微流控芯片制造技术比较研究
2024-11-23 11:25:26   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询介绍，过去几十年来，微流控技术取得了显著进步，已成为医疗保健、环境监测和化学工程领域复杂工具中不可替代的一部分。微流控芯片是这一变革性技术的核心，是一种能够精确处理小体积流体的微型系统。这些芯片的制造技术对其设计和性能影响很大，每种技术都有其独特的优势和局限性。除了一些较为常见的制造技术，业界还探索了几种替代方法，例如热压印、3D打印、激光烧蚀以及纸基微流控等。例如，热压印适用于热塑性材料，可提供高产量，但需要进行初始模具制造。3D打印是一种快速成型技术，设计灵活性高，但往往受到分辨率的限制，而且耗时较长。激光烧蚀可以生成高精度的微通道，但同样耗时，而且可能产生不良热效应，从而改变材料特性。

一种微流控芯片设计示意图

尽管如此，激光烧蚀技术已广泛应用于大规模量产的微流控芯片制造，以实现电化学血糖监测和生物标志物检测。纸基微流控技术具有极高的成本效益和便携性，通常仅限于较为简单的检测和流体操作。随着微流控器件应用的扩大，越来越需要了解这些器件不同制造技术各自的优缺点。

分层不锈钢制造涉及金属层的堆叠和连接，以构建复杂的微通道网络，该技术可以受益于材料的耐用性和对恶劣条件的耐久性。这种方法适用于高压或高温应用，能够实现微米级精度。不过，由于涉及金属加工和键合技术，该工艺的成本较高。

聚酰亚胺是一种高性能聚合物，具有出色的耐化学性和热稳定性，是微流控应用中的一种通用基材。通常利用激光切割和光刻等技术将聚酰亚胺塑造成所需要的微流控结构。这些方法能够制造出柔性且耐热的微流控芯片，但其制造工艺相当复杂；与基于MEMS微机械加工的微流控芯片制造方法相比，其微通道表面粗糙度高，并且无法精确控制微通道的尺寸。

硅玻璃器件通常采用阳极键合工艺，可提供出色的耐化学性和光学透明度。这些器件非常适合需要高温或腐蚀性化学试剂的应用。然而，它们的生产成本较高，制造周期较长，因此限制了它们在快速原型或低成本应用中的适用性。

软光刻技术，特别是面向聚二甲基硅氧烷（PDMS）器件的工艺是一项开创性技术，它完美地融合了灵活性、生物相容性以及快速原型制作能力。由于PDMS器件具有惰性且对小分子的吸收率低，因此被广泛应用于生物领域。尽管它们是微流控芯片制造的趋势，但从材料的角度来看，它们并不十分合适。根据文献资料，PDMS材料很软，其杨氏模量仅为几兆帕。当微流体沿着PDMS微通道流动时，由于驱动压力的作用，会产生一定变形。此外，PDMS材料还具有气体渗透性，很难与玻璃或塑料基板实现长期稳定的键合，这也是一个挑战。此外，PDMS与标准微加工方法不兼容，它被认为是一种真空污染物。

近些年，纸基微流控技术凭借简单、低成本及便携性等优势成为快速发展的研究领域以及有效的微流控器件制造方法。纸基微流控技术在血液分离和环境检测等即时诊断领域有着广泛的应用。然而，与软光刻等其它技术相比，纸基微流控器件的制造精度并不高，无法满足要求芯片精度的微流控芯片应用。

另一方面，Xurography提供了一种经济、快速的制造方法，适合教育环境或初步的概念验证设计。该技术可使用双面胶带和商用切割绘图仪等简单材料制作单层微流控器件。然而，Xurography并不是一种精确的制造技术，在特征尺寸方面往往受到限制。因此，对于制造精度要求较高或微通道具有复杂3D微结构的应用来说，Xurography技术并不适合。

通过注塑成型、热压印或计算机数控（CNC）（通常是立式铣削）制造的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）器件，因其出色的光学透明度、机械稳定性以及与硅基系统相比更低的成本，近来备受关注。注塑成型有利于大规模生产，但初始制造模具成本较高，模具制造周转时间较长。数控加工为快速原型制造提供了更大的灵活性，并能生产出高宽比的特征设计，但这种方法可能比较耗时，而且会产生废料。

用于制造微流控芯片的材料和方法

新冠疫情再次激发了人们对即时诊断微流控器件的兴趣，快速、可靠、低成本的制造方法备受青睐。基于PMMA的微流控器件由于其成本效益和光学特性，以及与聚甲基丙烯酸甲酯（PDMS）系统的生物兼容性，在用于聚合酶链式反应（PCR）等检测时，尽管其热传导率相对较低，但仍显示出很好的实用性。热传导率是PCR等检测的关键参数之一，这使它们的应用存在挑战，但也是可行的。硅玻璃微流控芯片采用了导热性能出色的硅基板，性能更好，但成本过高。

了解这些制造技术的复杂性，对于基于微流控技术的应用及其未来的改进和发展至关重要。据麦姆斯咨询报道，在此背景下，西北工业大学和捷克布尔诺理工大学的研究人员在Scientific Reports期刊上发表了一篇题为“Microfluidics chips fabrication techniques comparison”的论文，文章深入研究了微流控芯片制造相关的技术问题，以期为该领域的研究人员和工程技术人员提供比较指南。该论文对微流控芯片的各种制造方法进行了比较，特别关注了基于PMMA的微流控器件的数控加工、Xurography制造的微流控系统、PDMS微流控芯片的软光刻以及硅玻璃微流控器件。

PDMS是制造微流控芯片的理想材料，特别是其光学透明性（这对显微分析和光学传感至关重要），而且与PMMA相比，其自发荧光极少。不过，它的气体渗透性虽然对需要气体交换的细胞培养应用有利，但对于需要气体不渗透环境的应用却构成了挑战。尽管PDMS的制造工艺相对简单，材料和生产成本较低，有利于原型设计或小规模生产，但PDMS对疏水分子的吸收会干扰特定的分析应用。此外，PDMS芯片的生产仍然需要无尘室来进行掩膜制作和光刻胶处理。

一种制造PDMS微流控芯片的工艺流程

PMMA因其出色的光学透明度而闻名，可增强视觉检测和光学探测能力。不过，PMMA对普通溶剂的耐化学性较差，这限制了它在水基应用中的使用，除非在微通道上涂覆聚对二甲苯以提高耐化学性并减少分子吸收，这种技术也适用于PDMS。PMMA芯片的生产常采用CNC铣削、热压印和注塑成型技术，每种技术都能满足不同的生产规模和要求。CNC铣削可以在没有洁净室设施的情况下进行复杂设计，因此非常适合原型设计和小批量生产，但初始设置成本较高。热压印适用于中、大批量生产，在模具制作方面需要大量前期投入，但细节复制效果极佳。注塑成型是大批量生产的最佳选择，尽管初始模具成本较高，但可实现规模成本效益。PMMA芯片制造方法的选择取决于具体的应用要求、产量和预算。

一种制造PMMA微流控芯片的工艺流程

Xurography利用双面胶带等廉价材料，为无洁净室要求的快速原型制作提供了一种经济高效的解决方案，但缺乏耐用性和设计复杂性。由于这些限制，它不太适合大规模生产。

一种通过Xurography制造微流控芯片的工艺

硅玻璃芯片非常适合需要耐高温、耐高压和优异光学性能的应用，但其制造工艺复杂、步骤繁多，需要DRIE和洁净室等专用设备。由于成本高、生产时间长，因此对于快速原型或预算有限的项目来说并不理想。

一种硅玻璃微流控芯片的制造工艺

总结来说，微流控芯片制造方法的选择，应考虑预期应用、所需的可扩展性、材料和制造成本以及周转时间。例如，PDMS在小规模生产中具有成本效益，每颗芯片的成本约1～5美元，周转时间视复杂程度从几小时到一天不等。PMMA虽然具有可扩展性，但在原型制作时，每个模具的成本从10美元到100美元不等，而在大批量生产时，单位成本要低得多。CNC铣削和热压印的设置时间较长，但提供的芯片更耐用。Xurography是成本最低、速度最快的原型制作方法，但功能有限。硅玻璃虽然价格昂贵，小批量生产时每颗芯片的成本往往超过100美元，但在苛刻条件下却能提供最佳的性能。

每种材料和方法都各有所长，有各自最适合的特定应用，因此需要根据详细的成本分析和功能要求进行仔细评估。例如，对于需要耐化学性和热循环耐久性的高精度诊断应用，建议使用硅玻璃，而对于成本和速度至关重要的教学模型和概念验证设计，则可能更适合使用Xurography或CNC铣削PMMA。

随着人们对快速、可靠、易获取诊断方法的需求不断增长，尤其是应对新冠疫情这样的全球健康挑战，高适应性微流控系统的价值越发突显。该论文给出了各种制造技术的优势和局限性，指导了下一代微流控器件的开发，以满足医疗保健和研究领域不断发展的迫切需求。

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