微通道是微米级管道的总称,与常规管道相比,表面积与体积之比从102m-1变成量级106m-1。微通道不仅是微流体系统流动的单元,也是控制流体流动的有效方式。微通道作为微流体系统的关键部件,具有单元联结、流体运输等功能,是决定微流体系统性能的核心元件。微通道内液体流动影响因素也与传统的流体不同,宏观流动忽略的很多微小的影响流动的因素,在微通道流动过程中都变的越来越显著。50280
1.微通道制作材料
微流体系统中微通道制作材料必须具备良好的综合特性,如良好的加工工艺性、良好的化学稳定性和生物相溶性以及加工成本低等。现有微通道材料主要有硅及其氧化物、玻璃和石英、聚合物三种类型[4]。
硅及其氧化物因良好的化学惰性和热稳定性而被广泛用于制作微通道,可利用光刻、蚀刻等成熟的半导体加工工艺来进行批量生产,工艺成熟,加工条件要求简单,但加工程序繁琐且周期长,加工设备功能单一。另一方面,硅晶存在易碎、价格贵、电绝缘性不好等缺陷,制约了硅在微系统领域的使用范围。硅通常被用来制作微通道板,广泛应用于微光像增强器、光子计数等领域。
与硅及其氧化物相比,玻璃和石英具有机械强度和散热性好、制造成本低廉等优点,可使用各种化学手段进行表面改性,也可利用光刻和刻蚀技术将微通道网络刻在表面,可进行批量化生产,在微通道制作中应用广泛。
聚合物包括聚二甲基硅氧烷、工程塑料、聚已酸丙酯、聚苯乙烯等,价格便宜、种类多、生物兼容性好、制作工艺相对简单、加工的可重复性较好,作为微流控芯片的基体材料具有很好的发展前景。
2.微通道制作工艺
微流体系统采用的微通道主要有三类制造工艺[3]:第一类是以硅蚀刻和软光刻技术为代表的微机械加工工艺,适合于大批量微通道加工,截面尺寸可达微米或亚微米量级,截面形状包括三角形、矩形和半圆形3种;第二类是基于高分子聚合物热塑性和键合技术的塑料微流控芯片生产技术,生产微流控芯片的通道截面形状与微机械加工工艺的类似,单件成本较低,但尺寸精度较低,塑料冷却脱模时会产生变形或应力集中;第三类是基于玻璃热变形的毛细管拉制工艺,可制作圆形截面微管道,尺寸达亚微米量级,但系统封装与微管道搭建方面存在难度。
吴俊徐[5]报道了一种硅微通道制作方法,在改进的电化学刻蚀平台上,利用电化学深刻蚀工艺在硅片表面制作微通道阵列论文网,采用电子扫描电镜等手段研究了不同微通道制作实验条件(磁场、腐蚀液浓度、腐蚀电流、等)对于腐蚀结构的影响,得出改善微通道结构特征(孔径、刻蚀深度、窗口形貌变化等)的工艺方法。
章维一等[6]提出玻璃是一种热粘弹性材料,玻璃成型过程是一个复杂的粘弹材料流变成型过程。在玻璃微管道拉制过程中,将玻璃毛坯管待变形段加热至成型温度,处于半熔融状态,在冷却固化的同时对施加一个沿轴向的瞬时拉力,使半熔融段的玻璃毛坯管轴向伸长且径向减小,在表面张力作用下,微管道完成内外壁的二次成型。
Jintang Shang等[7]报道了一种制作玻璃微通道的方法。将薄玻璃晶片放在表面附着发泡剂的硅微通道板上并进行密封粘接,将玻璃晶片加热至软化温度并保持一段时间后,发泡剂受热释放的气体使软化的玻璃晶片附着在硅微通道表面,形成壁面光滑的玻璃微通道。
中国科学技术大学的刘刚、田扬超等人[8]发明了一种适用于多种材料的微通道加工的方法, 且可以实现复杂微通道的高质量加工。其原理是利用光刻工艺现在正性光刻胶上制作微管道的图形,再利用负性光刻胶交联将该图形直接固定和封装。 微通道国内外研究现状:http://www.youerw.com/yanjiu/lunwen_53574.html