聚合物微流控芯片微通道模压成型分析

　　微流控芯片是当前微全分析系统(μ2TAS)和芯片实验室(Lab on a Chip)的发展重点和前沿技术^[1-4] 。相对于早期的硅或玻璃材料制作的微流控芯片,基于聚合物材料的微流控芯片技术由于材料价格便宜、绝缘性好、成形容易、批量生产成本低,表面化学和物理属性多样化,且大部分聚合物材料对生化样品具有相容性[5-7]而得到飞速发展。然而,对于聚合物微流控芯片微通道的成型机理和成型规律的研究还处在起步阶段。为此,本文在文献^[8]的基础上,以2种典型的聚合物材料(有机玻璃(PMMA)和聚碳酸脂(PC))为研究对象,通过试验建立了这2种材料的微流控芯片微通道尺寸参数与硅模板微凸起尺寸参数、模压工艺参数(温度、压力、时间、卸载温度等)的关系,并通过有限元方法初步分析了成型过程。对于完善聚合物微流控芯片结构设计和制作的基本理论和基本技术、优化制作工艺参数及探讨微尺度条件下聚合物材料的成型规律等均有积极意义。

　　1　试验分析

　　1.1　材料、设备和模压过程

　　模板采用化学腐蚀方法制作^[8] ,材料为双面抛光的<100>型单晶硅片。芯片材料选用商品有机玻璃片(PMMA)和聚碳酸脂片(PC),厚度为2 mm,要求质地均匀、表面光滑平整、透光好。模压用设备为温压可控压片机,其结构见图1。温度控制采用WY299型双通道温度控制仪,压力由压力表指示。采用轮廓仪(TAYLOR2HOBSON TALYSURF4,测头半径为2μm)测量硅模板微凸起和聚合物微流控芯片微通道的截面形状和尺寸,如图2所示。模压工艺参数为:模压压力为1MPa,模压时间为3 min,卸载温度为120℃。

　　模压工艺过程为:首先对PMMA片和PC片进行前处理,包括选材、切片、超声清洗、真空烘干等。然后把处理好的塑料片和模板放到压片机的工作台上进行模压,施加的温度和压力可由指示表直接读出。模压分为等温模压(模板与塑料片温度相同)和非等温模压(模板与塑料片温度不同)两种,模压时温度和压力的变化规律如图3所示。

　　1.2　模压温度对微通道尺寸的影响

　　采用如图2所示的硅模板和2 mm厚的PMMA芯片,在模压压力1 MPa、模压时间3 min和卸载温度80℃的情况下,等温模压及非等温模压微通道宽度和深度尺寸随温度变化的关系如图4和图5所示。图中数据为3次试验结果的平均值;非等温模压条件:芯片为室温,模压温度为模板温度。由图4可知,微通道宽度(半深宽度对应模板的半高宽度,见图2)尺寸与模压温度的关系可分为4个阶段:低温段(80—100℃)时微通道宽度尺寸基本不变,但其数值比模板微凸起对应的宽度小Δ₁ ;过渡段(100—120℃)时宽度尺寸随温度的升高而逐渐增大,即Δ₁值逐渐减小,温度越高,宽度尺寸增大越快;高温段(120—135℃)时宽度尺寸变化又趋平缓,其数值比模板宽度尺寸小Δ₂ ,且Δ₂<Δ₁ ,这种情况一直持续到超高温段;超高温段(>135℃)时随着温度的升高,宽度尺寸的变化不稳定,往往产生严重的变形和气泡,模压工艺要求不易控制。