4.5.微制造技術的研究進展

4.5.1復制模塑
也許是聚合物模塑工藝中最簡單的一種，復制模塑包括將聚合物澆注在印章或模具上。圖5顯示了復制模制工藝和從硅母版復制的器件。當使用PDMS作為模具材料時，模具可以在彎曲或輪廓的襯底周圍變形以形成光刻難以捉摸的圖案區。此外，復制模塑可用于復制納米級的特征，使用彈性印章意味著與剛性材料相比，從模具中釋放不是問題。復制模塑成型生產微流控部件的主要缺點是目前它不是一個自動化的過程，因此它的生產能力不足以進行工業規模的生產。盡管注塑提供了一種具有更高吞吐量的復制模塑方法，但由于圍繞該主題的大量文獻，該技術將在第4.5.5節中更詳細地討論。

圖5.復制模塑工藝示意圖。在將預聚體澆注在頂部之前，制備PDMS母版。一旦預聚體流入母體的所有區域，聚合物被固化，并且PDMS母體被移除，從而得到復制的部分。B-通過仿制模塑制造的微流控恒化器。彩色染料用來顯示渠道和硬幣的規模。

4.5.2。壓花/納米壓印光刻
壓花，或壓印光刻，是一種涉及到材料-通常是聚合物-在模具或帶有浮雕圖案的印章上形成圖案的技術。這可以通過多種方式執行。最常見的是，將基材置于高于玻璃化轉變溫度(Tg)的40-50?°C，然后使印章與基材接觸，兩部分都被冷卻，聚合物回到Tg以下。然后，模制的零件從印章上釋放。此外，可以使用預聚體來實現壓印光刻，然后可以固化該預聚體以提供固體圖案。在工業上，光盤(CD)是這種技術如何用于消費品的大規模生產的一個例子--盡管這些過程中的許多現在已經切換到注塑成型。此外，在研究環境中，壓花已被用于制造能夠將光耦合到波導中的柵格，以及可靠地再現小至25?nm的特征，這些特征隨后可用作蝕刻掩模或用作金屬剝離的犧牲層。用于壓印光刻的郵票已經在許多材料上用多種技術制造，例如PMMA和石英。此外，公司還開發了用于制作壓花郵票和壓印襯底的商業系統。壓花作為一種復制方法也是有利的，因為它需要很少的聚合物流動，因此在最終部分有低的熱應力。雖然這一過程可以自動化，但加熱和冷卻基板和工具所需的時間意味著周期時間太長，無法進行高通量制造。

4.5.3 SU-8
IBM開發的負性抗蝕劑SU-8導致了許多MEMS和芯片實驗室式器件的設計和實現，而這些器件是為微電子行業開發的薄膜所難以企及的。

SU-8于1998年首次被發明，允許研究人員在比以前觀察到的更厚的抗蝕劑層(高達1200?μm)中創建具有高縱橫比的結構。除了形成這些厚層的能力外，它還具有機械、熱和化學性能，使其能夠用于制造用于注塑的鎳模具，直接制造齒輪等微機械部件，以及直接制造熱流傳感器到光塑材料中，這突出了它對微流體的適用性。SU-8的處理方式與其他光刻膠大致相同(圖2)，但預烘烤和曝光時間必須延長，以彌補較厚的層。此外，還添加了曝光后烘焙，以加速聚合物在暴露于紫外線輻射的區域中的交聯。SU-8還被用來創造多層結構，可以用來構建復雜的三維形狀。Mata等人描述了只需一個顯影步驟即可在較大特征上或其周圍形成10?μm直徑的柱子或孔的工藝。該程序還允許創建懸垂結構，而這些結構以前只能通過涉及粘合、蝕刻和電鍍的復雜的多步驟方案來實現。多層SU-8技術被進一步用于組織工程的多孔支架，同時具有促進細胞系分化和增殖的表面。事實上，這種光致抗蝕劑的出現導致了完全由SU-8制造的微流控設備的制造。

4.5.4快速成型
盡管微電子技術和微流控技術依賴于光刻技術，但這一過程有一個主要的障礙：在石英掩模上使用鉻，將紫外光圖案化到抗蝕劑所需的區域。這些口罩不僅價格昂貴(每個口罩約400美元)，而且還很耗時，需要相當多的專業知識才能制造--這是生物和化學中采用這項技術的障礙。為了解決這一問題，秦等人提出了解決方案。印刷在醋酸酯薄膜上的圖案，可以用來代替石英掩膜。在這里，一個標準的激光成像系統被用來將黑色墨水圖案印在膠片上不能曝光的區域。這項技術使得快速生產光刻掩模的成本(約每平方英寸1美元)和時間(約2?h從設計到制造)是石英掩模的一小部分。此外，這些面具的機械靈活性意味著可以制造非平面表面。雖然這些口罩不像鉻口罩那樣耐用和穩定，但事實證明，它們足以用于微流控設備的快速成型，在那里納米級分辨率不是問題。如果使用高分辨率、2400dpi的打印機打印掩膜，則可以實現10?μm的網點大小，這突出了它們對大多數微流體應用的適用性。

4.5.5。微注射成型
雖然上述可復制的制造技術可用于提供高生產能力的制造手段，但在自動化和生產能力方面，沒有哪種技術能與注塑相比。1872年首次被描述，注塑是一種將熔融的塑料注射到型腔中的過程，允許制造許多相同的部件。這項技術隨后在第二次世界大戰期間迅速擴大，當時對大規模生產的負擔得起的部件的需求增加了。這最終導致了第一臺螺桿驅動注塑機的開發，它可以更好地控制塑料的注射，從而提高零件的精度和重復性。到了20世紀下半葉，注塑已經成為一種非常有效的工業規模制造零件的方法，注塑塑料的市場預計到2020年將達到1621億美元。目前，注塑成型最常與CD和藍光光盤的制造聯系在一起，在這些光盤中，特征尺寸可以達到140?nm，盡管在研究環境中已經實現了較小的特征。注塑作為一種復制方法，與壓花相比有一個主要的優點：聚合物熔體的加熱和零件的冷卻是分開的。這意味著每次復制都不需要熔化塑料的時間，因此大大縮短了周期時間。

在商業注塑機中，整個過程是相同的--將熔融的塑料注入模具，在那里它被固化，零件可以被釋放。簡而言之，塑料被加熱到其熔體溫度以上，此時螺桿不僅將熔融材料移動到模具型腔，而且還混合和均化塑料熔體。注射到模具中的材料被稱為“射料”，通常由足夠的材料組成，一旦考慮到冷卻過程中的收縮，就可以填充模具，另外還有少量材料，以允許壓力從驅動螺桿傳遞到模具中，并防止螺桿觸底。然后塑料在模具中冷卻，澆口中的材料首先凝固。這意味著沒有更多的材料可以進入型腔，因此螺絲將收縮并為下一個零件準備噴丸。一旦模具中的塑料冷卻到尺寸穩定的程度，零件就會被頂出，工藝可以重新開始。整個過程可以在沒有監督的情況下運行，因為它是完全自動化的，因此對于從前面提到的CD和藍光光盤到更大的零件(如汽車車身)的高產量生產來說，這是一項如此有吸引力的技術。

關于微結構的成型，注塑成型最重要的考慮因素可能是模具。對于平面器件和圖案的制造，零件通常是靠在工具內固定到位的嵌體(有時稱為“墊片”)模制而成的。這些鑲嵌是平面結構，其包含零件上所需的最終配置的浮雕圖案。工具必須設計成適合這些嵌體，并在整個成型過程中將它們固定在適當的位置。傳統上，這些刀片是通過數控銑削金屬制造的，這可以適應于制造微米級的特征。然而，由于數控銑削存在表面粗糙度高和特征尺寸限制大等缺點，研究人員也展示了各種制造這些墊片的方法，這些方法可以作為高分辨率照片和X射線光刻制造與高通量注塑技術之間的橋梁。已使用的材料和方法的例子有LIGA、蝕刻石英、蝕刻硅、聚四氟乙烯(PTFE)支持的鎳、鎳上的SU-8、紫外光固化的聚氨酯樹脂、大塊金屬玻璃以及聚酰胺片上的SU-8。

雖然目前的大多數研究都是用注射成型來制造納米級的特征，但也有一些已經創造出來的微流控裝置的例子。Hansen et al.。創建了注射成型微流控芯片，而Kim等人。描述了一種能夠確定血型的注射成型芯片。

如前所述，通常通過注射成型來制造CD，該技術也已被用于制造微流控器件。在CD格式中，流體可以通過離心力在設備內進行操作，離心力可以通過改變芯片的自轉速度來控制。這種離心力的存在因此消除了對泵、混合器和復合閥的需要，也降低了通道被氣泡或分子堵塞的風險。除了這些功能，Marc Madou和他的團隊進行的工作表明，諸如聚合酶鏈式反應和細胞裂解等功能也可以被整合到這些微流控設備中，突顯了這項技術的靈活性。此外，正如Morelli等人所展示的那樣，這些設備有助于實現高產量的制造技術。世衛組織描述了一種基于CD的注射成型設備來篩選細菌。

4.5.6 熱塑性粘接
由于復制成型、壓花成型和注射成型制作的器件是平面結構，通道仍需密封才能用作微流控器件。一種這樣的密封方法是將蓋子粘在設備上。雖然相對簡單，但這種方法并未被廣泛采用，因為通道容易堵塞。一種更常見的技術是熱熔接。熱熔接是指在零件和蓋子接觸時將它們加熱到Tg以上，并可應用于各種聚合物。然而，由于裝置和蓋子的大面積必須被加熱，該技術受到通道結構的變形的影響。超聲波焊接是另一種可以將熱塑性部件粘合在一起的技術。在這里，能量導向器(或焊接縫)被制造到設備或蓋子中。然后，在焊接喇叭將壓力和超聲波振動傳遞給裝配之前，零件被對準并接觸。它通過摩擦加熱焊縫，然后熔化形成與蓋子的粘結。由于能量集中在焊縫上，與熱熔接相比，通道的變形要小得多，同時仍能提供部件的強熔合。