基于数字光刻投影系统的快速微加工技术

张雅雅，崔建国

（重庆理工大学 药学与生物工程学院，重庆400054）

引言

随着微流体芯片逐步成为当前微全分析系统的研究热点，其在化学、医学和生物分析等领域中的研究变得非常活跃［1］。微流体芯片的快速加工成型技术也相应地得到了大量关注与发展，例如软光刻技术的出现［2］。近年来对于微流体芯片的加工，已经形成用高精度的消费电子产品来简化精密加工的趋势，例如：借助商用的打印机或投影仪，作为一种廉价的加工工具，用于快速复制精密微观模型而得到广泛研究［3－5］。激光打印机被用于制作透明掩膜（替代了传统的硬铬基掩膜），通过投影仪显像微观精密图形可直接投射且曝光在光敏膜上［6－7］。虽然这种技术只能实现100μm左右的精度，但它可以大大减少微观结构成型过程中的时间周期及成本。Chengliang Di等人设计了一种干涉聚焦方法，通过对光学路径的改进，可以实现激光投影光刻中晶片上的理想定位，同时在涉及到目标物畸变时，该方法可以具有纳米级的敏感度；与传统方法相比，这种方法具有明显的准确度和适应性［8］。Waldbaur A.等人使用定制的DMD光刻系统作为蛋白质图谱发生器，消除了昂贵的、不灵活的、难以处理的静态掩膜设计过程，且可以在5mm2的芯片上实现像素尺寸约为2.5μm，该系统可以加工出的基底尺寸范围可从μm2级到mm2级［9］。Siwei Zhao等人提出一种投影仪直接投射于干膜光刻胶（DP2）上的方法，这种方法利用非接触式直接掩膜设计，曝光于光敏聚合物上以形成结构，在普通的实验室中，用这种方法可以在1h内制 作 出 复 杂 的 三 维 微 流 体 结 构［10－11］。Kejun Zhong等人通过使用数字无掩膜灰度级光刻技术，制作出凹和凸的光刻胶阵列，再利用复制模技术，制作出对应的凸和凹的PDMS透镜阵列［12］。

综上所述，本文通过对一台商用投影仪进行光学投影改装，利用缩小投影曝光技术的原理，可以在PDMS材料表面加工微流路结构［13－14］。重要的是，本改装技术不需要昂贵且复杂的精密镜头组，整个微流路加工过程也不需要超净间、光刻机这样昂贵的工作环境和专用设备，在普通实验室利用此数字光刻投影系统（DLPS）可以在3h内完成全部微流体芯片的设计和制备，为微流体芯片的快速加工成型提供了有效的途径。

1 实验

1.1 材料

聚二甲基硅氧烷（PDMS，俗称有机硅）作为一种常见的高分子聚合物材料，具有低成本、低表面能、良好的透光性、耐久性、绝缘性以及生物兼容性等特点，使之成为制备微流体芯片和应用于软光刻技术的主要材料之一［15］。PDMS预聚物的获得：按质量比为10∶1，将PDMS主剂（Sylgard 184，Dow Corning）与其固化剂混合，充分搅拌5min，置于真空干燥皿中抽气15min，去除气泡，从而得到PDMS预聚物。随后把PDMS预聚物灌注到预先得到的dry－film光刻胶母膜上，抽真空10min后在80℃温度下加热2h，冷却后得到已固化的PDMS结构［16］。若将PDMS预聚物浇注于聚酯薄片上，设置涂层机（TC－108）的转速和时间，即可得到不同厚度的PDMS基片，最小可以得到约5μm厚度的薄膜。

本文 采 用 dry－film 光 刻 胶 （115T，Taiwan，40±2μm），替代了在超净间内加工微结构时使用的传统液体光刻胶。Dry－film最先用于印刷电路板的快速成型设计，与传统光刻胶相比，其具有以下几个优点：低成本、与无机金属或玻璃之间优秀的粘和性能、在酸碱性溶液中优秀的化学兼容性、短的加工时间和良好的生物相容性［10］。由于其以固体膜的形式存在，从而消除了对高精度旋涂过程的依赖，同时利用等离子辅助的热层压原理，可以构建悬浮的简单三维结构。除此之外，与传统的液体光刻胶相比，dry－film光刻胶提供了更有优势的光刻法性能［17］。

1.2 数字光刻投影系统（DLPS）

如图1所示，数字光刻投影系统（DLPS）所包含的部件有：数字光处理（DLP）投影仪（Dell－1210S）一台，可调焦光学镜头（40mm，F／2.41～2.55）一个，一台数字显微镜（金相测量显微镜）和一台计算机。DLPS投影仪的核心技术是反射式投影，透过颜色滤镜的光被传送至DLP反射镜，这些反射镜将RGB颜色排列成图像投射到屏幕上，也称为数字微镜设备（DMD）［18］。每个DMD都由数千个安装在隐藏式轭上的倾斜的微细铝合金反射镜组成，通过底层集成数字电路的电容放电来调整。DMD是目前唯一能用于快速且大批量光刻生产中的纯数字化空间光调制器，作为数字光刻的动态掩模，能实现实时、高效和低成本的图形转移，能解决传统的掩模光刻遇到的掩模板制作困难和成本高昂等问题［12，19］。任何使用方便的图像处理软件（如PowerPoint、CorelDraw）都可以用来设计图案。因此，通过计算机直接控制，该DLP投影仪可作为直接掩膜发生器和图形结构曝光单元。

图1 DLPS工作示意图Fig.1 DLPS working schematic diagram

为了使投影仪能够较好地显示微观图形，本文对投影仪原有光学路径上的透镜进行了改装，加入可调焦透镜组，将工作台与聚光镜头所在平面的聚焦距离设置为3cm，并通过投影仪自带的梯形失真修正功能进行图形矫正设置，即可得到一个清晰缩小的可曝光区域（长约2cm、宽约1.5cm）。具体数字光刻投影系统的成像原理如图2所示，其中对光路的改进主要是将投影仪原有的凹透镜（起到光线发散作用）改为凸透镜（起到汇聚光线获得缩小图像），其调焦范围约为2.8cm～3.8cm。把贴有Dry－film光刻胶的载玻片放置在曝光区域内，通过计算机图像处理软件的设计和控制，即可将任意结构图形曝光到光刻胶上。该曝光区域虽然会受DMD光栅效应影响，但对于尺寸在100μm左右的微结构来说，其影响完全可以忽略；若芯片含有多层结构，则可选择多次曝光的方法来得到该结构。受限于DMD对曝光区域的影响，本系统可得到精度为40μm的稳定结构。当对所需的微结构尺寸要求不是很严格时，这种方法完全适用于加工各种微流体芯片。

图2 数字光刻投影系统成像原理Fig.2 Imaging principle of DLPS

1.3 实验过程

使用数字光刻投影系统加工微流体通道结构的过程较为简单，不需要依赖超净间、光刻机这类昂贵的工作环境和专用设备，在普通实验室内3h即可完成复杂微流体芯片的制备。具体加工流程如图3所示。

图3 基于DLPS的微流控芯片加工流程框图Fig.3 Microfluidic chip process flow block diagram based on DLPS

1）Dry－film母模制备。首先，利用热层压作用（400kPa，55℃）将dry－film光刻胶紧密贴合在预清洁的透明聚酯薄膜基底上，在55℃和101 kPa条件下加热3min；其次，dry－film光刻胶通过数字投影光刻系统（DLPS）曝光，引发交联反应，随后再加热3min进行结构固化；最后，此样品在浓度为1%的Na2CO3溶液下进行喷雾显影45s，然后将显影后得到的干膜层在55℃温度下加热10min进行干燥处理，就可以得到带微结构图形的母膜。若想得到多层干膜微结构，可以将一个附加的干膜层通过层压到已成型的母膜上，再进行另一次光刻循环。简而言之，重复这些基本的步骤：层压、曝光、显影，多层的干膜微结构就可以直接产生，整个过程不需要使用任何传统的精密加工设备。

通过计算机软件设置微结构的线型宽度和曝光时间，光刻曝光的线型宽度和曝光时间对最后得到的微流体芯片通道结构尺寸有较大影响，图4为本文多次实验测得的4种主要线型在不同曝光时间下所得到的dry－film光刻胶母膜通道尺寸关系图。

2）键合封装。复杂的微流体系统一般包含不止一层微通道结构，通常都有2到3层PDMS薄膜和1到2层基底（金属材料、玻璃或硅片等）。因此，这就涉及到不同薄膜之间或多层薄膜与基底之间的键合封装技术。键合封装技术是微流体领域中最具挑战性的步骤之一，它包括对准和粘合两个重要因素［20］。研究者们通常都是对PDMS表面和基底进行氧等离子体处理，使PDMS表面从疏水性变成亲水性，从而达到很好的粘合封装效果。在对准方面，本文主要是利用微操作平台和显微镜进行光学对准。

图4 不同线型宽度和曝光时间得到的通道尺寸Fig.4 Channel size at different line widths and exposure times

3）验证应用实验。本文通过上述提及的微流体芯片加工技术，制作出长度相同、宽度不同的微凹槽PDMS微流路结构，并切割成合适大小，经过表面清洁处理，再将其键合到载玻片上，开展毛细吸附实验。此外，由于荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米绒毛和微米凸包，形成一层极薄的纳米级厚的空气薄膜，其尺寸远小于落在荷叶表面的灰尘水滴等，故具有优异的超疏水表面结构［21－22］。因此，本文借助数字光刻投影系统（DLPS）在PDMS材料表面上模仿制作了荷叶微观结构，开展了疏水性测量实验。

2 结果

图5展示了PDMS芯片的毛细吸附实验。将键合有PDMS毛细芯片的玻璃片一端垂直浸入红墨水中，可以观察到红墨水在芯片毛细流路中缓慢上升，其中b图中通道长度为8mm，自上而下通道宽度尺寸为40μm、80μm、130μm、160μm。

图5 毛细吸附实验Fig.5 Capillary adsorption experiment

图6 荷叶效应实现流程Fig.6 Implementation process of lotus effect

如图6所示，借助数字光刻投影系统（DLPS）在PDMS材料上模仿制作了荷叶表面微结构，并得到了直径为60μm与间隔为80μm的点阵结构和宽度为40μm的凹槽结构。值得注意的是，在点阵结构中，由于光刻胶和PDMS自身的特性，使得获得的结构并不是规整的小圆点，而是类似太阳的形状，其边缘有放射线的结构，因此实际凹凸结构尺寸小于60μm。如图7所示，通过JYSP－360接触角测定仪测试，本文制作的初始PDMS薄膜的表面接触角为100°±3°，而向带有结构的PDMS表面滴2μL的去离子水后，测得接触角为123°±3°，角度改变范围为17°～23°。

图7 JYSP－360接触角测定仪检测结果图Fig.7 Testing result of contact angle meter JYSP－360

3 结论

本文通过对商用投影仪进行改装，得到了一个数字光刻投影系统（DLPS），该系统可得到精度为40μm的稳定结构，当对所需的微结构尺寸要求不是很严格时，这种经济廉价的快速加工技术完全适用于制备各种微流体芯片。同时，本文通过毛细吸附和荷叶效应实验，验证和应用了此投影系统的实用性和可靠性。值得注意的是，该DLP系统仅需计算机软件设计和控制，无需特殊的微流体专业加工设备及超净间这样昂贵的工作环境，便可在普通化学或生物实验室快速开展PDMS表面微流路结构的加工。因此，该系统可在3h内完成复杂的微流体芯片的制备，完全可以作为传统经典微流体加工工艺的有益补充。

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