微化学反应器的设计与制备方法研究(4)
1.2.1 微反应器的材料选择
微反应器的制作材料一般有：硅芯片、聚合物芯片、玻璃芯片以及复合材料芯片等。如表1.1列出了几种常用的制作材料的重要性能参数[10]。
玻璃材料和硅材料具有良好的热稳定性和化学惰性，同时也是最早被应用于微反应器的制作和技术研究的材料之一。但是由于硅片键合困难，而且其价格昂贵，电绝缘性不好，紫外光的透过率较低。玻璃材料虽然易于光刻和蚀刻加工，但仍因为其较高的成本和较难的键合性能没有被广泛地应用于工业生产中[11-12]。
表1.1 常用微反应器制作材料的重要性能参数[10]
性能参数 硅 玻璃 PMMA PDMS
化学惰性 +++ ++ + +
介电常数kV/mm 11.7 16.5 16-20 16-20
热导率W/(m.k) 157 0.7-1.1 0.2 0.2
软化温度/℃ - 500-821 105 -
透光率/% - 89-92 >92 >70
热膨胀系数10-5K 0.26 0.05-1.5 7-9 3.5
键合性能 较难 较难 较易 易
然而聚合物材料，如聚二甲基硅氧烷（PDMS，固化型聚合物）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，俗称有机玻璃，热塑性聚合物）其具有成本低廉，键合容易，加工方法便捷等优点，被广泛地应用于微流控系统的研究中。但是由于此类聚合物表面改性较难，不耐高温等缺点，大大限制了聚合物材料在微流控研究领域的应用范围，只能应用于常温或低温度的流体混合与化学反应[13]。对比其他材料的物理化学性质，聚甲基丙烯酸甲酯以其低成本和高透光性成为研究中最常用的
反应器材料之一。
1.2.2 微反应器制作工艺
基于不同的制作微反应器材料，要选择不同的微反应器制作方法。最基本最常用的方法有光刻法和蚀刻法以及热压法。
（1）硅、玻璃芯片制作工艺
玻璃微流控芯片的光刻法制作工艺流程，如图1.2所示：
牺牲层制备 光刻胶曝光 显影 刻蚀 键合
图1.2 常用的玻璃微通道制备工艺流程图[14]
① 牺牲层制备 玻璃基材刻蚀可以直接用酸对玻璃表面进行腐蚀，但是由于光刻胶刻蚀能力不足的缺点一般会用金属作为牺牲层来弥补。一般采用磁控溅射的方法在玻璃基材上镀一层金属薄膜（最常用的金属铬），或者直接购买市面上已经加工成型的铬板玻璃，然后在其上甩涂一层均匀的光刻胶，烘箱中竖膜以提高光刻胶的抗腐蚀能力[15]。
② 曝光与显影 光刻胶有正光胶和负光胶两种基本类型。正型光刻胶通常都会因为紫外光曝光使聚合物发生分解反应，聚合链断裂而变得更加容易溶解；而负型光刻胶则是因为紫外光的照射而发生交联反应形成更难溶的聚合物。因此常常根据设计不同的掩膜来选择光刻胶的类型，然后经过显影液溶解显影后将需要的图形转移到光刻胶上。
③ 刻蚀 刻蚀液是用来腐蚀基材表面上没有被光刻胶和牺牲层保护的部分以形成所需的图形和一定深度的通道。刻蚀一般分为干法刻蚀和湿法刻蚀，但是
由于干法刻蚀的加工方法较昂贵，而且需要专用的设备，因此湿法刻蚀是实验研究中较常用的方法。而且由于刻蚀剂的选择不同，其在不同方向上的腐蚀速度存在差异，湿法刻蚀又分为各向异性和各向同性刻蚀。各向同性是采用HF酸腐蚀，刻蚀速率高但对形状控制较为困难，对搅拌和温度比较敏感；各向异性腐蚀采用KOH溶液在70℃下进行。
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