专利名称：玻璃材料高深宽比微结构二次约束流动刻蚀方法
技术领域：
本发明涉及微加工工艺，特别是涉及一种玻璃材料高深宽比微结构二次约 束流动刻蚀方法。
背景技术：
近10年来，微机电技术逐渐成熟，其中微流控系统以其功能高度集成性及
广泛的适用性而倍受瞩目。目前可以用于微流体器件制作的材料主要有硅、玻 璃以及一些有机材料。与其它材料相比，玻璃因为具有良好的透光性和较高的 强度，所以在很多微流体器件之中具有不可替代作用，应用十分广泛。但是对 平板玻璃的微加工主要采用化学湿法刻蚀的方法，由于玻璃属于各向同性材料， 因此通过光刻及湿法刻蚀的方法成型的微流道通常具有较小的深宽比(最大约
0.5左右)。这大大限制了平板玻璃的应用范围。虽然近年来微加工技术作为微 流控系统的基础发展非常迅速，在传统的微加工技术的基础上又出现了 LIGA、 软光刻等全新的微加工技术。但是各向同性材料的高深宽比结构加工问题却始 终得不到完善解决。因此一种新的微加工技术成为微流控系统的研究中亟待解 决的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种玻璃材料高深宽比微结构二次约束流动刻蚀方法。
本发明采用的技术方案是
通过光刻及湿法刻蚀的工艺在抛光后的平板玻璃上刻蚀出三个入口的微流 道、中间为有效微流道和一个出口的微流道，再将经过紫外光表面活性处理的 PDMS薄膜与带有微流道的平板玻璃键合，形成Glass-PDMS微流控芯片，使用 精密注射泵将刻蚀剂注入位于中间的刻蚀剂入口 ，隔离剂从位于刻蚀剂入口两 侧的隔离剂入口注入，由于隔离剂能约束刻蚀剂流束的宽度和位置，通过控制 三路流体的流量比，能在已经成型的平板玻璃微流道中刻蚀出高深宽比的二次 微结构。
所述的刻蚀出高深宽比的二次微结构，是通过控制三路流体的流量比，有 效微流道的横截面会随刻蚀的进行逐渐变大，导致刻蚀剂会直接沉在有效微流 道中形成的二次微流道，隔离剂起到保护二次微槽侧壁不被刻蚀的作用，而在平板玻璃的有效微流道内部得到高深宽比的二次微结构。
本发明具有的有益效果是-
该方法可以在原有微流道的基础上进行二次刻蚀从而在原有微流道内部形 成具有高深宽比的二次微结构。只需改变隔离剂与刻蚀剂的流量比即可控制刻 蚀宽度，定时改变刻蚀剂和隔离剂的流量即可实现对二次微结构形貌的控制。 为基于玻璃基体材料的微流控芯片提供一种行之有效的，高深宽比微结构的加 工方法。
图1是本发明的结构与工作原理。
图2是A—A平面的剖面图。
图3是高深宽比二次微结构效果示意图。
图中1、平板玻璃，2、有效微流道，3、 PDMS薄膜，4、 6、隔离剂入口， 5、刻蚀剂入口， 7、废液出口， 8、 10、隔离剂注射泵，9、刻蚀剂注射泵，11、 13、隔离剂通流面积，12、刻蚀剂通流面积，14、 15、隔离剂与刻蚀剂交界面。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
典型的微流控流道结构需要样品和试剂量在100 nl和10ml之间，甚至更少， 微流控流道的直径范围在几十到几百微米。微流体在流道内均呈现层流特性。 因此，当两种或更多不同试剂同时流入同一通道中，各试剂流能够同时保持自 身的流型不变而只在相与相的接触界面上发生反应或分子扩散现象，并且具有 较高的稳定性和重现性，玻璃材料高深宽比微结构二次约束流动刻蚀方法就是 基于这种特性提出的。
本发明通过光刻及湿法刻蚀的工艺在抛光后的平板玻璃上刻蚀出三个入口 的微流道、中间为有效微流道和一个出口的微流道，再将经过紫外光表面活性 处理的PDMS薄膜与带有微流道的平板玻璃键合，形成Glass-PDMS微流控芯 片，使用精密注射泵将刻蚀剂注入位于中间的刻蚀剂入口，隔离剂从位于刻蚀 剂入口两侧的隔离剂入口注入，由于隔离剂能约束刻蚀剂流束的宽度和位置， 通过控制三路流体的流量比，能在已经成型的平板玻璃微流道中刻蚀出高深宽 比的二次微结构。
所述的刻蚀出高深宽比的二次微结构，是通过控制三路流体的流量比，有 效微流道的横截面会随刻蚀的进行逐渐变大，导致刻蚀剂会直接沉在有效微流 道中形成的二次微流道，隔离剂起到保护二次微槽侧壁不被刻蚀的作用，而在平板玻璃的有效微流道内部得到高深宽比的二次微结构。
常规的Glass-PDMS芯片制作流程主要包括在平板玻璃1上加工出三个入口 的微流道、中间为有效微流道和一个出口的微流道，制作PDMS薄膜3并且相 应位置打孔作为试剂的入口和出口；再将刻有微流道平板玻璃1和PDMS薄膜 3键合在一起形成Glass-PDMS微流控芯片。具体流程如下;通过常规的光刻和湿 法刻蚀工艺在抛光过的平板玻璃1上加工出实验所需的有效微流道2。三路进口 交汇后形成有效微流道，有效微流道后端为废液出口 7。有效微流道2具有一个 刻蚀剂入口5，两个隔离剂入口4、 6和一个废液出口7。将PDMS预具体和固 化剂以10:1的比例均匀混合脱气后浇注在硅片上形成约2mm厚的薄膜。在75。C 下固化lh后取下，得到PDMS薄膜3。在PDMS薄膜3相应位置打孔后，用无 水乙醇将PDMS薄膜3反复清洗，烘干后置于紫外光下照射再与带有微流道的 平板玻璃1贴合,Glass-PDMS芯片制成。如图1所示。
将隔离剂入口4、 6分别与隔离剂注射泵8、 IO连接；将刻蚀剂入口5与刻 蚀剂注射泵9连接；废液出口7通入废液槽。
隔离剂注射泵8、 10与刻蚀液注射泵9可以独立控制各自流量，通过设定 这三个注射泵的流量比可以调整图2中隔离剂通流面积11、 13和刻蚀剂通流面 积12的比例，同时决定了刻蚀剂与隔离剂交界面14、 15的位置。交界面的位 置就是刻蚀剂与平板玻璃发生反应时的边界，交界面的形态决定了二次流动刻 蚀成型的形貌。
随着刻蚀反应的进行，平板玻璃材料表面处于隔离剂交界面14、 15之间的 部分会反应生成可溶物质从而达到刻蚀的目的。有效微流道3的横截面会随刻 蚀的进行逐渐变大，导致蚀剂会直接沉在有效微流道中形成的二次微流道。因 此在刻蚀的过程中逐渐增加隔离剂的流量，可以得到高深宽比的二次微结构， 如图3所示。所述的高深宽比为1.2 2.5。所述的微流道宽度小于lmm，微流 道深度小于0.5 mm。
二次流动刻蚀方法与其他微加工方法的本质性区别在于采用隔离剂约束刻 蚀剂的有效反应区域从而得到高深宽比的微结构。
权利要求
1、一种玻璃材料高深宽比微结构二次约束流动刻蚀方法，其特征在于通过光刻及湿法刻蚀的工艺在抛光后的平板玻璃上刻蚀出三个入口的微流道、中间为有效微流道和一个出口的微流道，再将经过紫外光表面活性处理的PDMS薄膜与带有微流道的平板玻璃键合，形成Glass-PDMS微流控芯片，使用精密注射泵将刻蚀剂注入位于中间的刻蚀剂入口，隔离剂从位于刻蚀剂入口两侧的隔离剂入口注入，由于隔离剂能约束刻蚀剂流束的宽度和位置，通过控制三路流体的流量比，能在已经成型的平板玻璃微流道中刻蚀出高深宽比的二次微结构。
2、 根据权利要求1所述的一种玻璃材料高深宽比微结构二次约束流动刻蚀 方法，其特征在于所述的刻蚀出高深宽比的二次微结构，是通过控制三路流 体的流量比，有效微流道的横截面会随刻蚀的进行逐渐变大，导致刻蚀剂会直 接沉在有效微流道中形成的二次微流道，隔离剂起到保护二次微槽侧壁不被刻 蚀的作用，而在平板玻璃的有效微流道内部得到高深宽比的二次微结构。
3、 根据权利要求1所述的一种玻璃材料高深宽比微结构二次约束流动刻蚀 方法，其特征在于所述的高深宽比为1.2 2.5。
4、 根据权利要求1所述的一种玻璃材料高深宽比微结构二次约束流动刻蚀 方法，其特征在于所述的微流道宽度小于lmm，微流道深度小于0.5 mm。
全文摘要
本发明公开了一种玻璃材料高深宽比微结构二次约束流动刻蚀方法。通过光刻及湿法刻蚀的工艺在抛光后的平板玻璃上刻蚀出三个入口的微流道、中间为有效微流道和一个出口的微流道，再将经过紫外光表面活性处理的PDMS薄膜与带有微流道的平板玻璃键合成微流控芯片，将刻蚀剂注入位于中间的刻蚀剂入口，隔离剂从位于刻蚀剂入口两侧的隔离剂入口注入，通过控制三路流体的流量比，能在已经成型的平板玻璃微流道中刻蚀出高深宽比的二次微结构。本发明在原有微流道的基础上进行二次刻蚀从而在原有微流道内部形成具有高深宽比的二次微结构。只需改变隔离剂与刻蚀剂的流量比即可控制刻蚀宽度，定时改变刻蚀剂和隔离剂的流量即可实现对二次微结构形貌的控制。
文档编号C03C15/00GK101531466SQ20091009705
公开日2009年9月16日 申请日期2009年3月30日 优先权日2009年3月30日
发明者新 傅, 杨华勇, 谢海波, 毅 郑 申请人:浙江大学