第1章绪论
1.1制造业
制造业是指机械工业时代利用原材料按照市场要求，通过制造过程，转化为可供人们使用和利用的工具、产品的行业，其重点在于满足指定的功能要求和所需的性能指标，是社会、经济、生产力发展的基础。制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。
我国制造业的主体是包括农副食品加工业、纺织业、冶金业、工艺品加工业等在内的传统制造业，它们构成了我国现代化产业体系的根基。目前，我国传统制造业具备世界上规模*大、门类*齐全、体系*完整、国际竞争力较强等优势。然而，与世界先进水平相比，我国制造业仍然大而不强，在自主创新能力、资源利用效率、产业结构水平、信息化程度、质量效益等方面差距明显，转型升级和跨越发展的任务紧迫而艰巨。特别是近年来，欧美等国家对我国发起“贸易战”、“汇率战”、“成本战”多重攻势：一方面通过征收惩罚性高关税构筑贸易壁垒，另一方面提高进口原材料价格形成成本挤压，叠加人民币升值带来的出口竞争力削弱，致使制造业投资营商环境面临全方位恶化，传统制造业的转型升级已迫在眉睫。先进制造业既包括新技术催生的新产业、新业态、新模式，也包括利用先进技术、工艺、流程、材料、管理等改造提升后的传统产业。加快发展先进制造业是实现发展方式转变的重要抓手，是破解发展不平衡不充分问题的重要途径，也是建设现代化经济体系的重要支撑。
2015年，国务院印发了部署全面推进实施制造强国的战略文件。当前，新一轮科技革命和产业变革与我国加快转变经济发展方式形成历史性交汇，国际产业分工格局正在重塑。西方发达国家开始把国家发展战略重新聚焦于先进制造业领域，加大了对本国制造业的支持力度。世界正处于大国博弈加剧、国际贸易秩序重塑的状态。特别是中美博弈的长期性、复杂性和反复性使得中国制造业面临多重挑战。因此，我们必须紧紧抓住这一重大历史机遇，实施制造业强国战略，加强统筹规划和前瞻部署，力争到新中国成立一百年时，能突破技术封锁，实现制造业自主化，把我国建设成为引领世界制造业发展的制造强国，为实现中华民族伟大复兴的中国梦打下坚实基础。
1.2微纳加工
21世纪，系统微型化革命已进人了新时代，也就是纳米时代。人类在微型化道路上从微米到纳米的过渡，不仅仅是量的过渡，也代表了质的跃迁。随着微纳米技术的不断发展，以形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微纳加工技术已成为人们在微观领域认识和改造客观世界的有效手段。微纳加工也因此成为先端制造技术的代表并受到高度重视，已被许多发达国家列为21世纪发展的关键技术之一"。
1.2.1微纳加工技术的起源
1959年费曼提出了纳米技术的概念；谷口纪男在1974年*次使用“纳米技术”这个词。20世纪80年代，微纳米技术领域取得了一系列重要突破。IBM公司的研究团队在1980年做出了直径小于400nm的多晶体金属环，为纳米电子器件的制作奠定了基础。次年，扫描隧道显微镜（scanning tunnel microscope，STM）的发展使科学家*次能够观察到单个原子，开创了局部世界的新纪元；1985年，斯坦福大学的奎特教授和IBM公司科学家宾宁及罗雷尔发明了原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）。同年，克罗托在石墨上利用激光制作碳簇，发现了C6。和C7。两种不同的物质；1988年，拜必序团队开发出铁铬（Fe/Cr）纳米多层膜，在低温下改变磁场，电阻会产生急遽的改变，为磁性纳米层的性质提供了新的认识;1990年，IBM公司科学家艾格勒使用AFM将35个氙原子拼成了“IBM”商标，*次公开证实了在原子水平有可能以单个原子精确生产物质；同年，国际纳米科学技术会议与国际扫描隧道显微学会议的举办标志着纳米科技的正式诞生，科学家们正式提出了纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学和纳米机械学的概念，并决定出版相关国际专业期刊。
1.2.2微纳加工技术的发展历程
微纳制造的技术及材料，直是建筑纳米科技大厦的基石。从技术和材料两方面分类，微纳加工技术可分为：微细机械加工、激光微纳加工、曝光-刻蚀、电化学加工、压印技术、微流控制造技术、纳米材料的化学合成及自组装加工技术等。
集成电路集成度已经进人了3nm的工艺节点，韩国三星电子和中国台湾积体电路制造股份有限公司基于极紫外光刻技术积极推进3～5nm的芯片开发和制造。2024年2月，荷兰阿斯麦（ASML）公司已正式推出面向2nm及以下工艺的新一代高数值孔径极紫外光刻机。
我国通过多个大型项目和专项进行光刻技术和产品的攻关，取得了较快的发展。2018年，中国科学院研制的“超分辨光刻装备”通过验收，光刻分辨力达到22nm，同时将*新型双重曝光技术应用于生产后，未来还有希望用于10nm级别芯片制造、批量生产。2020年，复旦大学Xiong研究组和美国Arnold研究组*次提出基于嵌段共聚物边界外延法的定向自组装光刻技术。该技术不仅简单有效，而且能够形成各种复杂的结构，对微电子器件的制造具有重要意义。
*近，中国科学院开发出的无掩模光学投影纳米光刻技术，通过一次曝光实现了32nm的*小特征尺寸U/12）。该系统采用中心波长为400nm、脉冲宽度为100fs、重复频率为80Hz的飞秒激光，100倍油浸物镜，非化学放大负性光刻胶AR-N7520（膜厚155nm），使用空间滤波器消除高频噪声，利用光束拦截法截取中心光斑进人数字微镜器件，提供均匀照明，并使用快门控制曝光时间、衰减器控制激光功率密度。该系统利用非化学放大光刻胶的化学非线性以及飞秒脉冲辐照增强的光学非线性，使得分辨率超越了衍射极限。
微纳加工技术在各个领域都有广泛应用。在电子学领域，微纳加工技术可以制造出高性能的集成电路、光学器件和传感器等。在生物医学领域，微纳加工技术可以制造出生物芯片、药物递送系统和生物传感器等。在能源领域，微纳加工技术可以制造出太阳能电池、燃料电池和储能器件等。在环境领域，微纳加工技术可以制造出气体传感器和水质检测器等。此外，微纳加工技术还可以应用于国防、交通运输、通信、农业等多个领域。微纳加工技术已渗透到我们生活的方方面面，也是助力制造业创新突破的强大力量。
1.2.3微纳加工技术未来的发展趋势
随着科学技术的不断进步和应用需求的不断升级，微纳加工技术将面临更多的挑战和机遇。未来，微纳加工技术有以下发展趋势：
（i）以能源、环保、医疗为导向的新技术开发是未来的一大趋势；
（ii）智能加工设备的出现将提高加工精度和效率；
（iii）微纳加工技术的发展还将涉及集成与制造、自组装、量子调控等多个领域;
（iv）激光加工和电子束加工是当今微纳加工领域中两种重要的加工技术，它们的不断创新和完善将为微纳米器件的制备提供更多可能性，推动微纳技术的发展。随着技术的进步，激光加工和电子束加工必将在微纳加工领域发挥越来越重要的作用。
智慧产品，因“小”而美；未来世界，因“微”而变。21世纪，地球面临着人口膨胀、资源匮乏、能源成本不断攀升等重重危机的挑战。微纳制造技术的出现，伴随着人们对更高科技、更省能节料、更品质优良的期待，似是抚平地球“创伤”的一剂良药。
1.3生物医学中的微纳加工及其应用
由于微纳加工技术的先进性，以及我国健康中国、中国制造2025等国家战略的提出，微纳加工技术在生物医学领域的研究和开发日益深人，已广泛应用于生物医学的各个方面，特别是生物检测、肿瘤早期诊断、药物筛选、药物递送等。微纳加工技术与生物纳米技术的深度融合在生物医学领域的发展中占据了重要地位，为生物医学领域发展注人了新动力。主要体现在以下几个方面。
1.3.1微流控技术
微流控（microflrndics）技术是对微量流体精确操控的技术手段，尤其在亚毫米尺寸级别。流体尺寸缩小到微尺度时，流体的比表面积增大，有着与本体流体不同的行为。与本体系统相比其特性包括传质和传热速度快、试剂消耗低、流体在微尺度上的精确操作、均相反应等。微流控芯片（microfluidicchip），又称实验室芯片（lab-on-a-chip，LOC）或微全分析系统（micrototalanalyticalsystem，MTAS），是将生物和化学领域的基本操作单位集成于小型芯片上，芯片制造是微流控技术的主要实现途径。该芯片由多种储液池和互连的微通道网络组成，显著缩短样本处理时间，通过精密控制液体流动实现试剂耗材的*大利用效率。它在微芯片上整合了化验室功能，包括采样、稀释、加试剂、反应、分离和检测。从1975年，斯坦福大学的Terry等在硅制芯片上发明了*个实际应用“微流体”平台的芯片，至2020年，经历了四十多年，微流控技术在化学、生物医学、微生物学等多领域取得显著成就。图1-1列出了促进微流体发展的一些*重要的突破。
图1-1微流体装置制造发展的重要基准[1]
微流控芯片的基底材料种类繁多，早期主要采用硅、玻璃和石英等无机材料，但由于易碎、加工复杂等缺点，逐渐转向聚合物材料，如聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate，PMMA）、聚碳酸酯（polycarbonate，PC）、聚苯乙烯（polystyrene，PS）等，以及水凝胶和纸基材料。水凝胶具有亲水性的疏松多孔结构，适用于分子生物学和细胞生物学领域。纸基微流控芯片技术以纸或类似纸的薄层纤维材料为基质，具有成本低廉、易携带和操作简单等优点，适用于微量样品检测。此外，复合材料也被成功应用于微流控芯片的制备，包括有机材料基、金属基、无机非金属基等多种复合材料。这些基底材料的不断创新和发展，为微流控芯片的应用提供了更多可能性。
微流控芯片多采用光刻法、模塑成型、2D/3D打印法、激光烧蚀、射出成型和芯片键合等方法制备，其中前二种方法*为常见。
1）光刻法
图1-2展示了硅基微流控芯片制备中的典型光刻过程。*先，在硅片表面倒人常用的负性光刻胶SU-8，通过旋涂形成均匀的一层光刻胶。烘干后，使用365nm波长的紫外光源（不同光刻胶可能有不同曝光波长）透过掩模版曝光光刻胶。曝光时间与光源强度及光刻胶厚度相关。SU-8光刻胶（负胶）表面曝光区域被固化，*终通过显影冲洗曝光过的微结构留下硅片表面。
图1-2微流控芯片常用光刻制备流程示意图
2）模塑成型
模塑成型是一种软光刻方法，主要通过制备硬质材料模具，将流体聚合物材料倾倒在模具上，然后采用加热、紫外曝光等方式固化成型。聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）是广泛使用的模塑成型材料，其模具通常使用经光刻加工的SU-8。步骤如图1-3所示，前几步与光刻法相同。模塑成型可实现微结构尺度*小达100nm，深宽比达24:1，完全满足微流控芯片的应用需求。
图1-3以SU-8为模具材料的PDMS模塑成型过程
3）2D/3D打印法
2D打印是一种用于加工微流控芯片或微流控芯片倒回模具的方法，常用于纸基微流控芯片，由亲水性纸材料浸渍疏水油墨形成微通道，图案精度受打印机或丝网精度限制，通常在80～400叫之间。3D打印技术是通过3D打印机直接制备微流控芯片或倒回模具的技术。使用PDMS、SU-8等制成的微结构可通过喷墨或丝网印刷直接沉积在玻璃或聚合物基底上形成微流控芯片。
模塑成型法更适用于批量生产，适用范围更广。微流控芯片内部通常具有微小复杂的微通道，上述方法制备的微流控芯片微通道一般是不封闭的。而液体只有在封闭的微通道内才能借助毛细力等实现流动，需要对成型的微流控芯片基底和盖片进行键合。
近年来材料科学、微电子学、微分析、微纳加工技术等多学科的不断发展进一步推动了微流控技术的进步。目前微流控芯片技术已广泛应用于临床检测、药物筛选、可穿戴医疗器械、食品和农业应用等
展开
