微流控芯片的製作
微流控芯片(MicrofluidicChip) ，又稱爲芯片實驗室(Lab-on-a-Chip)或生物 芯片。是利用MEMS技術將一個大型實驗室系統縮微在一個玻璃或塑料基板上，從而複製複雜的生物學和化學反應全過程，快速自動地完成實驗。其特徵是在微米級尺度構造出容納流體的通道、反應室和其它功能 部件，操控微米體積的流體在微小空間中的運動過程，從而構建完整的化學或生物實驗室。
這一技術將給基因、免疫、微生物和臨牀化學等診斷領域帶來顛覆性突破，使威脅人類健康的諸多疾病如癌症、心腦血管疾病的早期診斷和預防成爲可能。生物芯片與生物靶向藥物的結合，推動臨牀醫學全面走向個性化醫療診療。
隨着微流控芯片技術的逐漸展開及微分析技術的需求，芯片構型設計越加豐富，出現了一系列形式各異、具由多種微通道網絡結構的芯片構型。如電泳芯片分離通道的網絡形狀主要有：直線型、螺旋型、彎曲蛇形、多邊形、摺疊形等。由於生化分析的複雜性和多樣性需求，微流控芯片技術的發展趨於組合化和集成化，經常需在一塊芯片基片上集成多種功能單元，如化學反應器、生物反應器、過濾裝置等以進行多種樣品的分析檢測，以用於DNA測序和突變點檢測，氨基酸、蛋白質、細胞檢測和藥物篩選等。
基於高通量快速分離的需要，多通道陣列並行操作是微流控芯片的發展趨勢，芯片通道數量已從最初的12通道、96通道，發展到384通道。
微流控芯片通過微細加工技術集成各種不同功能的單元，如微反應池、微泵、微閥、檢測單元等。微通道加工技術與以硅材料二維和淺深度加工爲主的集成電路芯片不同。微流控芯片微通道的兩個重要指標是深寬比和微通道界面形狀。
深寬比指在基片上形成的微結構的深度特徵與寬度特徵之比，高深寬比結構加工難度較大。對於直接加工法，形狀特徵與腐蝕的方向性有關，即各向同性或各向異性會形成不同的幾何形貌特徵；對於複製加工方法，如熱模壓和模塑法等，微通道幾何形狀直接與模板形狀及加工工藝有關。
（1）光刻和刻蝕技術
傳統的用於製作半導體及集成電路芯片的光刻和刻蝕技術，是微流控芯片加工工藝中最基礎的。它是用光膠、掩膜和紫外光進行微細加工，工藝成熟，已廣泛用於硅、玻璃和石英基片上製作微結構。光刻和刻蝕技術由薄膜沉積、光刻和刻蝕三個工序組成。複雜的微結構可通過多次重複薄膜沉積-光刻-刻蝕這三個工序來完成。
光刻前先要在乾淨的基片表面覆蓋一層薄膜，薄膜的厚度爲數埃到幾十微米，這一工藝過程稱之爲薄膜沉積。薄膜按性能不同可分爲器件工作區的外延層，限制區域擴張的掩蔽膜，起保護、鈍化和絕緣作用的絕緣介質膜，用作電極引線和器件互連的導電金屬膜等。膜材料常見有二氧化硅、氮化硅、硼磷硅玻璃、多晶硅、電導金屬、光刻抗蝕膠、難熔金屬等。製造加工薄膜的主要方法有氧化、化學氣相沉積、蒸發、濺射、超聲波噴塗沉積等。
在薄膜表面均勻地覆蓋上一層光膠，將掩膜上微流控芯片設計圖案通過曝光成像的原理轉移到光膠層上的工藝過程稱爲光刻。光刻技術一般有以下基本工藝過程構成：
①基片的預處理。
通過脫脂、拋光、酸洗、水洗的方法使基片表面淨化，確保光刻膠與基片表面有良好的粘附。
②塗膠。
在經過處理的基片表面均勻塗覆一層粘性好、厚度適當的光刻膠。膠膜太薄，易生成針孔，抗蝕能力差；太厚則不易徹底顯影，同時會降低分辨率。光刻膠的實際厚度與它的粘度有關，並與甩膠機的旋轉速度的平方根成反比。塗膠方法有旋轉塗覆法、刷塗法、浸漬法、噴塗法等。其中超聲波噴塗法是新應用於這一行業，超聲波噴塗技術用於光刻膠塗層。與傳統的旋塗和浸塗工藝相比，它具有均勻性高、微觀結構良好的封裝性和可控制的塗覆面積大小等優點。在過去的十年中，已經充分證明了採用超聲噴塗技術的3D微結構表面光刻膠塗層，所製備的光刻膠塗層在微觀結構包裹性和均勻性方面都明顯高於傳統的旋塗。杭州馳飛的超聲波噴塗系統可以精確控制流量，塗布速度和沉積量。低速噴塗成形將霧化噴塗定義爲精確且可控制的模式，以在產生非常薄且均勻的塗層時避免過度噴塗。超聲噴塗系統可以將厚度控制在亞微米到100微米以上，並且可以塗覆任何形狀或尺寸。
③前烘。
在一定的溫度下，使光刻膠液中溶劑揮發，增強光刻膠與基片粘附以及膠膜的耐磨性。前烘的溫度和時間由光致抗蝕劑的種類和厚度決定，常採用電熱恆溫箱、熱空氣或紅外熱源。
前烘溫度和時間要合適，若溫度過高或時間過長會造成顯影時留下底膜或感光靈敏度下降，腐蝕時出現小島；若溫度過低或時間過短，會造成顯影后針孔增加，或產生浮膠、圖形變形等現象。
④曝光。
將已製備好所需芯片圖形的光刻掩膜覆蓋在基片上，用紫外線等透過掩膜對光刻膠進行選擇性照射。受光照射的光刻膠發生化學反應。在實際操作中，曝光時間由光刻膜、膠膜厚度、光源強度以及光源與基片間距決定。曝光的方式有化學曝光、接觸式和接近式複印曝光、光學投影成像曝光。
⑤顯影。
用光膠配套顯影液通過化學方法除去經曝光的光膠（正光膠）或未經曝光的光膠（負光膠），顯影液和顯影時間的選擇對顯影效果的影響很大。選擇顯影液的原則是，對需要去除的那部分膠膜溶解度大、溶解速度快，對需要保留的那部分溶解度小。顯影時間視光致抗蝕劑的種類、膠膜厚度、顯影液種類、顯影溫度和操作方法而異。
⑥堅膜。
將顯影后的基片進行清洗後在一定溫度下烘烤，以徹底除去顯影后殘留於膠膜中的溶劑或水分，使膠膜與基片緊密粘附，防止膠層脫落，並增強膠膜本身的抗蝕能力。建膜的溫度和時間要合適。
刻蝕是將光膠層上的平面二維圖形轉移到薄膜上並進而在基片上加工成一定深度微結構的工藝。
根據刻蝕劑狀態不同，可將腐蝕工藝分爲溼法刻蝕和幹法刻蝕兩大類。溼法刻蝕是通過化學刻蝕液和被刻蝕物質間的化學反應將被刻蝕物質剝離下來的刻蝕方法。大多數溼法刻蝕是不容易控制的各向同性腐蝕。
其特點是選擇比高、均勻性好、對硅片損傷少，幾乎適用於所有的金屬、玻璃、塑料等材料。缺點是圖形保真度不強，橫向腐蝕的同時，往往會出現側向鑽蝕，以致刻蝕圖形的最少線寬受到限制。
幹法刻蝕指利用高能束與表面薄膜反應，形成揮發性物質，或直接轟擊薄膜表面使之被腐蝕的工藝。其最大的特點是能實現各向異性刻蝕，即在縱向的刻蝕速率遠大於橫向刻蝕的速率，從而保證細小圖形轉移後的保真性。幹法刻蝕的作用基礎是等離子體。
用光刻的方法加工微流控芯片時，必須首先製造光刻掩模。掩膜的基本功能是基片受到光束照射時，在圖形區和非圖形區產生不同的光吸收和透過能力。 用計算機製圖系統將掩模圖形轉化爲數據文件，再通過專用接口電路控制圖形發生器中的曝光光源、可變光闌、工作臺和鏡頭，在掩模材料上刻出所需的圖形。或用微機通過CAD軟件將設計微通道的結構圖轉化爲圖像文件後，用高分辨率的打印機將圖像打印到透明薄膜上。此透明薄膜可作爲光刻用的掩模, 基本能滿足微流控芯片對掩模的要求。
（2）熱壓法
熱壓法（hot embossing）是一種應用較廣泛的快速複製電泳微通道的芯片製作技術，適用於PMMA與PC等熱塑性聚合物材料。熱壓法的模具可以是直徑在50 μm以下的金屬絲或是刻蝕有凸突的微通道骨片陽膜，如鎳基陽模、單晶硅陽模、玻璃陽模、微機械加工的金屬陽模。 此法可大批量複製，設備簡單，操作簡便，但所用材料有限。
（3）模塑法
用光刻和刻蝕的方法先製出陽模（所需通道部分突起），澆注液態的高分子材料，然後將固化後的高分子材料與陽模剝離，得到具有微通道芯片的這種製備微芯片的方法稱爲模塑法。模塑法的關鍵在於模具和高分子材料的選擇，理想的材料應相互之間粘附力小，易於脫模。
微通道的陽膜可由硅材料、玻璃、環氧基SU-8負光膠和PDMS等製造。硅或玻璃陽膜可採用標準刻蝕技術。PDMS模具可通過直接澆注於由硅材料、玻璃等材料制的母模上製得。
澆注用的高分子材料應具有低粘度，低固化溫度。在重力作用下，可充滿模子上的微通道和凹槽等處。可用的材料有兩類：固化型聚合物和溶劑揮發型聚合物。
雖然模塑法受限於高分子材料，但該法簡便易行，芯片可大批量複製，且不需要昂貴的設備，是一個可以製作廉價分析芯片的方法。
（4）注塑法
注塑法的工藝是通過光刻和刻蝕技術在硅片上刻蝕出電泳芯片陰模，用此陰模進行24h左右的電鑄，得到0.5 cm厚的鎳合金模，再將鎳合金模加厚，精心加工製成金屬注塑模具，將此模具安裝在注塑機上批量生產聚合物微流控芯片基片。
在注塑法制作過程中，模具製作複雜，技術要求高，週期長，是整個工藝過程中的關鍵步驟。一個好的模具可生產30 ~ 50萬張聚合物芯片，重複性好，生產週期短，成本低廉，適宜於已成型的芯片生產。
（5）LIGA技術
LIGA是德文Lithographie，Galvanoformung，Abformung三個字的字頭縮寫。LIGA技術是由光刻、電鑄和塑鑄三個環節組成。
準LIGA技術是用紫外光光源來代替LIGA技術中的同步輻射X光深層光刻，然後進行後續的微電鑄和微複製工藝。它不需要同步輻射X光光刻和特製的X光掩膜板，有利於實現微機械器件的大批量生產。根據紫外光深層光刻的工藝路線的不同，準LIGA技術又可分爲多層光刻—LIGA、硅模深刻蝕—LIGA和SU-8深層光刻—LIGA三類。
（6）激光燒蝕法
激光燒蝕法是一種非接觸式的微細加工技術。它可直接根據計算機CAD的數據在金屬、塑料、陶瓷等材料上加工複雜的微結構，已應用於微模和微通道的加工。 這種方法對技術設備要求較高，步驟簡便，而且不需超淨環境，精度高。但由於紫外激光能量大，有一定的危險，需在標準激光實驗室中進行操作，使用安全保護裝備和防護眼鏡。
（7）軟光刻
軟光刻（soft lithography）是相對於微製造領域中佔據主導地位的光刻而言的微圖形轉移和微製造的新方法，以自組裝單分子層、彈性印章和高聚物模塑技術爲基礎的微細加工新技術。它能製造複雜的三維結構及不規則曲面；能應用於生物高分子、膠體、玻璃、陶瓷等多種材料；沒有相關散射帶來的精度限制，可以達到30 nm ~ 1 μm級的微小尺寸； 因此軟光刻是一種便宜、方便，適於實驗室使用的技術。
軟光刻技術的核心是彈性模印章，可通過光刻蝕和模塑的方法制得。PDMS是軟光刻中最常用的彈性模印章。軟光刻的關鍵技術主要包括微接觸印刷、再鑄模、微傳遞成模、毛細管成模、溶劑輔助成模等。
軟光刻技術還存在着一些缺陷，如PDMS固化後有1%的收縮變形，而且在甲苯和乙烷的作用下，深寬比將出現一定的膨脹；PDMS的彈性和熱膨脹性使其很難獲得高的準確性，也使軟光刻在多層面的微加工中受到限制；由於彈性模太軟，無法獲得大的深寬比，太大或太小的寬深比都將導致微結構的變形或扭曲。
如今微流控芯片已經成爲涵蓋了從分離分析、化學合成、醫學診斷學、細胞生物學、神經生物學、系統生物學、結構生物學、微生物學等一系列應用研究領域的綜合性交叉學科。
