張雅雅，崔建國

（重慶理工大學(xué) 藥學(xué)與生物工程學(xué)院，重慶400054）

引言

隨著微流體芯片逐步成為當(dāng)前微全分析系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)，其在化學(xué)、醫(yī)學(xué)和生物分析等領(lǐng)域中的研究變得非?；钴S［1］。微流體芯片的快速加工成型技術(shù)也相應(yīng)地得到了大量關(guān)注與發(fā)展，例如軟光刻技術(shù)的出現(xiàn)［2］。近年來對(duì)于微流體芯片的加工，已經(jīng)形成用高精度的消費(fèi)電子產(chǎn)品來簡化精密加工的趨勢，例如：借助商用的打印機(jī)或投影儀，作為一種廉價(jià)的加工工具，用于快速復(fù)制精密微觀模型而得到廣泛研究［3－5］。激光打印機(jī)被用于制作透明掩膜（替代了傳統(tǒng)的硬鉻基掩膜），通過投影儀顯像微觀精密圖形可直接投射且曝光在光敏膜上［6－7］。雖然這種技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)100μm左右的精度，但它可以大大減少微觀結(jié)構(gòu)成型過程中的時(shí)間周期及成本。Chengliang Di等人設(shè)計(jì)了一種干涉聚焦方法，通過對(duì)光學(xué)路徑的改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)激光投影光刻中晶片上的理想定位，同時(shí)在涉及到目標(biāo)物畸變時(shí)，該方法可以具有納米級(jí)的敏感度；與傳統(tǒng)方法相比，這種方法具有明顯的準(zhǔn)確度和適應(yīng)性［8］。Waldbaur A.等人使用定制的DMD光刻系統(tǒng)作為蛋白質(zhì)圖譜發(fā)生器，消除了昂貴的、不靈活的、難以處理的靜態(tài)掩膜設(shè)計(jì)過程，且可以在5mm2的芯片上實(shí)現(xiàn)像素尺寸約為2.5μm，該系統(tǒng)可以加工出的基底尺寸范圍可從μm2級(jí)到mm2級(jí)［9］。Siwei Zhao等人提出一種投影儀直接投射于干膜光刻膠（DP2）上的方法，這種方法利用非接觸式直接掩膜設(shè)計(jì)，曝光于光敏聚合物上以形成結(jié)構(gòu)，在普通的實(shí)驗(yàn)室中，用這種方法可以在1h內(nèi)制 作 出 復(fù) 雜 的 三 維 微 流 體 結(jié) 構(gòu)［10－11］。Kejun Zhong等人通過使用數(shù)字無掩膜灰度級(jí)光刻技術(shù)，制作出凹和凸的光刻膠陣列，再利用復(fù)制模技術(shù)，制作出對(duì)應(yīng)的凸和凹的PDMS透鏡陣列［12］。

綜上所述，本文通過對(duì)一臺(tái)商用投影儀進(jìn)行光學(xué)投影改裝，利用縮小投影曝光技術(shù)的原理，可以在PDMS材料表面加工微流路結(jié)構(gòu)［13－14］。重要的是，本改裝技術(shù)不需要昂貴且復(fù)雜的精密鏡頭組，整個(gè)微流路加工過程也不需要超凈間、光刻機(jī)這樣昂貴的工作環(huán)境和專用設(shè)備，在普通實(shí)驗(yàn)室利用此數(shù)字光刻投影系統(tǒng)（DLPS）可以在3h內(nèi)完成全部微流體芯片的設(shè)計(jì)和制備，為微流體芯片的快速加工成型提供了有效的途徑。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

聚二甲基硅氧烷（PDMS，俗稱有機(jī)硅）作為一種常見的高分子聚合物材料，具有低成本、低表面能、良好的透光性、耐久性、絕緣性以及生物兼容性等特點(diǎn)，使之成為制備微流體芯片和應(yīng)用于軟光刻技術(shù)的主要材料之一［15］。PDMS預(yù)聚物的獲得：按質(zhì)量比為10∶1，將PDMS主劑（Sylgard 184，Dow Corning）與其固化劑混合，充分?jǐn)嚢?min，置于真空干燥皿中抽氣15min，去除氣泡，從而得到PDMS預(yù)聚物。隨后把PDMS預(yù)聚物灌注到預(yù)先得到的dry－film光刻膠母膜上，抽真空10min后在80℃溫度下加熱2h，冷卻后得到已固化的PDMS結(jié)構(gòu)［16］。若將PDMS預(yù)聚物澆注于聚酯薄片上，設(shè)置涂層機(jī)（TC－108）的轉(zhuǎn)速和時(shí)間，即可得到不同厚度的PDMS基片，最小可以得到約5μm厚度的薄膜。

本文 采 用 dry－film 光 刻 膠 （115T，Taiwan，40±2μm），替代了在超凈間內(nèi)加工微結(jié)構(gòu)時(shí)使用的傳統(tǒng)液體光刻膠。Dry－film最先用于印刷電路板的快速成型設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)光刻膠相比，其具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：低成本、與無機(jī)金屬或玻璃之間優(yōu)秀的粘和性能、在酸堿性溶液中優(yōu)秀的化學(xué)兼容性、短的加工時(shí)間和良好的生物相容性［10］。由于其以固體膜的形式存在，從而消除了對(duì)高精度旋涂過程的依賴，同時(shí)利用等離子輔助的熱層壓原理，可以構(gòu)建懸浮的簡單三維結(jié)構(gòu)。除此之外，與傳統(tǒng)的液體光刻膠相比，dry－film光刻膠提供了更有優(yōu)勢的光刻法性能［17］。

1.2 數(shù)字光刻投影系統(tǒng)（DLPS）

如圖1所示，數(shù)字光刻投影系統(tǒng)（DLPS）所包含的部件有：數(shù)字光處理（DLP）投影儀（Dell－1210S）一臺(tái)，可調(diào)焦光學(xué)鏡頭（40mm，F(xiàn)／2.41～2.55）一個(gè)，一臺(tái)數(shù)字顯微鏡（金相測量顯微鏡）和一臺(tái)計(jì)算機(jī)。DLPS投影儀的核心技術(shù)是反射式投影，透過顏色濾鏡的光被傳送至DLP反射鏡，這些反射鏡將RGB顏色排列成圖像投射到屏幕上，也稱為數(shù)字微鏡設(shè)備（DMD）［18］。每個(gè)DMD都由數(shù)千個(gè)安裝在隱藏式軛上的傾斜的微細(xì)鋁合金反射鏡組成，通過底層集成數(shù)字電路的電容放電來調(diào)整。DMD是目前唯一能用于快速且大批量光刻生產(chǎn)中的純數(shù)字化空間光調(diào)制器，作為數(shù)字光刻的動(dòng)態(tài)掩模，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高效和低成本的圖形轉(zhuǎn)移，能解決傳統(tǒng)的掩模光刻遇到的掩模板制作困難和成本高昂等問題［12，19］。任何使用方便的圖像處理軟件（如PowerPoint、CorelDraw）都可以用來設(shè)計(jì)圖案。因此，通過計(jì)算機(jī)直接控制，該DLP投影儀可作為直接掩膜發(fā)生器和圖形結(jié)構(gòu)曝光單元。

圖1 DLPS工作示意圖Fig.1 DLPS working schematic diagram

為了使投影儀能夠較好地顯示微觀圖形，本文對(duì)投影儀原有光學(xué)路徑上的透鏡進(jìn)行了改裝，加入可調(diào)焦透鏡組，將工作臺(tái)與聚光鏡頭所在平面的聚焦距離設(shè)置為3cm，并通過投影儀自帶的梯形失真修正功能進(jìn)行圖形矯正設(shè)置，即可得到一個(gè)清晰縮小的可曝光區(qū)域（長約2cm、寬約1.5cm）。具體數(shù)字光刻投影系統(tǒng)的成像原理如圖2所示，其中對(duì)光路的改進(jìn)主要是將投影儀原有的凹透鏡（起到光線發(fā)散作用）改為凸透鏡（起到匯聚光線獲得縮小圖像），其調(diào)焦范圍約為2.8cm～3.8cm。把貼有Dry－film光刻膠的載玻片放置在曝光區(qū)域內(nèi)，通過計(jì)算機(jī)圖像處理軟件的設(shè)計(jì)和控制，即可將任意結(jié)構(gòu)圖形曝光到光刻膠上。該曝光區(qū)域雖然會(huì)受DMD光柵效應(yīng)影響，但對(duì)于尺寸在100μm左右的微結(jié)構(gòu)來說，其影響完全可以忽略；若芯片含有多層結(jié)構(gòu)，則可選擇多次曝光的方法來得到該結(jié)構(gòu)。受限于DMD對(duì)曝光區(qū)域的影響，本系統(tǒng)可得到精度為40μm的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。當(dāng)對(duì)所需的微結(jié)構(gòu)尺寸要求不是很嚴(yán)格時(shí)，這種方法完全適用于加工各種微流體芯片。

圖2 數(shù)字光刻投影系統(tǒng)成像原理Fig.2 Imaging principle of DLPS

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

使用數(shù)字光刻投影系統(tǒng)加工微流體通道結(jié)構(gòu)的過程較為簡單，不需要依賴超凈間、光刻機(jī)這類昂貴的工作環(huán)境和專用設(shè)備，在普通實(shí)驗(yàn)室內(nèi)3h即可完成復(fù)雜微流體芯片的制備。具體加工流程如圖3所示。

圖3 基于DLPS的微流控芯片加工流程框圖Fig.3 Microfluidic chip process flow block diagram based on DLPS

1）Dry－film母模制備。首先，利用熱層壓作用（400kPa，55℃）將dry－film光刻膠緊密貼合在預(yù)清潔的透明聚酯薄膜基底上，在55℃和101 kPa條件下加熱3min；其次，dry－film光刻膠通過數(shù)字投影光刻系統(tǒng)（DLPS）曝光，引發(fā)交聯(lián)反應(yīng)，隨后再加熱3min進(jìn)行結(jié)構(gòu)固化；最后，此樣品在濃度為1%的Na2CO3溶液下進(jìn)行噴霧顯影45s，然后將顯影后得到的干膜層在55℃溫度下加熱10min進(jìn)行干燥處理，就可以得到帶微結(jié)構(gòu)圖形的母膜。若想得到多層干膜微結(jié)構(gòu)，可以將一個(gè)附加的干膜層通過層壓到已成型的母膜上，再進(jìn)行另一次光刻循環(huán)。簡而言之，重復(fù)這些基本的步驟：層壓、曝光、顯影，多層的干膜微結(jié)構(gòu)就可以直接產(chǎn)生，整個(gè)過程不需要使用任何傳統(tǒng)的精密加工設(shè)備。

通過計(jì)算機(jī)軟件設(shè)置微結(jié)構(gòu)的線型寬度和曝光時(shí)間，光刻曝光的線型寬度和曝光時(shí)間對(duì)最后得到的微流體芯片通道結(jié)構(gòu)尺寸有較大影響，圖4為本文多次實(shí)驗(yàn)測得的4種主要線型在不同曝光時(shí)間下所得到的dry－film光刻膠母膜通道尺寸關(guān)系圖。

2）鍵合封裝。復(fù)雜的微流體系統(tǒng)一般包含不止一層微通道結(jié)構(gòu)，通常都有2到3層PDMS薄膜和1到2層基底（金屬材料、玻璃或硅片等）。因此，這就涉及到不同薄膜之間或多層薄膜與基底之間的鍵合封裝技術(shù)。鍵合封裝技術(shù)是微流體領(lǐng)域中最具挑戰(zhàn)性的步驟之一，它包括對(duì)準(zhǔn)和粘合兩個(gè)重要因素［20］。研究者們通常都是對(duì)PDMS表面和基底進(jìn)行氧等離子體處理，使PDMS表面從疏水性變成親水性，從而達(dá)到很好的粘合封裝效果。在對(duì)準(zhǔn)方面，本文主要是利用微操作平臺(tái)和顯微鏡進(jìn)行光學(xué)對(duì)準(zhǔn)。

圖4 不同線型寬度和曝光時(shí)間得到的通道尺寸Fig.4 Channel size at different line widths and exposure times

3）驗(yàn)證應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。本文通過上述提及的微流體芯片加工技術(shù)，制作出長度相同、寬度不同的微凹槽PDMS微流路結(jié)構(gòu)，并切割成合適大小，經(jīng)過表面清潔處理，再將其鍵合到載玻片上，開展毛細(xì)吸附實(shí)驗(yàn)。此外，由于荷葉葉面上存在著非常復(fù)雜的多重納米絨毛和微米凸包，形成一層極薄的納米級(jí)厚的空氣薄膜，其尺寸遠(yuǎn)小于落在荷葉表面的灰塵水滴等，故具有優(yōu)異的超疏水表面結(jié)構(gòu)［21－22］。因此，本文借助數(shù)字光刻投影系統(tǒng)（DLPS）在PDMS材料表面上模仿制作了荷葉微觀結(jié)構(gòu)，開展了疏水性測量實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果

圖5展示了PDMS芯片的毛細(xì)吸附實(shí)驗(yàn)。將鍵合有PDMS毛細(xì)芯片的玻璃片一端垂直浸入紅墨水中，可以觀察到紅墨水在芯片毛細(xì)流路中緩慢上升，其中b圖中通道長度為8mm，自上而下通道寬度尺寸為40μm、80μm、130μm、160μm。

圖5 毛細(xì)吸附實(shí)驗(yàn)Fig.5 Capillary adsorption experiment

圖6 荷葉效應(yīng)實(shí)現(xiàn)流程Fig.6 Implementation process of lotus effect

如圖6所示，借助數(shù)字光刻投影系統(tǒng)（DLPS）在PDMS材料上模仿制作了荷葉表面微結(jié)構(gòu)，并得到了直徑為60μm與間隔為80μm的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和寬度為40μm的凹槽結(jié)構(gòu)。值得注意的是，在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中，由于光刻膠和PDMS自身的特性，使得獲得的結(jié)構(gòu)并不是規(guī)整的小圓點(diǎn)，而是類似太陽的形狀，其邊緣有放射線的結(jié)構(gòu)，因此實(shí)際凹凸結(jié)構(gòu)尺寸小于60μm。如圖7所示，通過JYSP－360接觸角測定儀測試，本文制作的初始PDMS薄膜的表面接觸角為100°±3°，而向帶有結(jié)構(gòu)的PDMS表面滴2μL的去離子水后，測得接觸角為123°±3°，角度改變范圍為17°～23°。

圖7 JYSP－360接觸角測定儀檢測結(jié)果圖Fig.7 Testing result of contact angle meter JYSP－360

3 結(jié)論

本文通過對(duì)商用投影儀進(jìn)行改裝，得到了一個(gè)數(shù)字光刻投影系統(tǒng)（DLPS），該系統(tǒng)可得到精度為40μm的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，當(dāng)對(duì)所需的微結(jié)構(gòu)尺寸要求不是很嚴(yán)格時(shí)，這種經(jīng)濟(jì)廉價(jià)的快速加工技術(shù)完全適用于制備各種微流體芯片。同時(shí)，本文通過毛細(xì)吸附和荷葉效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證和應(yīng)用了此投影系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性。值得注意的是，該DLP系統(tǒng)僅需計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)和控制，無需特殊的微流體專業(yè)加工設(shè)備及超凈間這樣昂貴的工作環(huán)境，便可在普通化學(xué)或生物實(shí)驗(yàn)室快速開展PDMS表面微流路結(jié)構(gòu)的加工。因此，該系統(tǒng)可在3h內(nèi)完成復(fù)雜的微流體芯片的制備，完全可以作為傳統(tǒng)經(jīng)典微流體加工工藝的有益補(bǔ)充。

［1］ George M.Whitesides.The origins and the future of microfluidics［J］.Nature，2006，442（27）：368－373.

［2］ Hong Ji，Liu Weiting，Chen Yuquan.Soft lithography technology［J］.Foreign Medical Sciences：Biomedical Engineering Fascicle，2001，24（3）：134－137；141.

洪吉，劉偉庭，陳裕泉.軟光刻技術(shù)［J］.國外醫(yī)學(xué)：生物醫(yī)學(xué)工程分冊，2001，24（3）：134－137；141.

［3］ Hong C，Bao D，Thomas M S ，et al.Print－and－peel fabrication of microelectrodes［J］.Langmuir，2008，24（16）：8439－8442.

［4］ Yong Jiale，Yang Qing，Chen Feng，et al.Superhydrophobic PDMS surfaces with three－dimensional（3D）pattern－dependent controllable adhesion［J］.Applied Surface Science，2014，288：579－583.

［5］ Attila Bonyár，Hunor Sántha，Máté Varga，et al.Characterization of rapid PDMS casting technique utilizing molding forms fabricated by 3Drapid prototyping technology （RPT）［J］.Int.J.Mater Form，2014，7：189－196.

［6］ Wang Wei，Zhao Siwei， Pan Tingrui. Lab－on－aprint：from a single polymer film to three－dimensional integrated microfluidics［J］.Lab Chip，2009，9：1133－1137.

［7］ Sones C L，Katis I，Mills B，et al.Laser－based printing and patterning for biological applications［J］.International Workshop on the Fabrication and Application of Microstructured Optical Devices，2014，1：27－28.

［8］ Chengliang Di，Song Hu，Wei Yan，et al.Interferometric scheme for High－Sensitivity coaxial focusing in projection lithography［J］.Photonics Journal，IEEE，2014，6（3）：1－10.

［9］ Waldbaur A， Waterkotte B，Schmitz K，et al.Maskless projection lithography for the fast and flexible generation of grayscale protein patterns［J］.Small，2012，8（10）：1570－1578.

［10］Zhao S，Cong H，Pan T.Direct projection on dryfilm photoresist（DP2）：do－it－yourself three－dimensional polymer microfluidics［J］.Lab Chip，2009，9：1128－1132.

［11］Zhang Yaya，Cui Jianguo.Economical microfluidic processing technology based on PDMS［J］.Hydromechatronics Engineering，2014，42（24）：86－92.

［12］Zhong Kejun，Gao Yiqing，Li Feng，et al.Fabrication of PDMS microlens array by digital maskless grayscale lithography and replica molding technique［J］.Optik，2014，125：2413－2416.

［13］Qian Xiaogong.Optical projection technology［J］.Semiconductor Information，1981，5：20－24.錢小工.光學(xué)投影曝光技術(shù)［J］.半導(dǎo)體情報(bào)，1981，5：20－24.

［14］Xu Zhong，Wang Lei.Preparation and tribological behavior of a self－assembled film with bionic nonsmoothed surface［J］.Surface Technology，2011，40（1）：44－48，67.徐中，王磊.三維自組裝膜的制備及其摩擦磨損試驗(yàn)［J］.表面技術(shù)，2011，40（1）：44－48，67.

［15］Jiang Jiahuan.Biomedical microsystem technology and application［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2006：1－380.蔣稼歡，生物醫(yī)學(xué)微系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：1－380.

［16］Cui Jianguo，Wang Hong.Design of a peristaltic micropump driven by pneumatic pressure［J］.Fluid Machinery，2012，40（12）：47－50；38.崔建國，王洪.一種負(fù)壓驅(qū)動(dòng)的蠕動(dòng)微型泵設(shè)計(jì)［J］.流體機(jī)械，2012，40（12）：47－50；38.

［17］Stohr U，Vulto P ，Hoppe P ，et al.High－resolution permanent photoresist laminate for microsystem applications［J］.Journal of Micro－Nanolithography Mems and Moems，2008，7（3）：033009－1—033009－2.

［18］Liu Haiyong，Zhou Jinyun，Lei Liang，et al.Design of reduced projection lens for digital lithography［J］.Opto－Electronic Engineering，2013，40（7）：57－62.劉海勇，周金運(yùn)，雷亮，等.數(shù)字光刻縮微投影系統(tǒng)物鏡的設(shè)計(jì)［J］.光電工程，2013，40（7）：57－62.

［19］Ding Yuzhe，Hong Lingfei.Capillary－driven automatic packaging［J］.Lab Chip，2011，11：1464－1469.

［20］Jiang Shuhui.Lotus effect and its application in bionics［J］.Biology Teaching，2013，38（4）：62－63.姜淑慧.荷葉效應(yīng)及其在仿生學(xué)上的應(yīng)用［J］.生物學(xué)教學(xué)，2013，38（4）：62－63.

［21］Huang Shuo，Wu Zhonggui，Yi Hui，et al.Fabrication and properties of a self－cleaning hydrophobic coating［J］.Surface Technology，2012，41（1）：106－108.黃碩，吳仲巋，易輝，等.疏水型自清潔涂料的制備與性能研究［J］.表面技術(shù)，2012，41（1）：106－108.

［22］Zhu Liqun，Jin Yan.Preparation and performance of hydrophobic inorganic organic film［J］.Surface Technology，2005，34（3）：1－5.朱立群，金燕.具有憎水性的無機(jī)有機(jī)膜層的制備方法與研究進(jìn)展［J］.表面技術(shù)，2005，34（3）：1－5.