专利名称：基于聚二甲基硅氧烷微小元器件的二次模板复制加工方法
技术领域：
本发明涉及的是一种以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基材的微小元器件的加工方法。
背景技术：
微机电系统(MEMS)技术是近年来发展起来的具有革命意义的综合性高新技术，它的技术核心是基于IC工艺和微机械加工技术。利用MEMS技术的体硅工艺，它可以在硅片上制作出微米甚至纳米级特征尺寸的微小元器件，为微纳米技术提供了工艺保障。但是，MEMS技术向其它各学科领域的不断膨胀和渗透，以及微小元器件材料的不断发展，对MEMS技术的要求更加深入也更加广泛了。
微元器件有一种日益广泛应用的材料是高聚物，尤其是硅橡胶或硅凝胶。这类高聚物具有非常理想的理化特性良好的绝缘性，耐高压性好，很好的热稳定性，很高的生物兼容性和气体通透性，同时又具备优良的光学特性，弹性模量低等。这些特性使这类材料适合作为微流控芯片的基底材料甚至整体材料，并且由于适用于多种检测方法(包括光学检测)，在微流体测控领域，特别是生物芯片领域有很大的应用前景。材料的特殊性决定了加工工艺的特殊性，对于这类高聚物材料采用浇注复制法是比较简捷并且实用的方法，适合批量化生产。那么，模板的制作也就成为了浇注如如硅橡胶等复制高聚物材料微小结构的技术核心。
目前，采用浇注复制方法制作高聚物微结构元器件的模板都是一次模板，用MEMS技术制作。模板主要有三种类型硅模板，玻璃模板，SU8/Si模板。其中，SU8/Si模板是最通用的，即用新型环氧负性光刻胶(SU8)在硅基片上通过光刻技术制作SU8的微沟道及其它微细结构。首先设计微结构，制作光刻掩模板，再用旋涂法在硅基片上涂敷SU8光刻胶，经曝光、显影、坚膜得到SU8光刻胶微结构。以此法制作SU8/Si模板工艺简单，微结构可具有高的深宽比，但因模板微结构底面是硅，也存在硅膜板脱模困难的问题，即浇注在硅膜板上的PDMS预聚体，固化后，硅和PDMS粘接牢固，PDMS元器件很难从模板上完好地剥离下来。微小结构PDMS元器件的其它材料模板，普遍都有脱模难问题。尽管有文献上报道，提出了解决方法，比如在模板上熏蒸一层脱模剂，如硅油，但是操作起来重复性不够好，不能完全解决脱模问题，而且增加了制作微小结构PDMS元器件的工艺复杂性。
发明内容本发明的目的在于提供一种工艺简单，重复性好，制作费用低，易于实现高精度复制和规模化生产的基于聚二甲基硅氧烷微小元器件的二次模板复制加工方法。
本发明的目的是这样实现的1、制作一次模板(1)模板的材料为双面抛光单晶硅片，(2)将洁净处理过的硅片热氧化，氧化层厚约6000，(3)采用预先制作的光刻板光刻氧化层，(4)采用ICP(Inductive Couple Plasma诱导耦合等离子)刻蚀或各相异性腐蚀工艺蚀刻，去氧化层，2、制作二次模板(1)把新鲜的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，俗称有机玻璃)平放到粉末压片机上，将做好的一次模板带有沟道的一面对着PMMA，将粉末压片机的上、下夹块旋紧，加0-0.5Mpa压力，(2)粉末压片机温控装置的目标温度调至90-120℃，升温，待上、下夹块升温至目标温度、恒温，保温1-10分钟，旋松下、上夹块，待夹块温度降至接近常温后完全旋开，取出PMMA二次模板在显微镜下检查图形；3、利用二次模板制作PDMS微小元器件(1)配置PDMS预聚体，在真空干燥箱内抽真空，排除预聚体中溶入的空气，(2)将已去气的PDMS预聚体浇注在PMMA二次模板上，在80℃以下进行固化，(3)固化好的PDMS元器件自然冷却至室温，从PMMA模板中小心地剥离，在显微镜下检查元件结构。
本发明方法的优点是工艺简单，成本低廉，解决了PDMS材料与模具之间的脱模困难问题，而且重复性好，易于实现高精度复制和规模化生产。
具体实施方式
下面举例对本发明作更详细的描述1、制作一次模板
(1)模板的材料为双面抛光单晶硅片，(2)将洁净处理过的硅片热氧化，氧化层厚约6000，(3)采用预先制作的光刻板光刻氧化层，(4)采用ICP刻蚀或各相异性腐蚀工艺蚀刻，去氧化层，(5)为提高一次模板的使用次数，可在硅片背面以静电键合法键合一7740玻璃。
2、制作二次模板(1)把新鲜的(刚揭去塑料膜的)PMMA平放到粉末压片机上，将做好的一次模板带有沟道的一面对着PMMA，将粉末压片机的上、下夹块旋紧，旋紧时保持上夹块是垂直下落，至旋紧。加0-0.5Mpa压力；上、下夹块、一次模板、PMMA片表面均应保持平行。
(2)粉末压片机温控装置的目标温度调至90-120℃，升温，待上、下夹块升温至目标温度、恒温，保温1-10分钟，旋松下、上夹块，待夹块温度降至接近常温后完全旋开，取出PMMA二次模板在显微镜下检查图形；3、利用二次模板制作PDMS微小元器件(1)配置PDMS预聚体，在真空干燥箱内抽真空，排除预聚体中溶入的空气。注意，对黏度较大硅凝胶在抽真空过程中，当液态PDMS上涌至快到烧杯口时，关机械泵和真空阀，开进气孔，使内外压力基本相同，待PDMS落下去以后，继续抽真空，如是重复，直至无气泡为止。
(2)将已去气的PDMS预聚体浇注在PMMA二次模板上，在80℃以下进行固化；固化温度和时间视具体的PDMS型号而定，但固化温度不可高于PMMA的软化温度。
(3)固化好的PDMS元器件自然冷却至室温，从PMMA模板中小心地剥离，在显微镜下检查元件结构。
下面是用本发明的方法制作集成毛细管电泳芯片的工艺先采用体硅工艺来制作一次模板取3双面抛光(100)硅片，清洗→氧化→光刻→ICP刻蚀→划片、去氧化层，制作出一次模板。以一次硅阴模板为母板，采用热压法制作二次模板取切割好的PMMA板和一次模板对齐，放置在769YP-15A粉末压片机上，夹好粉末压片机的上、下夹块，旋紧，加压至0.5MPa，升温至107℃，保温一分钟；然后，松开夹块，自然降温至接近室温，取出PMMA板，用三氯甲烷液体将PMMA片的四周粘上PMMA档板(防止浇注PDMS时液体流出)；二次模板制作完成。
集成毛细管芯片采用晨光公司的GN512有机硅凝胶。取M∶N成分体积比1∶1，混合，搅拌均匀；放入真空干燥箱，反复抽真空去气，得到无气泡、透明、粘稠状的有机硅凝胶预聚体；将预聚体倒入二次模板中，放入干燥箱中，升温至80℃，保温1小时，取出，自然降温至室温；小心剥离，得到固化好的有机硅凝胶集成毛细管电泳芯片的结构元件。集成毛细管电泳芯片微沟道宽100微米，高20微米。
下面是采用本发明的方法制作双腔体无阀微泵部件的工艺一次模板制作工艺步骤和集成毛细管电泳芯片的基本相同，只是一次模板制作时刻蚀微泵腔体是采用KOH各相异性腐蚀方法，另外，为提高硅基一次模板的寿命，在一次模板背面采用静电键合方法键合了7740玻璃，提高了一次模板的寿命。二次模板工艺步骤相同，只因泵腔体体积较大，因此，热压保温温度升至110℃，时间为3min。
权利要求
1.一种基于聚二甲基硅氧烷微小元器件的二次模板复制加工方法，其特征在于1.1制作一次模板1.1.1模板的材料为双面抛光单晶硅片，1.1.2将洁净处理过的硅片热氧化，氧化层厚约6000，1.1.3采用预先制作的光刻板光刻氧化层，1.1.4采用ICP刻蚀或各相异性腐蚀工艺蚀刻，去氧化层，1.2制作二次模板1.2.1把新鲜的PMMA平放到粉末压片机上，将做好的一次模板带有沟道的一面对着PMMA，将粉末压片机的上、下夹块旋紧，加0-0.5Mpa压力，1.2.2粉末压片机温控装置的目标温度调至90-120℃，升温，待上、下夹块升温至目标温度、恒温，保温1-10分钟，旋松下、上夹块，待夹块温度降至接近常温后完全旋开，取出PMMA二次模板在显微镜下检查图形；1.3利用二次模板制作PDMS微小元器件1.3.1配置PDMS预聚体，在真空干燥箱内抽真空，排除预聚体中溶入的空气，1.3.2将已去气的PDMS预聚体浇注在PMMA二次模板上，在80℃以下进行固化，1.3.3固化好的PDMS元器件自然冷却至室温，从PMMA模板中小心地剥离，在显微镜下检查元件结构。
2.根据权利要求1所述的基于聚二甲基硅氧烷微小元器件的二次模板复制加工方法，其特征在于制作一次模板时，蚀刻后在硅片背面以静电键合法键合一7740玻璃。
全文摘要
本发明提供的是基于聚二甲基硅氧烷微小元器件的二次模板复制加工方法。它包括模板材质——有机玻璃PMMA，模板加工方式为利用一次阴模板热压形成有机玻璃阳模，作为聚二甲基硅氧烷材质的微小元器件加工模板。其中一次阴模板材质为硅片，其加工方式为标准MEMS工艺。本发明方法的优点是工艺简单，成本低廉，解决了PDMS材料与模具之间的脱模困难问题，而且重复性好，易于实现高精度复制和规模化生产。
文档编号B81C1/00GK1789108SQ20051012739
公开日2006年6月21日 申请日期2005年12月28日 优先权日2005年12月28日
发明者刘晓为, 王蔚, 田丽, 张宇峰, 宣雷 申请人:哈尔滨工业大学