者过塑膜上直接进行加工制作模板。但是，精度受到刻字机精度和材料的限制。(S.H.Jeong；K.Hjort and Z.G.Wu.Adhesive Transfer Soft Lithography:Low-Cost and FlexibleRapid Prototyping of Microfluidic Devices.Micro and Nanosystems 2014,6,42-49.；A.C.Glavan；R.V.Martinez；E.J.Maxwell；A.B.Subramaniam；R.M.D.Nunes；S.Soh andG.M.Whitesides.Rapid fabrication of pressure-driven open-channel microfluidicdevices in omniphobic RF paper.Lab Chip2013,13,2922-2930.)
一种利用激光直接成型的方法，直接在玻璃板或者PMMA上加工出微流道。此方法由于是直接成型，不适合制作高深宽比的流道，而且流道壁表面粗糙。(M.-H.Yen；J.-Y.Cheng；C.-W.Wei；Y.-C.Chuang and T.-H.Young.Rapid cell-patterning andmicrofluidic chip fabrication by crack-free CO2laser ablation onglass.J.Micromech.Microeng.2006,16,1143-1153.；Y.Sun；Y.C.Kwok and N.-T.Nguyen.Low-pressure,high-temperature thermal bonding of polymericmicrofluidic devices and their applications for electrophoreticseparation.J.Micromech.Microeng.2006,16,1681-1688.)
一种利用激光打印机打印模板，但是精度受打印机的精度限制，且流道粗糙。(M.Abdelgawad；M.W.L.Watson；E.W.K.Young；J.M.Mudrik；M.D.Ungrin andA.R.Wheeler.Soft lithography:masters on demand.Lab Chip 2008,8,1379-1385.)
一种利用塑料热成型加工微流控芯片，此方法适用于大批量制造，但是其精度受到模板和塑料热变形的限制。(R.Novak；N.Ranu and R.A.Mathies.Rapid fabrication ofnickel molds for prototyping embossed plastic microfluidic devices.Lab Chip2013,13,1468-1471.)
总之，现有的各种微流控芯片的加工技术普遍存在精度、成本和加工周期不能兼顾的状况。高精度的加工技术的成本也高，加工时间周期长；加工时间周期短、低成本的加工技术的精度不够高。
因此，需要开出一套高效率、高精度、低成本地加工微流控芯片模板的方法。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种制备微流控芯片模板的方法，其通过激光直写技术和光刻技术，快速灵活地加工微流控芯片模板，从而能降低芯片的加工成本，缩短芯片加工周期。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种制备微流控芯片模板的方法，其包括如下步骤：
S1：将光刻胶涂覆在平面基底上，光刻胶的涂覆厚度为1微米～100微米；
S2：对涂覆在平面基底的光刻胶进行前烘处理，以挥发掉光刻胶内部的溶剂，从而使光刻胶固化而表面变得平整；
S3：将设计好的微流控芯片模板的图案发送到紫外激光器中，紫外激光在紫外激光器中聚焦成一束光斑，根据设计好的图案驱动光斑移动对步骤S2中覆盖在基底上的光刻胶直接进行曝光；
S4：清洗掉不需要的光刻胶，获得微流控芯片模板。
以上发明构思中，激光在激光器中聚焦形成激光光斑，该激光光斑精确的根据待制备的模板的形状进行来回移动扫描，对光刻胶进行曝光。不需要掩膜版，利用激光直写直接在光刻胶上进行高精度图案化曝光。本发明方法结合激光直写技术和光刻技术，可高效精确地制备出微流控芯片模板。
进一步的，所述步骤S4中清洗掉不需要的光刻胶包括清洗掉正胶或者清洗掉负胶，在所述光刻胶为正胶时，通过显影将曝光的光刻胶清洗掉；在所述光刻胶为负胶时，通过显影将未曝光的光刻胶清洗掉。
进一步的，在所述光刻胶为负胶时，在步骤S3和步骤S4之间执行后烘处理，以使所述曝光充分，进而保证显影效果。
进一步的，所述步骤S1中的平面基地为硅晶圆、玻璃或者不锈钢。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
激光在激光器中聚焦形成激光光斑，该激光光斑精确的根据待制备的模板的形状进行来回移动扫描，对光刻胶进行曝光，本发明方法结合激光直写技术和光刻技术，可高效精确地制备出微流控芯片模板。相对于传统的微流控芯片制备方法，本发明方法中设备的成本较低，加工周期缩短，并且不需要超净间环境和专门的操作人员，生产成本更低。
附图说明
图1为本发明实施例1中微流控芯片模板的制备方法的流程图；
图2为本发明实施例1中PDMS浇注的流程示意图；
图3(a)、图3(b)均为利用本发明方法制作的微流控芯片模板的实物图，图3(a)中为十字交叉型图案，图3(b)为直线型图案，该实物图是在显微镜下拍摄的照片，放大倍数为100倍。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种制备微流控芯片模板的方法，其包括如下步骤：
S1：将光刻胶涂覆在平面基底上，光刻胶的涂覆厚度为1微米～100微米；
S2：对涂覆在平面基底的光刻胶进行前烘处理，以挥发掉光刻胶内部的溶剂，从而使光刻胶固化而表面变得平整；
S3：将设计好的微流控芯片模板的图案发送到紫外激光器中，紫外激光在紫外激光器中聚焦成一束光斑，根据设计好的图案驱动光斑移动对步骤S2中覆盖在基底上的光刻胶直接进行曝光；
S4：清洗掉不需要的光刻胶，获得微流控芯片模板。
本发明的微流控芯片模板非常适用于进一步的微流控芯片制作：得到模板后，用PDMS模塑法进行微流控芯片的制作，将未固化的PDMS浇注到模板上，待PDMS固化后撕下PDMS即可得到微流控芯片。若需要得到闭合的管道，只需将PDMS管道用玻璃片通过表面处理键合起来。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明绝非仅局限于介绍的实施例。下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。下述实施例中，芯片制作技术和使用方法均为微流控芯片领域的常规技术和方法。
图1为本发明实施例1中微流控芯片模板的制备方法的流程图，如图1所示，其主要包括如下步骤：
S1：首先用匀胶机在硅片，上旋涂一层负性光刻胶SU-8(生产公司为MicroChem，USA)，根据光刻胶的性质，调节匀胶机的转速可以得到所需厚度的光刻胶，光刻胶的厚度为50微米。
S2：根据光刻胶的性质以及旋涂的厚度，先放置在60-70℃的加热台上加热5分钟，然后放置在90-100℃加热板上，根据光刻胶的厚度选择合适的前烘时间进行前烘处理，前烘时间为10-20min。
S3：待光刻胶冷却至室温的同时，将设计好的图案发送至紫外激光器，用紫外激光器进行选择性图案化曝光，激光光斑就会在光刻胶上扫描出设计的图案。
S4：为了使光刻胶曝光后充分反应以得到更好的性能，先放置在60-70℃加热台加热1-2分钟，然后在90-100℃加热台上加热2-4分钟。
S5:待光刻胶冷却至室温，用显影液对光刻胶进行显影，得到了微流控芯片模板。
S6：为了使光刻胶具有更好的机械性能，需要进行后烘处理，将步骤S5获得微流控芯片置于150-200℃下进行烘烤。
图2为本发明实施例1中PDMS浇注的流程示意图，如图2所示，使用本发明的方法制作的微流控芯片模板制备微流控芯片的过程大致如下：
将未固化的PDMS浇注在用本发明制作的模板上，根据PDMS厚度的不同，放置于65-85℃烘箱里烘烤约20-40分钟，将固化的PDMS揭下，即获得带结构的微流控芯片。
如需得到封闭的管道，则将PDMS带有结构的一面和另一片载玻片同时进行等离子处理，然后将PDMS有结构的一面和处理过的载玻片压在一起，挤走按压过程产生的气泡，放置于70-80℃烘箱里烘烤约10-20分钟，PDMS即和载玻片键合完成形成闭合的管道。
实施例2
S1：首先用匀胶机在玻璃旋涂一层正性光刻胶AZ1505(生产公司为MicroChemicals，UK)，根据光刻胶的性质，调节匀胶机的转速可以得到所需厚度的光刻胶，光刻胶的厚度为1微米，光刻胶为正胶。
S2：根据光刻胶的性质以及旋涂的厚度，放置在95-105℃加热板上，选择合适的前烘时间进行前烘处理，前烘时间为40-60秒。
S3：待光刻胶冷却至室温的同时，将设计好的图案发送至紫外激光器，用紫外激光器进行选择性曝光，激光光斑就会在光刻胶上扫描出设计的图案。
S4:待光刻胶冷却至室温，用显影液对光刻胶进行显影，得到了微流控芯片模板。
实施例3
S1：首先用匀胶机在石英上旋涂一层负性光刻胶SU-8(生产公司为MicroChem，USA)，根据光刻胶的性质，调节匀胶机的转速可以得到所需厚度的光刻胶，光刻胶的厚度为100微米。
S2：根据光刻胶的性质以及旋涂的厚度，先放置在60-70℃加热板上加热3-5分钟，然后放置在90-100℃加热板上，选择合适的前烘时间进行前烘处理，前烘时间为20-30min。
S3：待光刻胶冷却至室温的同时，将设计好的图案发送至紫外激光器，用紫外激光器进行选择性曝光，激光光斑就会在光刻胶上扫描出设计的图案。
S4：为了使光刻胶曝光后充分反应以得到更好的性能，先放置在60-70℃加热台加热1-2分钟，然后在90-100℃加热台上加热4-5分钟。S5:待光刻胶冷却至室温，用SU-8显影液对光刻胶进行显影，就得到了微流控芯片模板。
S5：为了使光刻胶有更好的机械性能，可以在高温150-200℃进行硬烘一段时间，该时间为15-30min。
图3(a)、图3(b)均为利用本发明方法制作的微流控芯片模板的实物图，图3(a)中为十字交叉型图案，图3(b)为直线型图案，该实物图是在显微镜下拍摄的照片，放大倍数为100倍。由图可知，采用本发明方法制备的微流控芯片模板具有加工流程快速灵活，适合于原型设计验证需要多次修改的优点。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种制备微流控芯片模板的方法，其特征在于，其包括如下步骤：
S1：将光刻胶涂覆在平面基底上，光刻胶的涂覆厚度为1微米～100微米；
S2：对涂覆在平面基底的光刻胶进行前烘处理，以挥发掉光刻胶内部的溶剂，从而使光刻胶固化而表面变得平整；
S3：将设计好的微流控芯片模板的图案发送到紫外激光器中，紫外激光在激光器中聚焦成一束光斑，根据设计好的图案驱动光斑移动对步骤S2中覆盖在基底上的光刻胶直接进行曝光；
S4：清洗掉不需要的光刻胶，获得微流控芯片模板。
2.如权利要求1所述的一种制备微流控芯片模板的方法，其特征在于，所述步骤S4中清洗掉不需要的光刻胶包括清洗掉正胶或者清洗掉负胶，
在所述光刻胶为正胶时，通过显影将曝光的光刻胶清洗掉；在所述光刻胶为负胶时，通过显影将未曝光的光刻胶清洗掉。
3.如权利要求1或2所述的一种制备微流控芯片模板的方法，其特征在于，在所述光刻胶为负胶时，在步骤S3和步骤S4之间执行后烘处理，以使所述曝光充分，进而保证显影效果。
4.如权利要求3所述的一种制备微流控芯片模板的方法，其特征在于，所述步骤S1中的平面基地为硅晶圆、玻璃或者不锈钢。
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