第 1章聚合物微器件及其制造工艺简介
1.1 聚合物微器件的发展现状
微机电系统(micro electro mechAnicAl system，MEMS)指特征尺寸在微米量级，器件尺寸在毫米量级，由电子和机械单元组成，采用批加工技术制造，集微型机构、微型传感器、微型执行器及信号处理和控制电路乃至接口、通信与电源等于一体的完成某种特定功能的微型器件或系统。 1987年，美国举行了 IEEE Micro-robots And Tele-operAtors研讨会，标题为 smAll mAchines，lArge opportunities的主题报告，首次提出了 MEMS概念，从此 MEMS为人类科技的飞速发展打开了一扇大门。
在 MEMS技术发展的初期，器件的制作通常借助成熟的半导体加工工艺，主要材料为硅、石英和玻璃等。但是硅材料不透可见光、脆而易碎，高平面度的石英和玻璃价格昂贵且加工工艺单一等缺点限制了其在多种微器件，尤其是在芯片实验室(lAb on A chip)技术上的应用。一方面，该类技术需要基材具有较好的生物兼容性且易于表面改性，从而获得多种表面特性；另一方面，由于检测的需要，基材应具有良好的透光性，以进行紫外检测或者激光诱导荧光检测；昀后，还希望基材具有良好的热与电的绝缘性，使得片上集成的功能单元不受相邻功能单元的影响，而昀终检测时也可以施加高电压获得高的检测效率和准确性。
聚合物材料种类繁多，某些聚合物材料以其耐氧化、耐腐蚀、易成形、熔点低、导电率低、抗冲击性能好等特点在 MEMS制造领域的优势已经逐渐显现，被广泛应用于微流控生物芯片、微型燃料电池、微阀、微泵等 MEMS器件的制造[1-3]。在 MEMS器件的制作中，聚合物已逐渐取代玻璃、石英、硅等材料，图 1.1为用各种聚合物材料制作的微器件[4-7]。聚合物 MEMS器件具有质量轻、体积小、耐腐蚀、绝缘性能好、尺寸一致性好、成形效率高等优点，在航空航天、精密仪器、生物与基因工程、生命科学、医药工程、信息通信、环境工程和军事等领域，尤其是微光学器件和生物分析芯片领域，有着广阔的应用前景。由于 MEMS制造技术本身特点的制约，复杂结构的微纳器件难以实现一体化制作，因此聚合物微器件的制造成为 MEMS技术中的关键问题。例如，在聚合物微流控芯片的制作中，微结构的成形，基片与盖片封接形成封闭的微通道网络，微阀、微泵等功能器件及其他各种聚合物微器件的封装及在 MEMS上的集成等。
·2·聚合物微器件超声波成形与封接技术
(A)微流控芯片[4] (b)微泵[5]
(c)微透镜[6] (d)微型燃料电池[7]
图 1.1 聚合物 MEMS器件
根据聚合物分子间作用力类型的不同及材料加工性能的差异，一般分为：1热塑性聚合物，这种聚合物的分子间作用力极弱，当温度超过材料的玻璃化转变温度 (Tg)时，材料变软且具有很好的可塑性，当温度降到 Tg以下时，材料的刚度又会恢复，具有较好的硬度和力学性能；2弹性聚合物，这种聚合物的分子间作用力较弱，在外力的作用下分子链很容易被拉伸或挤压，引起材料变形，但是当外力撤销后，分子会立即恢复原来的状态，这种聚合物硬度低、易变形；3热固性聚合物，这种聚合分子间作用力很强，甚至会形成晶胞，材料很难发生形变，一般在材料合成时，其昀终形状就已经确定，这种聚合物的重塑性较差。在微加工工艺中，常用的聚合物材料有聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃， PMMA)、聚碳酸酯( PC)、聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯( PET)、聚酰胺(尼龙， PA)、聚对苯二甲酸丁酯 (PBT)、聚甲醛( POM)、聚丙烯( PP)、聚丙烯醚( PPE)、聚二甲基硅氧烷( PDMS)、聚苯乙烯(PS)、聚砜( PSU)、聚醚醚酮( PEEK)、共聚环烯烃( COC)等。这些材料除 PDMS是弹性聚合物外，其他均为热塑性聚合物。目前，在微流控芯片的制作中，PMMA、PC及 PDMS是昀常用的聚合物材料。近期， COC[8]、COP[9]及 PET[10]等因其在光学和化学性质上的独特优势，而被用于微流控芯片制作方面的研究。
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因此，本书主要以聚合物微器件中发展昀迅速、影响昀广泛的聚合物微流控芯片这一领域为主要研究对象，开展超声波技术应用于聚合物，特别是热塑性聚合物微器件制作的研究与探索。
1.2 聚合物微制造技术
以典型的聚合物微流控芯片的制作工艺为例，图 1.2是聚合物微流控芯片的制作流程及主要加工方法，其中微结构的成形及微结构的键合封装是昀关键的两种工艺，它们直接决定着芯片的制作质量和后续使用效果。
图 1.2 聚合物微流控芯片制备的工艺流程和主要加工方法
·4·聚合物微器件超声波成形与封接技术
1.2.1 聚合物微结构成形技术
目前，聚合物材料的微结构成形方法主要有复制加工和直接加工两大类。其中，复制加工技术包括热压成形(hot embossing)、微注塑成形(injection molding)和紫外固化压印成形等。
(1)热压成形
[11]：将聚合物基片放置在带有微结构的模具上加热，使其软化，保压一段时间，等模具和待成形基片冷却至 Tg以下后脱模。
大连理工大学微系统研究中心研制的 RYJ-11型热压成形机 [12]，昀大加热面积达到 300mm×300mm，压力控制范围为 0～50000N，温度控制范围为 25～300℃，可满足大多数聚合物的成形要求。热压成形的优点是工艺过程可控性好，制作后的聚合物基片整体变形小；缺点是效率较低，根据结构的复杂程度不同，通常的生产周期需要几分到几十分。
(2)微注塑成形
[13]：用于批量生产聚合物微器件，效率很高。由于注塑采用颗粒料，在注塑机中加热挤压后成形，短时间内温度循环大，因此微注塑器件的热应力较热压成形大，聚合物基片易翘曲。另一方面，微结构的金属模具制作困难，设备投资较大。
(3)
紫外固化压印成形：由德州大学 Willson教授提出，主要工艺过程 [14]如下。首先制备高精度掩模板，要求掩模板对紫外光透明，在基板上旋涂对紫外光敏感的液态光刻胶；利用较低压力将模板压在光刻胶上，液态光刻胶填满模板空隙，从模板背面用紫外光照射，紫外光使光刻胶固化；脱模后，用反应离子刻蚀方式去除残留光刻胶，模板图案就可以复制到基板上。紫外固化压印技术不需要加热，可以在常温下进行，避免了热膨胀因素，也缩短了成形时间；掩模板透明，易于实现层与层之间对准。但紫外固化压印成形技术所用设备昂贵 [15]，对光刻胶的种类有所限制，而且由于没有加热过程，光刻胶中的气泡难以排出，易产生制造缺陷。紫外固化压印既是一种成形技术，又可以应用于纳米光刻。
与复制加工技术不同，直接加工技术是通过特种加工工艺，如激光烧蚀、超精密加工等方法，直接在聚合物材料上加工制得微结构。然而，在大批量器件的生产中，每个器件的制作时间并不会减少，其生产效率较低。表 1.1为以上各聚合物材料微结构成形方法的比较。
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表 1.1 聚合物材料上微通道加工方法比较
加工方法 直接加工法 复制加工法
微机械加工 激光烧蚀 光刻成形 溶剂刻蚀 电子束/等离子刻蚀 微注塑 热压
加工特点 设备来源广，操作简单、灵活，无须模具 操作简单，芯片局部受热，无加工应力，通道壁垂直且深宽比大 精度高 无须设备，速度快 速度快，精度高 成本低，效率高，操作简单，适于成熟产品的批量生产，可制造三维结构 成本低，复制精度高，芯片内应力小，操作简单，效率较高，适合小批量制作
局限性 精度很低，很难实现小尺寸结构的制造 设备要求高，微通道壁粗糙度大，精度不高 设备昂贵，工艺复杂，生产效率低，材料受到严格限制 对通道表面影响大，需考虑化学兼容性，材料受到限制 设备昂贵，工艺复杂 模具制作要求高，微结构成形精度不高，芯片内应力较大，一次性投资大 生产效率一般，不能制造三维结构
1.2.2 聚合物微器件键合技术
采用前述方法加工制得的微结构一般都不是封闭的，需要将带有微结构的基片与盖片进行封闭连接，以形成密闭的功能单元，这种将基片与盖片连接形成密闭功能单元的技术称为键合。键合是很多微器件制作过程中至关重要的工艺环节，直接影响着器件的制作质量和使用功能。衡量键合的效果，一般使用以下几个指标：
(1)
键合强度。键合强度是评价键合效果的重要指标，直接决定着器件的应用领域和使用寿命。在其他键合指标一定的情况下，键合强度越高，器件的可靠性就越高，其应用范围也越广。
(2)
微结构变形量。由于微器件结构本身的几何尺寸较小，键合过程中结构的变形极易引起器件使用功能的差异，甚至导致使用功能的丧失。较低的结构变形量是键合技术的重要指标之一，特别对于聚合物器件，由于材料本身的刚度较低，且其物理、化学性质受加工条件影响大，所以在键合过程中很容易造成微结构的变形[16]。
(3)
化学兼容性和生物适应性。一般情况下，在微器件制作之初，需要充分考虑基片和盖片材料在芯片使用过程中的化学兼容性和生物适应性。但是，有些键合方法中需要引入中间介质，或者有些键合方法中材料会发生降解或其他的化学反应而产生新的物质，所以要充分评价这些物质对后续分析过程中所用试剂的影响及对生物样本的毒性，以保证后期分析的可靠性和准确性。
·6·聚合物微器件超声波成形与封接技术
(4)
微结构表面特性。微结构表面形貌保持均匀一致，也是键合技术的重要目标之一。因为微结构中流体雷诺数较低，所以即便在较高的流速下液体仍能保持理想的层流状态，很多微器件分析技术是根据这一特性设计的。但是，某些键合方法会改变微结构表面的粗糙度，从而引起局部扰动使流体出现紊流，这会降低器件的可靠性。另外，均匀一致的微结构表面，能够减少光线的散射和检测信号的干扰噪声，这对基于光学检测的微器件非常重要。
(5)
键合效率和成本。对于小批量的实验用微器件，键合效率和成本并不会引起人们的关注，但是随着芯片商业化进程的加快，键合效率和成本逐渐成为评价键合方法的关键因素，这也是目前国际上研究键合工艺的主要热点。
另外，键合过程中还要兼顾基片与盖片材料的兼容性及与宏观器件连接时的难易程度等问题。一般情况下，很难找到一种能够同时满足这些要求的键合方法，所以在芯片的制作过程中需要根据其用途、材料特性等客观条件对键合效果进行合理取舍。
聚合物以其成本低廉、加工性能好等优点，已成为昀具商业化前景的微器件制作材料之一。目前，国际上大量的研究机构，针对聚合物微器件的键合技术展开了研究，并针对不同的应用要求提出了多种键合方法。这些方法大致可以分为无间质键合和有间质键合两大类。无间质键合主要包括直接热键合、表面改性热键合及局部热键合，而有间质键合主要包括胶黏结键合、溶剂键合。
1．直接热键合
直接热键合是目前聚合物微器件制作中使用昀广泛的键合方法，首先，将基片与盖片配合后放入加热腔内，然后利用加热装置对基片和盖片进行加热，与此同时对其施加一定的压力。当材料被加热到 Tg附近(或略高于 Tg)，并且压力达到设定的键合压力时，进入保温保压阶段。在这个过程中，由于受到较高的温度和外部压力作用，器件表面紧密贴合，分子间作用力不断增强。待保温保压一段时间后，开始对基片和盖片降温，当温度降低到材料的 Tg以下时，逐步卸载芯片上的压力，昀终基片和盖片会在表面分子间作用下实现键合。这种方法设备简单，可以与热压法制备微结构时使用相同的设备，也可以在恒温箱等简易设备甚至热水中完成，且这种方法材料的适用范围广，几乎可用于所有的热塑性聚合物和高弹性聚合物。目前，利用该方法已经成功实现 PMMA、PC、COC、COP、PET、 PDMS等聚合物微器件的键合。图 1.3所示为大连理工大学研制的塑料微流控芯片自动化制造系统和其中的热键合机。
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