微流控芯片大致可以分為三種類型：PDMS芯片、聚合物芯片（COC、PMMA、PC等）和玻璃芯片。三種不同類型的芯片各有不同的加工方法。本文主要介紹PDMS芯片加工的軟光刻/軟刻蝕技術(shù)（soft lithography technique）和聚合物成型技術(shù)。

什么是PDMS軟刻蝕技術(shù)？

軟刻蝕技術(shù)可以被看做光刻技術(shù)的一種擴展延伸。最初，標準的光刻技術(shù)在微電子企業(yè)中主要被用來處理半導體材料。光刻技術(shù)從本質(zhì)上講非常適合用來處理光刻膠。因此，大部分微流控器件仍舊使用光刻技術(shù)來加工SU-8模板，集成微結(jié)構(gòu)的PDMS層的加工過程如圖1所示。

圖1 集成微結(jié)構(gòu)的PDMS層的加工過程[1]。圖中（a）-（d）對應(yīng)通過光刻技術(shù)加工硬質(zhì)模板的過程。圖中（e）-（f）可以被認為是軟刻蝕過程的一部分。

軟刻蝕技術(shù)擴展了傳統(tǒng)光刻技術(shù)的可能性。不同于光刻技術(shù)，軟刻蝕技術(shù)可用于加工處理廣泛的彈性材料例如機械軟材料。由于涉及的材料具有一定的“柔軟性”，這就是為什么這種刻蝕技術(shù)使用“soft”這個單詞。軟刻蝕技術(shù)非常適合用于聚合物、凝膠以及有機單層材料。PDMS材料具有許多非常優(yōu)異的特性如廉價、生物兼容性、低毒性、化學惰性、多種多樣的表面化學絕緣性以及機械靈活性和耐久性等，因此，其在軟刻蝕應(yīng)用中被廣泛的大量使用。此外，PDMS很容易被操控和加工，所以，僅需要很少的儀器設(shè)備便可加工PDMS器件。

應(yīng)該注意的是屬于軟刻蝕技術(shù)并不是指一個獨特的加工技術(shù)。軟刻蝕技術(shù)實際上包含了許多的加工方法，這種加工方法全部是基于使用類似于圖1f的PDMS模板層。為了方便提供一個簡要的概述，如下部分將會介紹和軟刻蝕技術(shù)相關(guān)的核心技術(shù)。

微流控芯片中的PDMS軟刻蝕技術(shù)

軟刻蝕技術(shù)的第一個基本特性是獲得密封的微流控器件。典型的情形是，壓印在PDMS層上微通道緊密的與玻璃片結(jié)合在一起，請見如下圖2。另外一種情況是另外一片沒有通道的PDMS片與帶有微通道的PDMS層緊密的結(jié)合在一起。PDMS鍵合可以使PDMS層和玻璃形成牢固的、永久的結(jié)合。這種牢固的結(jié)合可以通過plasma bonding來實現(xiàn)。當微通道經(jīng)過合適的密封后，流體或溶液可以在高達約350 kPa的壓力下被推進到通道內(nèi)而不會損壞微通道。

圖2 微流控芯片的加工：集成微通道的PDMS層被密封在玻璃片上

PDMS軟刻蝕技術(shù)：復制壓模/成形（Replica Molding）

在復制成形過程中，PDMS圖案層被用作軟模具，圖案層隨后會被聚合物覆蓋。固化后，聚合物從PDMS模具中分離。和光刻技術(shù)中使用的硬模板類似，PDMS模具的起始圖案被壓印在聚合物的表面。然而，復制成形技術(shù)允許在多種材料上形成圖案，例如，生物相容性的聚合物材料瓊脂或瓊脂糖可以通過復制成形技術(shù)來形成所需要的圖案。此外，復制成形技術(shù)還可以一次性的復制3D結(jié)構(gòu)并且相同的PDMS模具可以重復使用許多次。

圖3 復制成形技術(shù)的過程

PDMS軟刻蝕技術(shù)：毛細管成形

毛細管成形是使用帶有圖案的PDMS作為模具的第二種技術(shù)。PDMS層的圖案必須首先接觸基底如玻璃片，然后使用毛細管成形技術(shù)來把液態(tài)的聚合物填充到PDMS模具的圖案內(nèi)。正如毛細管成形技術(shù)暗示的那樣，利用毛細現(xiàn)象來逐步的填充圖案。作為替代方案，也可以使用抽吸的方法把液體聚合物填充到圖案內(nèi)。聚合物固化以后，可以輕輕的移除PDMS，隨后，基底的表面上就會留下堅固的固體微結(jié)構(gòu)。

圖4 毛細管成形技術(shù)的過程

PDMS軟刻蝕技術(shù)：微接觸印刷

在微接觸印刷技術(shù)中，PDMS層被用作一個印章。PDMS層首先被浸入在分子“墨水”中，然后再與基底相接處以便把“墨水”轉(zhuǎn)移到基底的表面。在微接觸印刷技術(shù)中，只有來自PDMS印章的凸起表面的“墨水”才會被轉(zhuǎn)移到基底上。各種“墨水”如小分子、蛋白質(zhì)或者細胞懸浮液等都可以用于微接觸印刷。

圖 5 微接觸印刷技術(shù)的過程

PDMS軟刻蝕技術(shù)：轉(zhuǎn)移微模塑

在轉(zhuǎn)移微模塑技術(shù)中，PDMS層的圖案化表面被液態(tài)聚合物填充。當移除多余的聚合物以后，把PDMS層進行倒置然后使其與基底接觸。然后進行固化，待聚合物固化后，小心謹慎的剝離PDMS層，隨后就會在基底的表面上留下特征尺寸小到1μm的堅固的固體微結(jié)構(gòu)。和復制成形技術(shù)類似，相同的PDMS層可以被填充許多次。

圖6 轉(zhuǎn)移微模塑技術(shù)的過程

參考文獻

[1] D. B. Weibel, W. R. DiLuzo and G. M. Whitesides, Microfabrication meets microbiology, Nature Rev. Microbiol., 2007, 5 (3): 208-218.

[2] G. M. Whitesides and A. D. Stroock, Flexible method for microfluidics, Phys. Today, 2001, 54: 42-46.