[發(fā)明專利]基于微納集成加工技術(shù)的可植入三維減阻微流道及制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210111375.6
• 申請日: 2012-04-16
• 公開（公告）號: CN102627255A
• 公開（公告）日: 2012-08-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張海霞;張曉升;朱福運;褚世敢
• 申請（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00;B01L3/00
• 代理公司: 北京市商泰律師事務(wù)所 11255
• 代理人: 毛燕生

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于微納集成加工技術(shù)的可植入三維減阻微流道及制備方法。

背景技術(shù)

微機電系統(tǒng)(Microelectro?mechanical?system，MEMS)自上世紀八十年代出現(xiàn)以來，作為一門新興的、高新技術(shù)的多領(lǐng)域交叉學(xué)科，被譽為新世紀引領(lǐng)微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新技術(shù)革命，受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注。其中，生物醫(yī)學(xué)微機電系統(tǒng)(Bio-medical?MEMS)作為微機電系統(tǒng)最重要的分支之一，受到科研機構(gòu)和產(chǎn)業(yè)界的密切關(guān)注，其中最引人矚目的是微全分析系統(tǒng)(micro?total?analysi?ssystems，即μTAS)也稱芯片實驗室(Lab-on-a-chip)。它是將樣品制備、生化反應(yīng)和結(jié)果檢測三個步驟集成在單一器件上，且能執(zhí)行特定分析功能的完整微系統(tǒng)，可分為芯片式與非芯片式兩大類。目前其發(fā)展重點實芯片式微全分析系統(tǒng)，包括微陣列芯片(Microarray?Chip)和微流控芯片(Microfluidic?chip)兩類，具有樣品檢測閾值低，靈敏度高，分析速度快，成本低廉的優(yōu)點，在國外已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，生產(chǎn)生物芯片的企業(yè)數(shù)以千計。

上述芯片式微全分析系統(tǒng)的核心是在基片上使用微加工技術(shù)制備溝槽結(jié)構(gòu)，以分析化學(xué)和分析生物化學(xué)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)生物樣品的實時檢測、分析和處理。其溝槽結(jié)構(gòu)特征尺寸通常在幾十到幾百微米，與宏觀尺度的溝槽不同，由于尺寸效應(yīng)的影響，流體在微納米量級的溝槽結(jié)構(gòu)中流動時，其粘滯阻力變得非常巨大，使得液體流動異常困難，根據(jù)泊肅葉定律，通道所需壓差與尺寸的四次方成反比，這意味著微流體的驅(qū)動需要很大的外部驅(qū)動力和相應(yīng)的驅(qū)動裝置(通常需要借助外部驅(qū)動力的作用才能順暢流動)，譬如微泵、微閥和微能源等，這帶來一系列缺點，如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)穩(wěn)定性低、功耗高、難以實現(xiàn)微小型化。因此，實現(xiàn)具有減阻效果的微流道是微全分析系統(tǒng)研究領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。

而由于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域需求的特殊性，可植入式減阻微流道更成為微全分析系統(tǒng)研究的重中之重，其中最常見的材料為聚二甲基硅氧烷(即Polydimethylsiloxane，簡寫為PDMS)。它是一種高分子有機硅化合物，又被稱為有機硅，具有成本低，無毒，不易燃，生物兼容性好，且透光性優(yōu)異等特點，因此在微納加工技術(shù)領(lǐng)域，特別是微流控、生物醫(yī)學(xué)微系統(tǒng)等方向應(yīng)用廣泛。雖然PDMS材料本身即具有疏水性(接觸角約為105°-120°)，但在微觀尺度下，由于層流效應(yīng)、表面力和毛細效應(yīng)等的顯著增強，其粘滯阻力非常大。

過去十年間，很多技術(shù)被開發(fā)出來用以實現(xiàn)具有減阻效果的結(jié)構(gòu)表面，包括高分子減阻劑、減阻涂層、仿生結(jié)構(gòu)復(fù)制、微納雙尺度顆粒修飾等技術(shù)。高分子減阻劑和減阻涂層[例：Choi?K?S，Appl?Sci?Res，1989，46：209-216]是應(yīng)用最為廣泛的一類，其工藝方法簡單，但這種注入高分子減阻劑或涂覆減阻涂層形成減阻界面的方法，減阻劑浪費嚴重，使用壽命嚴重不足。

仿生結(jié)構(gòu)復(fù)制[例：Bechert?D?W，AIAA?Shear?Flow?Control?Conference，1985]是通過微加工技術(shù)將天然的具有減阻效果的表面結(jié)構(gòu)重復(fù)出來，但其減阻效率較低。近年來研究人員提出了一種基于微納雙尺度顆粒表面修飾的減阻流道設(shè)計[例：盧思，中國科學(xué)：G輯，2010，40：916-924]，可實現(xiàn)高效減阻效果，但實現(xiàn)上述微納雙尺度顆粒結(jié)構(gòu)通常需要多步復(fù)雜工藝，成本高，更為重要的是很難在溝槽的側(cè)壁和頂面上實現(xiàn)減阻結(jié)構(gòu)，即無法實現(xiàn)真正的三維減阻微流道。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)的不足，本發(fā)明提供基于微納集成加工技術(shù)的可植入三維減阻微流道及制備方法。

本發(fā)明的目的在于提出一種基于微納集成加工技術(shù)的可植入三維減阻微流道及制備方法，利用無掩膜優(yōu)化深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)工藝，直接在微米尺度溝槽各表面制備實現(xiàn)高密度高深寬比納米森林結(jié)構(gòu)，然后利用鑄模方法將微米尺度溝槽及其表面的納米森林結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到PDMS上，再利用DRIE后處理工藝對PDMS進行表面物理化學(xué)處理，降低表面能，從而實現(xiàn)具有超疏水特性的PDMS三維減阻微流道，該制備方法工藝簡單、成本低、減阻效率高，更為重要的是具有可植入性。

為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于微納集成加工技術(shù)的可植入三維減阻微流道結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括：PDMS襯底，PDMS蓋板，微米溝槽，納米篩孔陣列。

PDMS襯底和PDMS蓋板的厚度為50μm-1000μm；

PDMS蓋板鍵合于PDMS襯底上；