「微流控·博士公開課」聚合物微流控晶片加工技術(上)
2020-12-03 含光微納公開課介紹
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本期作者
Wendell
北京大學博士，研究方向MEMS微加工，在國際頂級mems、transducers會議上發表多篇文章，歐洲訪學歸國，專注微成型領域5年以上。
微流控技術是下一代醫療診斷顛覆性技術。
2003年被福布斯(Forbes)雜誌評為影響人類未來15件最重要的發明之一。
通過在固體晶片表面構建微型的反應和分析單元，可以實現對無機離子、有機物質、核酸、蛋白質和其他生化組份快速、準確的檢測，所以也稱微流控晶片為「晶片上的實驗室」(Lab on a chip)。
微流控加工方法基於傳統MEMS微加工技術，所使用的材料包括矽、玻璃（石英）、有機聚合物等，其中聚合物由於以下特點得到了廣泛應用：
1.低成本和易加工性
2.光學透明性
3.化學惰性和電絕緣性
4.表面可修飾性和可密封性
廣泛應用於微流控晶片的聚合物有彈性體PDMS，硬質塑料PMMA、PC、COC、COP等。
聚合物的微加工方法可分為兩類，一為直接加工技術，如微機械加工，光刻等；二為基於微模具的複製技術，其中微模具多為第一類直接加工技術得來。而對於聚合物微流控晶片，直接加工方式運用在批量生產中成本高，基於微模具的複製技術分為以下幾類：
1.PDMS澆注技術
PDMS（聚二甲基矽氧烷）作為一種高分子有機矽化合物。具有光學透明，且在一般情況下，被認為是惰性，無毒，不易燃，是最廣泛使用的矽為基礎的有機聚合物材料，因其成本低，使用簡單，同矽片之間具有良好的粘附性，廣泛應用於微流控領域。
PDMS具有熱固性，在製造或成型過程的前期為液態，固化後即不溶不熔，也不能再次熱熔或軟化。
PDMS澆注操作方便，以此為基礎開發的軟光刻、微接觸印刷等技術在微流控晶片加工中得到了推廣應用。
圖1 PDMS翻模操作2.熱壓(Hot Embossing)技術
熱壓成型技術是當前在學術研究領域裡最為常用的複製聚合物微結構的加工技術，應用了材料的熱塑性，其加工過程主要包含以下步驟：
(1)聚合物基片（圓盤或薄片）放置在熱壓裝置中，並在真空環境下使溫度達到聚合物的玻璃化轉變溫度；
(2)壓頭同樣被加熱到相同（或略高於玻璃化轉變溫度）；
(3)壓頭一般以一定的壓力壓入聚合物基片，該壓力的大小取決於聚合物基片的結構設計、基片的材料以及壓頭的材料；
(4)壓頭和基片勻速降溫到玻璃化轉變溫度以下，然後再進行分離（或開模），得到製品的微結構。
圖2 熱壓成型的流程
圖3 典型的熱壓成型參數圖雖然在工業界並不是很看好該項技術，但對於有些結構，熱壓是惟一的合理解決方案，而通過一些技術，也可以做到可控的商業化。
熱壓成型的優勢在於方便平板類零件的大面積成型，且無需複雜的模具，設備成本低，但最大的問題在於效率，因為升溫和降溫的過程需要耗費大量時間。
北京化工大學的Daming Wu等改進了工藝，將模具壓頭保持一個預設的較高溫度，脫模後散熱，極大的提高了效率，但也增加工藝複雜性，導致工藝不穩定的問題。
為了使熱壓成型進一步批量化，卷對卷（roll to roll）熱壓成型稱為近階段的研究熱點。如圖5尤其對於柔性器件大批量製造有很強的優勢。
圖4 改進的熱壓成型工藝參數
圖5 卷對卷熱壓成型概念圖3.注塑(Injection Molding)
到目前為止，在微觀領域最廣泛製備聚合物的加工過程就是注塑成型，也是工業界的優先選擇。注塑成型也稱注射成型、注射模塑成型等，是聚合物高效、高精度、批量複製方法，該項技術也擴展應用到了金屬、陶瓷粉末注射成型。注塑成型還發展出了眾多類似技術，比如反應注射成型（Reaction Injection Molding）、微發泡注塑成型（Microcellular Injection molding）、微擠出成型（Micro Extrusion Molding）等。
注塑成型，也簡稱微成型，是LIGA工藝的重要一環。注塑成型方法的優點是生產速度快、效率高，操作可實現自動化，花色品種多，形狀可以由簡到繁，尺寸可以由大到小，而且製品尺寸精確，能成形狀複雜的製件。
注射成型過程大致可分為合模、射膠、保壓、冷卻、開模、製品取出等階段，上述工藝反覆進行，就可批量周期性生產出製品。
圖6 注塑成型的流程然而對於微尺度結構的加工，尤其是高深寬比結構的填充，注塑成型通常做的不如熱壓成型填充率高，對於微結構的填充最有效的辦法是使用變模溫注塑技術，即在一個循環周期內將模具溫度實現高低溫切換，實現填充效果的優化。
圖7 常規注塑成型vs變模溫注塑成型
圖8 含光微納注塑工藝優化SEM圖4.吸塑（Thermoforming）
吸塑將聚合物薄膜片材加熱變軟後，採用真空吸附於模具表面，冷卻後成型。該工藝量產性好，但由於對片材厚度要求高，晶片強度受限。
圖9 吸塑工藝得到的離心式微流控晶片5.高溫壓製成型或澆鑄成型
一種直接使用注塑塑膠粒子，在簡易熱壓裝置中，很小壓力或不加壓，主要利用高溫聚合物流動性成型的方法，類似於納米壓印的技術，主要應用到實驗室快速原型製造的階段。
圖10 直接利用塑料粒子進行高溫壓制或澆鑄成型
結語：
基於模具的聚合物微加工技術是目前微流控晶片製作的主流，壓印尤其是注塑技術適用於批量生產，是最具有量產前景的技術。
含光微納具有業界先進的聚合物微流控晶片量產解決方案，含光獨有的模具加工工藝結合精密注塑成型生產技術，實現快速、精細、最小流道低至1μm的聚合物晶片大規模量產，顯著降低了晶片的製造費用。
本文版權歸含光微納所有，未經授權不得轉載，任何形式轉載請到公號後臺留言。
參考文獻：1. Mosaddegh, etc. JMM, 20082. Heckele, etc. JMM, 20043. Focke, etc. LAB CHIP, 20104. Duffy, etc. ANAL CHEM, 19985. Giboz, etc. JMM, 20076. Heckele, etc. MICROSYST TECHNOL, 19987. Wu, etc. POLYM ENG SCI, 20178. Deng, etc. JMM, 20159. Gornik, etc. MACROMOL SYMP, 200410. Aghvami, etc. SENSOR ACTUAT B-CHEM, 2017
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