[发明专利]基于微纳集成加工技术的可植入三维减阻微流道及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及微加工技术领域，特别涉及一种基于微纳集成加工技术的可植入三维减阻微流道及制备方法。

背景技术

微机电系统(Microelectro mechanical system，MEMS)自上世纪八十年代出现以来，作为一门新兴的、高新技术的多领域交叉学科，被誉为新世纪引领微电子产业发展的新技术革命，受到国内外广泛关注。其中，生物医学微机电系统(Bio-medical MEMS)作为微机电系统最重要的分支之一，受到科研机构和产业界的密切关注，其中最引人瞩目的是微全分析系统(micro total analysi ssystems，即μTAS)也称芯片实验室(Lab-on-a-chip)。它是将样品制备、生化反应和结果检测三个步骤集成在单一器件上，且能执行特定分析功能的完整微系统，可分为芯片式与非芯片式两大类。目前其发展重点实芯片式微全分析系统，包括微阵列芯片(Microarray Chip)和微流控芯片(Microfluidic chip)两类，具有样品检测阈值低，灵敏度高，分析速度快，成本低廉的优点，在国外已实现产业化，生产生物芯片的企业数以千计。

上述芯片式微全分析系统的核心是在基片上使用微加工技术制备沟槽结构，以分析化学和分析生物化学为基础，实现生物样品的实时检测、分析和处理。其沟槽结构特征尺寸通常在几十到几百微米，与宏观尺度的沟槽不同，由于尺寸效应的影响，流体在微纳米量级的沟槽结构中流动时，其粘滞阻力变得非常巨大，使得液体流动异常困难，根据泊肃叶定律，通道所需压差与尺寸的四次方成反比，这意味着微流体的驱动需要很大的外部驱动力和相应的驱动装置(通常需要借助外部驱动力的作用才能顺畅流动)，譬如微泵、微阀和微能源等，这带来一系列缺点，如结构复杂、系统稳定性低、功耗高、难以实现微小型化。因此，实现具有减阻效果的微流道是微全分析系统研究领域亟待解决的关键科学问题之一。

而由于生物医学领域需求的特殊性，可植入式减阻微流道更成为微全分析系统研究的重中之重，其中最常见的材料为聚二甲基硅氧烷(即Polydimethylsiloxane，简写为PDMS)。它是一种高分子有机硅化合物，又被称为有机硅，具有成本低，无毒，不易燃，生物兼容性好，且透光性优异等特点，因此在微纳加工技术领域，特别是微流控、生物医学微系统等方向应用广泛。虽然PDMS材料本身即具有疏水性(接触角约为105°-120°)，但在微观尺度下，由于层流效应、表面力和毛细效应等的显著增强，其粘滞阻力非常大。

过去十年间，很多技术被开发出来用以实现具有减阻效果的结构表面，包括高分子减阻剂、减阻涂层、仿生结构复制、微纳双尺度颗粒修饰等技术。高分子减阻剂和减阻涂层[例：Choi K S，Appl Sci Res，1989，46：209-216]是应用最为广泛的一类，其工艺方法简单，但这种注入高分子减阻剂或涂覆减阻涂层形成减阻界面的方法，减阻剂浪费严重，使用寿命严重不足。

仿生结构复制[例：Bechert D W，AIAA Shear Flow Control Conference，1985]是通过微加工技术将天然的具有减阻效果的表面结构重复出来，但其减阻效率较低。近年来研究人员提出了一种基于微纳双尺度颗粒表面修饰的减阻流道设计[例：卢思，中国科学：G辑，2010，40：916-924]，可实现高效减阻效果，但实现上述微纳双尺度颗粒结构通常需要多步复杂工艺，成本高，更为重要的是很难在沟槽的侧壁和顶面上实现减阻结构，即无法实现真正的三维减阻微流道。

发明内容

为了克服现有技术结构的不足，本发明提供基于微纳集成加工技术的可植入三维减阻微流道及制备方法。

本发明的目的在于提出一种基于微纳集成加工技术的可植入三维减阻微流道及制备方法，利用无掩膜优化深反应离子刻蚀(DRIE)工艺，直接在微米尺度沟槽各表面制备实现高密度高深宽比纳米森林结构，然后利用铸模方法将微米尺度沟槽及其表面的纳米森林结构转移到PDMS上，再利用DRIE后处理工艺对PDMS进行表面物理化学处理，降低表面能，从而实现具有超疏水特性的PDMS三维减阻微流道，该制备方法工艺简单、成本低、减阻效率高，更为重要的是具有可植入性。

为达到上述目的，本发明提供了一种基于微纳集成加工技术的可植入三维减阻微流道结构，该结构包括：PDMS衬底，PDMS盖板，微米沟槽，纳米筛孔阵列。

PDMS衬底和PDMS盖板的厚度为50μm-1000μm；

PDMS盖板键合于PDMS衬底上；