[发明专利]一种聚二甲基硅氧烷微纳流控芯片的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及微纳流控芯片制造技术，特别是通过微加工技术获得亚微米精度的结构并用以倒模制备力学稳定的柔性材料微纳流控芯片的技术。

背景技术

纳流控的研究兴起于本世纪初，由于纳米管道中流体的输运特性取决于纳米结构及其表面性质，纳流控在新型非半导体微电子，生物传感，分子操控，浓缩分离，淡水处理等方面都有巨大的潜在价值。而微流控的研究起源于上世纪九十年代，至今已飞速发展二十余年，吸引了生物、化学、物理、机械等多方面的研究力量，已经发展成为一个集成高效的技术体系。将微纳结构结合起来各取所长所能衍生出的功能芯片因此具有更加广阔的应用前景。

但是实现他们的前提是获得微纳结构芯片的制备技术。在以往所有的纳米结构制备技术中通常采用纳米光刻技术，这种技术成本昂贵，对环境和操作都有苛刻的要求，而且制备芯片周期长，制备材料局限在硅片和石英玻璃上。因此很多研究者试图绕开这个技术而获得纳米结构的加工能力。一些基于纳米线模板或者表面裂纹的技术相继被开发出来，但是这些技术基本上都难以具备光刻技术所具有的在图案设计上的灵活性，只能满足较为单一的纳米结构的制备。而即使是纳米光刻技术本身，在同时加工跨尺度的微、纳两种结构时也出现了一些局限性。 而且相对于具有经济价值并可以产业化的技术，很多微纳加工替代技术缺乏步骤的简洁性、可重复性和可批量生产的性质，因此不能满足微纳流控技术发展的要求。在微芯片加工中占据主导地位的PDMS倒模技术较难运用到微纳复合芯片的制备中，主要是受限于PDMS本身是弹性体，力学性质在纳米尺度不够稳定的缺点，要么需要运用额外的纳米加工技术来制备模具，要么在制作过程中要采用额外的硬质塑料支撑体。

因此如果想获得如加工微流控芯片一样的简洁性和可靠性，采用倒模的PDMS是一个好选择，这就需要一种新型快速制备模具的方法，并且模具上的纳米结构转换成PDMS芯片后能够提供足够的机械稳定性。

发明内容

本发明的目的是提出一种适用于工业化的廉价、易行的微纳芯片制备方法，特别适用于制备力学稳定的弹性体微纳芯片。

本发明的技术方案如下：

一种聚二甲基硅氧烷微纳流控芯片的制备方法，它包括下列步骤：

步骤1. 将设计的芯片结构图案通过电脑输出打印复制到PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）塑料片上即得到掩膜，并将掩膜和依次涂有铬层和光刻胶的玻璃紧密贴合；

步骤2. 用紫外光照射掩膜曝光一定时间（0.5~5分钟），取出，用定影水定影，并用去铬液去除多余的铬，，完成从设计图案到铬层图案的转移；

步骤3. 把处理好的玻璃放入恒温水浴中（温度0~40℃），用刻蚀液刻蚀一定时间（1小时~10小时），这一时间必须长于传统的玻璃刻蚀时间，以达到过度刻蚀的目的；

步骤4. 将刻蚀好的玻璃取出烘干；

步骤5. 将PDMS前聚体和固化剂按照一定的质量比例（3:1 ~20:1）混合均匀，并均匀分布在步骤4中获得的玻璃模具中，在40℃~120℃ 固化一定时间（10分钟~1小时），从模具上剥离；

步骤6. 用氧等离子体处理有图案的PDMS片和PDMS基片，并迅速将两者贴合，形成不可逆贴合。

本发明的结果和意义

本发明利用玻璃过度刻蚀的过程，实现了将玻璃表面微米的设计图案转化成纳米的结构（制备流程见图1）。通过这种方法我们获得的一系列至少一维尺度亚微米的纳米结构（图2），其长度可以达到数十厘米，结构间最小间距可以达到数十微米（理想状态下大于30um）。调谐实验初始设计图案的形状我们可以在玻璃表面刻蚀获得纳米线或者纳米锥（图2）。在同样的实验条件下，仅通过控制线条的粗细，我们获得的结构尺寸从数十微米到数百纳米连续可调控（图3），因此很容易实现了微纳结构在同一个玻璃基片上的制备，也使制备方法具有很好的灵活性。

用这种玻璃基片作为模板浇注的PDMS芯片具有良好的机械稳定性，克服了传统制约PDMS芯片制备的力学瓶颈。这得益于刻蚀过程中玻璃本身对刻蚀液显示各向同性，而顶部的铬层对刻蚀液刻蚀玻璃具有遮蔽效果，这就形成了刻蚀的选择性，导致了最后获得的结构具有三角形力学稳定的截面结构（图4）。这种结构被保留复制到PDMS中，成为稳定纳米结构的保证。进一步的重复性实验显示，这种技术获得的纳米结构具有良好的可重复性，误差可以控制在10%以内（图5）。