微流控芯片结构设计及其性能表征(4)
本课题中选用普通玻璃为芯片材料，一方面是由于其材料本身的优点，另一方面是由于其应用研究对玻璃芯片及微模具的加工制作具有普遍意义。
2.2 微结构的设计
设计微流控芯片结构的具体流程可参照图2.2.1。
图2.2.1 微流控芯片结构设计流程图
芯片功能定义：微流控玻璃芯片所需完成的功能有顺利同时多孔进样，促进两流体混合，以及气栓隔断式微反应室的形成，所设计的芯片需包含以上功能。
芯片通道选择：本实验除探究能否形成气栓隔断式的微反应室，还对两种流体在不同压力下流经芯片上的流动和混合效果，所以需要设计一些促进流体混合的模型。
本实验采用的含挡板模型和含小弯曲通道模型。具体设计如图2.2.2所示。
图2.2.2 俩种通道类型设计图
a为挡板类型，b为小弯曲通道类型
此外，由于本次实验只是表征所设计芯片结构的性能，即能否进样、能否促进流体混合以及能否形成气栓隔断式微反应室，所以实验中只用水和染色剂甲基蓝作为样品，考虑成本和经济效益本次实验选择玻璃作为基本材料，具体的比较前文已经加以叙述。最终设计出符合实验目的的玻璃芯片。
2.3 玻璃微流控芯片制作工艺
传统的玻璃芯片的通用制作法是采用标准光刻将图形转移到玻璃基材上，进而通过湿法或干法刻蚀形成微结构，最后进行高温键合制成微芯片。该方法一般要求超净环境，昂贵、复杂的加工设备及工艺，烦琐、成品率低的高温键合程序，对实验室的要求相当的苛刻，成为制约其研究及发展的主要因素之一。
本文中通过实验摸索，总结出了光刻，结合湿法刻蚀及室温键合的玻璃微流控芯片的简易制作方法，大体流程为：
（1）在干净的玻璃基片表面上镀上一层铬，再用甩胶机在铬层上均匀地涂布一层光胶。由于该过程铬层厚度及涂胶均匀性难以控制，故实验选择长沙韶光公司的SG4009胶铬版玻璃，铬后145nm，胶类为S-1805，胶厚570nm。
（2）将光刻掩模覆盖在基片上，用紫外光照射涂有光胶的基片，使光胶发生光化学反应；
（3）用显影的方法除去经曝光的光胶；
（4）采用化学腐蚀的方法在铬层上腐蚀出掩模上的平面二文图形；
（5）使用适当的刻蚀剂在基片上刻蚀所需的通道；
（6）刻蚀结束后，除去光胶和铬层；
（7）打孔后和玻璃盖片键合。
2.3.1 掩模制备
用光刻的方法加工微流控芯片时，必须首先制造光刻掩模。对掩模有如下要求：
（1）掩模的图形区和非图形区对光线的吸收或透射的反差要尽量大；
（2）掩模的缺陷如针孔、断条、桥连、脏点和线条的凹凸等要尽量少；
（3）掩模的图形精度要高。
通常用于大规模集成电路的光刻掩模材料有涂有光胶的镀铬玻璃板或石英板。用计算机制图系统将掩模图形转化为数据文件，再通过专用接口电路控制图形发生器中的爆光光源、可变光阑、工作台和镜头，在掩模材料上刻出所需的图形。但由于设备昂贵，国内一般科研单位需通过外协解决，延迟了研究周期。由于微流控芯片的分辨率远低于大规模集成电路的要求，近来有报道使用简单的方法和设备制备掩模 。用微机通过CAD软件将设计微通道的结构图转化为图象文件后，用高分辨率的打印机将图象打印到透明薄膜上，此透明薄膜可作为光刻用的掩模，基本能满足微流控分析芯片对掩模的要求。也是本实验采用的掩膜制作方法。