生物芯片微流道的微细加工工艺

江树镇，郭钟宁，郑文书，黄红光

（广东工业大学机电工程学院，广东广州510006）

生物芯片微流道的微细加工工艺

江树镇，郭钟宁，郑文书，黄红光

（广东工业大学机电工程学院，广东广州510006）

在生物芯片发展初期，其基底材料主要是玻璃，这是由于其加工方法是从半导体工业转移而来和玻璃材料的表面特性决定的。随着大批量、低成本的需求，基底材料转向聚合物材料，其加工方法也相应地发生转变。通过对比，介绍了生物芯片微流道微细加工的几种不同方法的原理及特点。

微细加工；微流道；刻蚀；微成形

生物芯片（或芯片实验室）是集成电路芯片技术在生物化学领域的延伸和推广，是生物化学分析与实验的微型化。传统的生物或化学实验装置是烧杯、烧瓶与连通管的组合，还包括注液、输液与检测系统；而生物芯片将这些系统都微缩到一个几厘米或十几厘米大小的平面基底上[1]。使用生物芯片的好处有：减少制造、使用和处理的费用；减少分析时间；减少试剂和分析物的使用量；减少有害产物的产量；增强便携性；解决了有些研究在大尺度装备中很难甚至无法进行的问题[2]。

生物芯片按结构形式可分为微点阵芯片与微流体芯片两大类。微点阵芯片是大量规则排列的点阵；微流体芯片的结构比微点阵芯片复杂得多，其最基本的组成部分是微流体通道。最早的微流体芯片是1979年报道的气相色谱分析芯片[3]。

1 早期微流道加工工艺

微流体芯片的加工主要是微流体通道的加工。硅、玻璃或石英是微流体芯片的主要基底材料。硅的微加工技术最成熟，无论是化学湿法刻蚀还是反应离子深刻蚀，都能用来制作微流体通道；采用硅材料的另一个重要原因是硅片能和玻璃通过阳极键合形成非常好的密封结构，这是保证微流体系统正常工作的首要条件。而玻璃密封的微流体加工相对于硅要困难得多，干法腐蚀的速率非常低，湿法腐蚀难以控制微流体通道的结构尺寸。此外，玻璃与玻璃的密封也比玻璃与硅的密封困难得多。

1.1 硅的刻蚀技术

早期的微流道系统技术是从微电子产业转移而来，经各种曝光技术（如光学曝光、电子束曝光、聚焦离子束加工等）后得到光刻胶的微细图形，然后通过刻蚀技术（如湿法刻蚀、干法刻蚀）将光刻胶图形转移到功能材料表面。

利用硅的各向异性腐蚀能刻蚀出垂直壁面，各向异性腐蚀必须使用碱性腐蚀液，其中最常用的为KOH。对微流体流道截面形状无特殊要求，可采用各向同性腐蚀。酸性腐蚀液对硅的腐蚀是各向同性的，最常用的酸性腐蚀液是氢氟酸、硝酸与醋酸的

混合，通常称为HNA。在硅基底上加工微流道的一般流程见图1[4]。

图1 光刻和刻蚀工艺

1.2 玻璃的刻蚀技术

玻璃实质上是一种非晶态二氧化硅，玻璃材料在微流体系统中有大量的应用。在玻璃表面腐蚀微流体通道与硅的微加工在本质上是一样的，需经过表面处理、涂光刻胶、光学曝光、显影等工艺获得所需的光刻胶图形。微流体系统所用的玻璃材料一般为钠钙玻璃或耐热玻璃，耐热玻璃与硅有相近的热膨胀系数，适于与硅片进行阳极键合封装。

一种在钠钙玻璃上加工微流道的工艺流程见图2[5]。其中，第4步是在超声波浴中进行缓冲氧化物刻蚀。由于微流道处的溶液不易流通，腐蚀溶液会很快饱和；当溶解过程具有气态的反应生成物时，还会出现气泡。增加超声有利于更新蚀刻位置的溶液，减小气泡的附着力，从而带走气泡。BOE的作用是使腐蚀溶液在长时间的使用中保持其最大的腐蚀能力；此外，还能降低光刻胶的腐蚀速度[4]。最后一步通过键合，把基板和盖板封装起来。在该过程中，使用粘接剂或中间层可能堵塞流道、吸收试剂或改变液体的流动模式，这种情况应该避免[6]。

图2 钠钙玻璃基底上的微流道芯片快速成形简化加工过程

虽然直接使用硅和玻璃等材料进行微流体芯片制造的技术成熟，但还有以下缺点：① 硅材料不透明，不能应用于光学检测系统；② 玻璃材料虽然透明，但为非晶体材料，难以蚀刻出垂直壁面；③ 虽然硅和玻璃都能实现批量生产，但两种材料的密封需在无尘环境中进行，且需要高的电压或温度；④价格昂贵、加工费时。

2 近期微流道加工工艺

随着生物芯片技术的发展，要求有更低成本、更易处理的材料及大批量生产技术或快速成形技术的出现。目前，对芯片材料的研究主要集中在高分子聚合物，如热塑性的poly methyl methacrylate （PMMA）聚甲基丙烯酸甲酯（俗称有机玻璃）、具有弹性的poly dimethylsiloxane（PDMS）聚二甲基硅氧烷（俗称有机硅）及光敏环氧树脂SU-8光刻胶[7]。

新的微流体设备的制作方法大致可分为直写技术和复制技术两大类[8]。直写技术包括激光烧蚀、激光切削、立体光刻及光敏聚合物的光刻等，主要用于实验室单个设备分别的制作；复制技术包括热压、微注塑及微浇铸等，主要用于工业大批量设备的生产。此外，对于机械微加工手段，有用于聚合物加工的微铣及用于玻璃加工的喷粉加工。

2.1 塑料微成形技术

在微系统器件中最适于采用高分子材料作为基础材料的是微流体系统，包括生物与化学分析系统，如芯片实验室系统。在微成形技术中通常采用的技术包括热压成形、微注塑成形和浇铸成形[1]。

2.1.1 热压成形

热压成形的工艺流程为：首先，将模板与放置有高分子材料的基板同时在真空中加热到大于高分子材料的玻璃化温度；然后，将模板压在加热软化的高分子材料上，在压力没有撤走前开始降温，当温度降到玻璃化温度以下后，拉开模板，于是在高分子材料表面就形成了浮雕结构。在真空环境下进行加温和压印是为了防止模板空腔的气体无法逃逸而在模压材料中形成气泡。在整个模压过程中，脱模是最重要的环节。热压模板的制作一般通过硅的反应离子深刻蚀或LIGA技术得到电铸金属镍结构。

2.1.2 微注塑成形

注塑是一种传统工业技术。在微注塑中，有很多问题需要注意。为了保证塑料均匀填充至所有腔体角落，微注塑需要比传统注塑更高的温度和压力；脱模过程中，注塑件结构或表面极易受损，需将冷却系统集成到脱模夹具中，以保证快速冷却；由于没有出气孔，还必须将模具抽真空。

因此，制作微小塑料注塑制品不是简单地减小模具尺寸，而必须有专门设计的注塑机。微注塑的模具必须是金属材料，因为硅材料本身的易碎性，不适于承受注塑机的机械冲击振动。普遍的加工方法是电火花微细加工；如果构件尺寸在毫米量级以上，机械精细加工也可胜任。更小尺寸的模具则必须采用曝光形成光刻胶模，然后通过电铸形成金属结构，如LIGA技术[1]。

微注塑用于可重复制作的塑料微流体流道，使用材料一般是PMMA和PC。能影响微米级特征的变量包括注塑温度和脱模后的松弛效应。通过调整加工时间和温度，注塑机能很精确地将微流体芯片制作出来[9]。

2.1.3 浇铸成形

用于电泳分离的PDMS芯片通过微浇铸能很容易地制作出来，其制作流程见图3[10]。首先，在硅或其他平面基底材料上用光刻方法制作出微结构浮雕图形作为模板，在模板上预先涂覆一次防粘剂；然后，将PDMS与固化剂混合（10：1）并倾注于浮雕图形表面，在PDMS未固化前放置于真空中除气，以防止气泡产生；最后，在60℃的热板或烘箱中放置约1 h左右进行固化，固化后的PDMS能轻易地从模板表面剥离。此时，PDMS已印有模板上的图案，且柔软、具有弹性。将印有模板图案的PDMS片贴到另一块玻璃片上，就得到了气密性极好的微流体通道结构。如果在玻璃基片上制作有电极，则该微流体系统可用来进行生物化学反应、分离或检测，成为名副其实的芯片实验室。

图3 微流道浇铸工艺过程

用于微流道制作的浇铸成形工艺，包括模板的制作在许多文献中被称为软光刻[2，9，11，12]。PDMS能重复制作亚微米级以下的微细结构特征，能通过上述简单的模铸工艺得到表面质量良好的微结构。PDMS被大量用来制作各种微流体器件与系统，进行各种生物化学表面的研究，这主要是因为它有以下显著特点[1]：① 制作工艺简单快捷，可大量低成本地重复制作；模板可重复利用，而其本身可以直接是光刻胶图案，如SU-8胶形成的图案；② 固化的PDMS片能粘到任何光滑平整的表面，依靠接触界面的分子力形成良好的密封；③未进行表面氧化处理的PDMS呈疏水性，不适于水溶性流体，经表面氧化处理后，表面亲水性能大大改善；且只有经过表面氧化处理后的PDMS微流体通道才能适于电渗流；④固化后的PDMS有极好的透明度，对＞230 nm波长的入射光几乎没有衰减，且自激发荧光效应很低；大部分生物分子包括DNA是靠激光激发荧光效应来检测的。因此，由PDMS构成的生物芯片可直接通过激光检测微流道中的反应及生成物。

上述特点中，PDMS的自发粘接是十分重要的性能[2，9，10，13]。通常，微流体器件能通过复杂的键合工艺得到密封的微流道或容器，如玻璃基底的熔化胶合、玻璃与硅的阳极键合。但对于PDMS材料，只需把芯片贴到平面基底就能把微结构密封。这种键合是可逆的，可通过更换或清洗芯片和基底来避免交叉污染。PDMS的永久密封可通过其表面的等离子体氧化工艺，再粘贴到基底材料[14]。基底材料既能是PDMS本身，也能是玻璃、硅或其他高分子材料。

2.2 直写技术

虽然热压、注塑和浇铸在批量生产中很有优势，但这些工艺都需要模板，所以不适于快速成形。对于有机物的快速成形，最常用的方法是微铣，且已应用于工业界。由于激光加工技术的发展，尤其是纳秒激光加工的应用，利用激光能量加工微流道也已成为一种不可或缺的方法。此外，还有相当成熟的喷粉加工技术的应用[15]。

2.2.1 微铣加工技术

利用微铣加工方法可加工出较复杂的截面形状。加工后的微流道可直接封装成为微流道芯片，或作为塑料成形的模板。但微铣加工的缺点是受制于刀具尺寸，且分辨率较低，目前约为100 μm。

Wilson等[11]结合微铣及软光刻的方法加工出具有圆形截面的微流道。首先，利用微铣刀在平面金属板上加工出半圆形的流道作为模板；然后，将微铣图形通过两次反向模铸工艺转换到PDMS材料上；最后，利用这些半圆形的PDMS微流道，通过对齐和键合制作出具有圆形截面的微流道。其加工过程见图4。

图4 微铣与浇铸复合加工过程示意图

利用上述方法可加工出直线或曲折的流道，加工结果见图5。其中，A、D分别为铜和铝模板；B、E为正型硅树脂橡胶模；C、F为负型PDMS模。

图5 复合加工产品

2.2.2 激光烧蚀

激光微细加工[4]是微纳加工技术中发展很快的一个新的分支，被普遍认为是现代微细加工的强有力的工具之一。其中，一种广泛应用于微纳加工技术的激光源是飞秒激光器。其独特的高峰值功率特征使它实际上可去除任何物质；热量在极短的持续时间范围内来不及传递开，使加热和加工区被限制在很小的范围，没有热扩散的作用；没有激光照射的部分不会被加热和热污染损伤。激光烧蚀的实际过程很复杂，有相当多的物理、化学过程在起作用。

飞秒激光器加工时，由于其光强度特别高，光与物质作用和伴随的能量转移具有多光子作用的特点。聚焦激光束的束斑光强空间分布通常接近于“高斯”分布的形式。飞秒加工的范围限于聚焦光斑中心附近，具有很高的进入纳米领域的高分辨率和高精度。Eaton等[7]全面介绍了聚合物材料的飞秒激光加工技术，着重强调了其在Lab-on-a-chip中的应用；还指出由于飞秒激光和聚合物的非线性交互作用，激光诱导修正定位于极小区域，使得在三维区域中获得高分辨率。飞秒激光加工技术可通过激光烧蚀和掩埋型光波导加工表面微流道和衍射光学零件，还可通过双光子聚合技术加工光刻胶中的三维复杂结构。

超短脉冲飞秒激光脉冲通过非线性多光子吸收传递到样品表面，激光脉冲和聚合物的非线性交互作用得到LoC器件激光加工的两个重要结论：①由于脉冲持续时间（～100 fs）比电子-光子耦合时间（～10 ps）短，因此产生最小的热损伤，使精密烧蚀的微流道具有最小的热影响区；②通过聚合物中激光束的聚焦，非线性交互作用被约束在局部区域中，通过合理曝光参数的选择可使反射率增加，可用来开发光波导直写。

此外，飞秒激光烧蚀适用于聚合物中低表面粗糙度值的微流道制作，且某些物质（如PMMA）在飞秒激光烧蚀后由亲水性变成疏水性。激光诱导的疏水性主要是因为表面形态改性及不改变表面化学性质。飞秒激光烧蚀导致的亚微米孔困住了表面和水之间的空气，导致激光烧蚀后疏水性的增强。

3 结语

本文围绕加工材料的发展对加工方法进行论述，对各种方法的适用场合和优劣进行比较。此外，还有多种可用于微流道的制作方法，如SACE技术[16-17]和Rolling[18]方法等。生物芯片的应用在当前生物科技的发展中越来越重要，而在生物芯片的制作中，微纳加工技术扮演着极其关键的角色。一系列的加工技术和材料都可用来制作生物芯片微流体系统。材料从早期的硅和玻璃发展到当前主流的聚合物材料，加工方法也随着材料的转变发生了变化。随着探索的进行，还会有更多的方法应用于生物芯片的制作，这些方法将是更高效和经济的。

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The Micro Machining Processes of Microchannels on Biochips

Jiang Shuzhen,Guo Zhongning,Zheng Wenshu,Huang Hongguang
（Guangdong University of Technology，510006，China）

In the initial development of biochips，the mainly substrate material was glass due to its machining methods was derived from the semiconductor industrial and its surface property.With the requirement of mass production and lower cost，the substrate materials turned to polymers and its machining methods changed correspondingly.By comparing，the principles and characteristics of several typical methods used in the micro machining of biochip microchannels was introduced.

micro machining；micro channel；etching；micro molding

TG662

A

1009－279X（2014）03－0066-05

2013-12-30

国家自然科学基金重点资助项目（U1134003）第一作者简介：江树镇，男，1988年生，硕士研究生。