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微流控芯片(Microfluidic Chip)以其在尺寸、传质传热速度、自动化以及成本等多方面无可比拟的优势,近年来活跃于化学、生物、医学、食品等领域中。快速高效低成本的芯片制作是微流控芯片广泛应用的前提。玻璃是目前商品化应用最为广泛的芯片材料之一,但现有的玻璃芯片制备方法均不能满足大批量生产的需要。
本论文基于PAG软印章技术,探索高效率、低成本的玻璃芯片加工技术。主要的工作包括以下几个方面:
(1)建立了图案化PAG软印章的制备方法,详细考察单体浓度,交联剂用量、硬模类型、基底图案类型与尺寸、基底亲疏水性以及环境条件如温度、pH等因素对PAG印章制备的影响。经过条件筛选和工艺优化,在最佳条件下可制备大面积(2cm×2cm)软印章图案,且几无缺陷,测得不同印章之间RSD=0.3%,表明PAG软印章重现性好,一致性高,其中最小结构可达320nm。
(2)利用AFM力-距离曲线和赫兹模型拟合对不同浓度PAG印章进行杨氏模量的测试表征。详细探讨了单体和交联剂浓度对印章模量的影响,结果表明,当交联剂浓度为0.6%,单体浓度为30%的PAG杨氏模量为4.46MPa,比琼脂糖凝胶(75kPa)高出两个数量级。并使用ANSYS软件,模拟了不同模量的印章在压力下的应力与应变情况,为后续电化学微纳加工提供了指导。
(3)建立了电化学PAG印章加工技术,考察了刻蚀电位、压力、时间、印章图案等因素对刻蚀效果的影响,结果表明,在最优条件下,利用320nm的软印章可以得到约380nm的清晰图案,相比琼脂糖湿印章电化学技术加工精度(20μm)提高了两个数量级。
(4)利用PAG电化学软印章技术进行玻璃微流控芯片的批量加工,考察了玻璃腐蚀液、金属牺牲层对玻璃微通道加工的影响。结果表明,不同芯片之间RSD=0.72%,加工重现性高;在优化条件下,该方法200s内即可实现对Cr/Au牺牲层的图案加工,结合湿法刻蚀与室温键合技术,可以得到底部平整、边壁光滑的微流控芯片。成本分析表明,量产50片以上时,玻璃芯片的加工成本由光刻法的148元降为33.4元,降低约80%。