微流控芯片设计加工能力简介
目录：
1、简介
2、微流控芯片设计能力介绍
3、可供选择的各种微流控芯片加工方法介绍
4、现有微流控芯片测试和加工设备介绍
5、现有微流控芯片基材、耗材工具
6、已编制完成的微流控芯片实验操作标准
联系人：范一强电话：185******** 电子邮件：fanyq@https://www.doczj.com/doc/661432159.html,
1、简介
课题组的研究方向为各类微流控芯片的加工技术，到目前为止，拥有了较为完善的基于玻璃、PDMS、PMMA、COC、纸等材质的微流控芯片的设计、数值仿真与微加工能力。拥有较为完整的微流控芯片配套加工和测试设备，可以采用二氧化碳激光、紫外光刻、机械加工、3D打印、喷蜡打印等多种方法加工各种材质、精度和成本要求的微流控芯片并进行相应的测试。部分成熟的微流控芯片加工技术已经制定了标准化操作流程，重复性良好，有规模化生产潜力并申请专利多项。
2、微流控芯片设计能力介绍
根据生命科学和分析化学等领域的需要，可以完成各类基于聚合物、纸、玻璃、硅等材料的单/多层微流控芯片设计。课题组可完成的微流控芯片设计不仅限于传统的只具有单一混合、液体输运、反应等功能的微流控芯
片，还可根据要求进行多功能集成或带有金属电极的复杂微流控芯片的设计和多物理场环境下的数值仿真。前期已经有过设计经验的微流控芯片有：1.液体混合芯片（各种流道布置）：两种或多种液体在微流控芯片中通过
主动或者被动的混合方式在特定的时间或流道长度内完成混合。
2.高通量液滴产生芯片：通过单一或者多液滴产生器并行工作的方式在微
流控芯片中短时间内产生大量（百万数量级）的单/双包裹液滴。液滴可应用于单细胞检测、DNA等生物大分子的包裹、数字PCR等应用。
3.微流体聚焦以及细胞计数/分选芯片：通过流体聚焦的方式实现细胞的筛
选，并使用预埋的金属电极进行流道中细胞的融合、计数等操作。
4.模块化微流芯片套件（使用者可自行组装）：将传统微流控芯片拆分为
具有各种具有单一功能（阀、混合器、反应器、液滴产生器等）模块，使用者可以根据实验要求自行组装。
5.需要布置金属电极的微流控芯片：基于PDMS以及各类热塑性聚合物材
料，可供选择的电极布置方法包括金属溅射（Sputtering）、喷涂导电金属银胶、预埋金属薄片等方法。
6.基于蜡打印的纸基微流控芯片：通过喷蜡打印机在纸质基底上打印出图
案，从而在亲水的纸质材料上通过疏水的蜡制成亲疏水壁垒，可用于制作各类一次性检测用途纸基微流控芯片。
3、可供选择的各种微流控芯片加工方法介绍
1.二氧化碳激光烧蚀技术。通过二氧化碳激光烧蚀技术加工基于PMMA、
PS、PC、COC、COP等材料的微流控芯片。其特点是材料适应性广，绝大部分热塑性塑料都可使用(玻璃和金属不适用)，加工速度快且成本非常低廉，通道的最小尺寸为40-80μm。单块微流控芯片的典型加工时间在5分钟内。
二氧化碳激光器加工微流控芯片工作原理
二氧化碳激光器加工完成的微流控芯片（PMMA材质，液滴产生器）
2.基于SU-8光刻胶的PDMS倒模加工技术。通过使用传统的光刻方法，以
SU-8光刻胶作为模具，可以制作基于PDMS材质的微流控芯片。特点是加工精度高，通道深宽比大，采用实验室现有设备，最小通道尺寸可以达到10μm。典型加工时间3小时左右（SU-8胶光刻、冲洗，PDMS倒
模、等离子表面处理、键合）。
基于SU-8光刻胶的PDMS倒模加工技术(PDMS-玻璃)
加工在4寸硅片上的SU-8模具（用于生物检测的单向阀系统）
3.干膜-PDMS转印微流控芯片加工技术。将传统的PCB电路板加工技术移
植到微流控芯片的加工中，加工基于PDMS材质的微流控芯片。包括贴光敏膜、曝光、显影、PDMS倒模等工艺过程。其特点是加工成本低廉（干膜成本接近于0）且精度较高，最小尺寸为10-20μm。典型加工时间3小时左右。
干膜-PDMS转印技术加工的微流控芯片（电渗流驱动微流控芯片，通道间距10μm）
4.基于蜡打印技术的纸基微流控芯片加工技术。采用纸作为微流控芯片的
基底材料，采用物理和化学的方法，在纸表面上形成需要的亲/疏水壁垒，壁垒的外形围成了简易的微流道。在实验中，溶液通过毛细现象在纸基微流控芯片中行进和发生反应。其特点是原料和加工成本低廉、适合于一次性生物/化学检测使用。最小尺寸为50-100μm。典型加工时间5分钟。
喷蜡技术制成的纸基微流控芯片
喷涂在透明聚合物材料上的蜡层（充当紫外曝光制作微流控芯片的掩膜板）
5.微纳热压印技术。通过在硅片表面用离子刻蚀的方法加工出流道图案，
再将图案使用热压印技术转印在聚合物材料表面完成微流控芯片加工。
其特点是加工速度较快，精度高，材料适应性广，但加工成本较为高昂。一次热压印的典型加工时间为1分钟内。
6. 微流控芯片封装技术：对加工完成的微流控芯片为了封闭流道需要和另外
一层盖板进行封装，根据需要，可以选择的主要的封装方式有：热压键合封装（适用于各类聚合物材料，典型用时40分钟）、表面改性封装（适用于PDMS-玻璃等，典型用时20分钟）、阳极键合（适用于玻璃材质，典型用时30分钟）。
自制热压键合设备工作原理
热压键合后的热塑性材质微流控芯片横截面（PMMA-PS材质）
7. 微流控芯片/芯片基板注塑成型技术：通过注塑机，将特定聚合物原料颗粒/粉末注塑加工制成微流控芯片基板，通过更换模具，也可用于微流控芯片的直接注塑加工。
注塑加工制成的微流控芯片基板（COC材质）
4、现有微流控芯片测试和加工设备简介
4.1、微流控芯片加工设备：
1.二氧化碳激光器:最大功率80W，XY轴最大切割速度500mm/s，适用于
基于热塑性聚合物材料（PMMA、PS、PC等）基底微流控芯片的加工。
最小可加工微流道宽度为50-100μm。
二氧化碳激光器 加工在COC 材料表面微流道的电子显微镜照片
2. 紫外曝光机（双波长）：简易紫外曝光机两台，紫外曝光中心波长分别
为：350-460nm （辐射能1800μm/cm 2）以及254nm （深紫外）。可以满足厚度500μm 以下，最小结构8μm 以上的SU-8系列光刻胶曝光以及AZ 全系列光刻胶的曝光要求。
紫外曝光机（不同波长）
3.光固化3D打印机：紫外光固化3D打印机（基于DLP技术），打印精度
47μm，层厚精度35μm，可直接打印树脂材料的微流控芯片或打印树脂模具后使用PDMS倒模完成基于PDMS材质的微流控芯片。
光固化3D打印机
4.喷蜡打印机：富士Xerox ColorQube 8580喷蜡打印机，适用于各类纸基微
流控芯片加工，通过约50μm厚的蜡涂层，在亲水的纸质材料上制造亲水与疏水壁垒从而形成微流道。同时，蜡涂层也可作为紫外曝光的掩膜使用，可部分替代玻璃掩膜板。
富士Xerox ColorQube 8580喷蜡打印机
5.高精度菲林片打印机：经过改造的爱普生R230喷墨打印机，可取代激光
照排系统，使用水性墨水配合特制菲林片基片，可制作应用于紫外光刻过程的菲林片（Film）。菲林片加工精度5760x1440dpi。
高精度菲林片打印机与用于制作单向阀的菲林片示例
6.数控雕刻机：通过机械方法（数控铣）加工微流道，最小流道宽度80-
100μm，加工速度快且材料适应性广。可应用于各类聚合物和玻璃基底微流控芯片的加工。
数控雕刻机
7.芯片热压键合机：用于热塑性塑料基片与盖片的热压键合，PMMA、
PS、COC、PC等材料均可，适用性广泛。上下压板通过压缩空气驱动，压力0.3-1MPa间可调，上下板温度可调，最大可实现温度不低于
250℃。
芯片热压键合机
8.高速匀胶机：转速500-800转/秒，适用于SU-8系列和AZ系列正负光刻
胶的甩胶。可方便的根据所需光刻胶厚度调节转速。
高速匀胶机
9.高精度加热台（两台）：最高加热温度540℃，可用于光刻过程中的前
烘、后烘、溶液加热等应用。
高精度加热台
10.净化实验台：通过空气过滤系统，在实验台内部环境中可以达到万级超
净间的环境标准，经过改造配备防紫外线黄光灯。可在净化实验台中进
行甩胶、前后烘、清洗、芯片测试等操作。
净化实验台
11.真空干燥箱：用于各类实验材料的加热和烘干，也可应用于PDMS预混
物除气泡等应用。
真空干燥箱
12.超声波清洗机：用于微流控芯片和实验器皿的清洗。
13.高精度铣床、钻床：德国Proxxon高精度铣床和钻床，用于简单微流道手
动加工、微流控芯片打孔、芯片托架制作等应用。
高精度铣床、钻床
14.防紫外线黄光灯：全实验室配备防紫外黄光灯，避免光刻胶的使用过程
中意外被曝光。
4.2、微流控芯片测试设备：
1.光学显微镜（配备摄像头）：放大倍数50-1000X，配备摄像头，用于微
流控芯片加工后流道的质量检测和微流控芯片测试过程中的观察记录。
光学显微镜
2.注射器泵（四台）：用于微流控实验中液体的进样，具有灌注和抽取两
种功能。进样精度0.83nL/分-152.9mL/分。
注射器泵
3.超纯水机：用于制备微流控芯片加工和测试使用的去离子水，电阻率低
于18.2MΩ·cm。
超纯水机
4.直流高压电源：直流电源，为电渗流驱动、微流控芯片测试等应用提供
高压直流电源，最高电压600V，1A。
直流高压电源
5.16通道数据采集卡：16通道，采样频率100kSa/s,具有模拟和数字输入输
出功能，用于微流控芯片测试中的监测和采样。
数据采集卡
6.函数信号发生器：用于产生芯片测试用特定波形信号。
函数信号发生器
7.电泳仪：微流控芯片电泳实验用高压电源。
电泳仪
8.紫外辐照计：用于测定和调整光刻胶紫外曝光过程中的参数。
紫外辐照计
9.数据采集处理工作站：配备英特尔至强/i7处理器，用于微流控实验中的
高速数据采集和处理，以及微流控芯片中流体流动的数值模拟仿真。
数据采集处理工作站
5、现有微流控芯片基材、耗材工具
微流控芯片基材：
1.玻璃片（不同厚度）
2.4寸单面抛光硅片
3.PMMA、PC、COC等材质不同厚度的基板（厚度0.5-5mm）
4.PC、PS、HDPE等材质的薄膜材料(20-500μm)
微流控芯片加工用耗材：
1.SU-8系列光刻胶以及配套显影液
2.AZ系列光刻胶及配套显影液
3.道康宁DC184 PDMS
4.喷墨打印用菲林片
5.光刻用光敏薄膜（干膜）
6.其他各类微加工用工具、量具、化学试剂、气体等
6、实验室已经编制完成的微流控芯片实验操作标准（SOP）
1.SU-8转印PDMS标准操作流程
2.干膜-PDMS转印标准操作流程
3.二氧化碳激光烧蚀微流控芯片标准操作流程和安全规范
4.热塑性聚合物材料微流控芯片热压键合标准操作流程
5.菲林片/石英玻璃掩膜板设计规范与制作流程
6.PDMS-玻璃氧等离子键合标准操作流程
7.深紫外曝光机标准操作流程与安全规范
8.数控雕刻机制作微流控芯片操作流程与安全规范
9.微流控芯片加工及测试常用化学品物性与安全使用规范