用于微流控芯片的PDMS微混合器工艺和数值分析

。本 文提出的微混 合器是
依靠改变微通道的外形来增大流体间微接触面积， 以达到提高混合效率的目的， 是一种被动式微混合 器。
# " 微混合器的加工工艺研究
到目前为止， 微混合器的加工材料选择经历了 若干个发展阶段， 从最初的硅材 料发展到玻璃、 石
9 9 收稿日期： "##!:#;:"<； 修订日期： "##!:#!:"= 9 9 作者简介： 陈实 （$<=$ > ） ， 男， 湖南人， 硕士， 主要研究
向为 %/%? 微流体。
第 ! 期"
陈实等： 用于微 流控芯片的 #$%& 微混合器工艺和数值分析
8:
一层厚度为 ’(( !) 的 &*+, -(( 型负胶， 甩胶在德 国 ./01 &233 公司生产的自动甩胶机上进行， 然后前 烘以使光刻胶固化。研究发现， ’(( !) &*+, 胶前 烘条件为： !’ 4 烘 5( )67， 升温 8( )67 到 ,’ 4 烘 5 9， 升温到 :’ 4 烘 -’( )67。前烘后进行切胶， 以 使胶表面平整， 同时达到所需厚度。曝光是在德国 ./01 &233 公司 %;! 光刻机上进行， 紫外曝光波长为 5!’ 7) ， 曝 光 功 率密 度 为 -< )= > ?) < ， 本文得出 ’(( !)厚的胶的最佳曝光时间为 5’( 3 。显影是在 &*+, 胶专用的粗细两种显影液中进行， 之后用异丙 醇溶液融掉硅片表面残留的显影液。 !" !# 复制压模制作 #$%& 微通道 把 #$%& 树脂和凝固剂 （ 罗迪亚公司， @+5(8(; 和 @+5(8(A ） 按照体积比 -(B - 的比例均匀混合， 然 后置于真空箱内脱气泡 5( )67 C ’( )67， 将胶体浇 铸到含模具的硅片表面， 接着固化， 烘箱内 !’ 4 烘 约 8 9， 完成后， 将其从模具上揭下， 得到含有与模具 相同图形的 #$%& 基底 （ 如图 - 所示） 。
［ <］ 的改善 。模具采用 ?D:= $## 型 负胶 （ 美国 %J8MN
’S7L 公司） ， ?D:= 胶是一种负性、 环氧树脂型、 近紫 外线光刻胶， 曝光后能得到侧壁陡直、 高深宽比的图 形， 而且具有良好的力学性能、 抗化学腐蚀性和热稳 定性。 #$ !" ?D:% 微模具的制作 掩模版由 &PPTROMFONM 软件绘制， 最小线宽和间距 不少于 "# !L ， 精度要求不是很高， 因此可用微机控 制打印机 （ ’6:$#":A:8U"### ，07JK7PV7MW ） 在胶片上 直接输出图形， 就可得到光刻用掩模版。 模具的制作采用软光刻工艺。首先在硅片上甩
" 图 <" #$%& 微混合器 工艺流程图
据这一理论可知， 产生微混合的主要方式有两种： 对 流和分子扩散。对流是指不同流体相对位置的重新 分布， 从而使得流体之间达到混杂的状态， 是一个机 械过程， 由流体的运动特性决定； 分子扩散是由于分 子的热运动使流体从浓度高的区域向浓度低的区域 扩散， 是一个热力学过程， 由液体的热学特性决定。 被动式混合器通过设置特殊的几何形状来改变混合 腔中流场的分布， 使不同流体之间的接触面发生扭 曲变形， 在减小微扩散距离的同时增大了微扩散的 接触面积， 从而有效地提高了微尺度流动混合的效 ［-<］ 率 。 为了分析微混合 器形状对液体 混合效果的影 响， 利用 E12G7H 软件对如下三种形状的微混合器进 行了流场计算和混合效率分析： I 形管、 半圆形管和 D 字形管 （ 图 5） 。首先用 J/)K6H 软件生成几何体并 划分网格、 设置边界条件， 然后导入到 E12G7H 中完成 计算。本文考察两种液体 / 和 K 的混合程度， 用混 合系数 ! 表示： （ ! ） L " > " ， " 和 " 分别是 ! )6 7 )/ M )6 7 )/ M 液体 K 在通道某个横截面内最小和 最大的质量分 数， ! 是流程， 采用自然 坐标系。考虑对 称性， 假设 两种液体均具有同样的物理性质 （ 和纯水相同） ， 只 是使用 / 和 K 加以区别。模拟条件： 入口管道截面 尺寸为 <(( !) N <(( !) ， 混 合 管 道截 面 尺 寸为 8(( !) N <(( !) ， 线性长度为 8 <(( !) ， 入口平均 速度 # L (O (F ) > 3， 分子扩散系 " L -( P -( ) < > 3。 对于 I 形管道中液体的混合而言， 影响混合效 率的最大因素是液体分子的热扩散， 液体分子来不
!" 引言
自从 <# 年 代初 瑞 士的 %FGH 和 IJKL7M 提 出 “微 型全 分 析 系统 ” （ !:-+? ，%J8MN -NOFP +GFPQRJR ［ $ > "］ ?QRO7L ） 以来 ， 微流控芯片已经成为了人们的研 究热点。微流控芯片以 %/%? 技术为基础， 将样本 驱动控制单元、 处理单元、 生化反应单元、 检测单元 等集成在一块芯片上， 从而达到快速、 准确、 小剂量 反应与检测的目的。微混合器是微流控芯片的重要 组成部分之一， 流体混合速度的快慢和混合效率的 高低直接影响着生化反应结果的好坏。国内外已有 不少关于微混合器研究进展的报导， 叙述了不同形 状微混合 器 加工 工 艺和 混合 效 果 的数 值 模拟 方 ［ @ > A］ 法 ， 大体来说， 微混合器按混合方式可以分为主 动式和被动式两大类
［ ;］
英、 金属和有机高分子聚合物。早期硅和玻璃使用
［ ! > =］ 较多， 如用于 B’( 扩增的腔体和毛细管电泳 。
硅材料由于工艺成熟、 化学惰性和热稳定性良好， 首 先被用于微流 体管道的加工， 但存在脆性 大、 成本 高、 透光性差、 表面化学行为复杂等缺陷； 玻璃虽然 透明， 但是其不定形性使得垂直方向上刻蚀难度较 大， 且封装工艺中要求高温或高电压， 不适合快速、 大批量的生产。 本研究采用高分子聚合物 B6%? 来制作微流体 管道。 B6%? 中文名为聚二甲基 硅氧烷， 具有价格 便宜、 透光性好、 生物兼容性好、 易于封装等特性， 通 过紫外光照射改性， 可以使材料的憎水性得到较好
键合。阐述了微混合的机理， 用数值分析方法对三种形状微混合器进行了液体混合效率的分析， 结果表明， 弯形管道特别是 E 形管道， 由于惯性力在横截面上产生的二次流动能有效增大液体间 的微混合面积， 因而大大提高了液体混合的效率。
关9 键9 词： 软光刻； 聚二甲基硅氧烷； 复制:压模法； 混合效率 中图分类号： -.@#;9 9 9 #! 年 $" 月 文章编号： $##@:="$@ （"##! ） #!:##A=:#A
微细加工技术 %&’()*+,(&’+-&). -/’0.)1)23
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用 于 微 流 控 芯 片 的
B6%?
微 混 合 器 工 艺 和 数 值 分 析
陈9 实， 张卫平， 陈文元， 牛志强
（ 上海交通大学 微纳科学技术研究院 微米 C 纳米加工技术国家级重点实验室， 上海 "###@# ）
B6%? 微混合器的工艺。首先用 ?D:= 胶制作微模 具， 然后用复制压模法制作出 B6%? 微通道， 最后用紫外光表面改性实现 B6%? 材料和玻璃基片的
摘要： 介绍了一种用软光刻技术制作微流芯片上