基于MEMS的条栅状微过滤器的设计与制作-上海联兵环保免费电话：400-600-5030

(1·中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室,长春130033;2·中国科学院研究生院,北京100039)
摘要:为了满足微型全分析系统对样品分离的集成度要求,提出了一种新型的微分离技术。利用MEMS技术设计制作了一种条栅状的硅微结构的过滤器,线宽14μm,周期40μm。介绍了其制作工艺,并用碳化硒微粒做了过滤实验以验证其过滤效率。结果表明,这种硅微过滤器能有效去除悬液中直径在14μm以上的微粒,且生物兼容性好,结构简单,易于实现片内集成。
关　键　词:微型全分析系统(μTAS);血细胞分离;微过滤器;MEMS;微分离技术
中图分类号:TP65+2·1　　　文献标识码:A
1　引言
微型全分析系统(micro total analysis system,μTAS)包括进样、分离和检测,广义的还涉及到反应和输运[1],其最终目标是在微芯片上实现化学全分析,以取代常规分析实验室的所有功能[2]。采用传统离心和磁分离的方法,设备体积大,且分离过程独立于微芯片之外,容易导致样品的污染,且不利于微型分析系统的集成化[2],已不能满足μTAS发展的需要,有必要发展一种新的微分离技术。
在所有的分离方法中,过滤被认为是最有希望实现临床检验的方法[3]。J·P·Brody[4]等人设计了具有多种尺寸的平面微过滤器,可以过滤16μm的微粒。Yong-Kyu Yoon[5]等人在镀铬玻璃上用SU-8光刻胶通过多方向曝光的方法加工出最小12μm的垂直网格,用于过滤感光乳胶颗粒。Wilding[6]等人在曲折的微通道内刻蚀出若干柱子的阵列,称为栅栏状过滤器。He[7]等人在缓冲液池或样品池的底部微加工过滤床,称之为横向过滤器。Cheng[8]等人设计的梳状过滤器和Wilding[9]等人设计的围堰式过滤器均能很好地和微芯片兼容,而且用人的细胞做了相关测试。Nicholas J·Panaro[10]等人在硅芯片内刻蚀出667根间距为3·5μm的柱子阵列,用来分离白细胞和进行PCR反应。
作为发展微型生化分析系统的一部分,希望设计一种结构简单、体积小、便于集成的微过滤器,以实现对血细胞的分离。本文利用MEMS技术设计制作了硅微结构的条栅状过滤器,用于分离的研究,给出了具体的制作工艺,并用大小不同的碳化硒微粒做了原理实验以检验其过滤性能。
2　设计与制作
在设计微过滤器时,至少有两个问题需要考虑:(1)过滤器的结构。传统的过滤器称为膜,透过性和筛选性是膜的两个重要特性[3]。如果把微过滤器近似看作一种滤膜,由于其孔径大,透过性好,因此流体流速快,过滤通道不容易堵塞,但筛选性差,只能过滤比其孔径大的微粒;(2)制作工艺。微过滤器的制作工艺要尽量简单,掩模版的使用以及硅-硅键合、高聚物键合的次数要尽量少[4]。基于这些考虑,本文设计了在硅基底上刻蚀出深200μm的矩形槽,并在槽的底部刻蚀线宽10μm(理论设计)、周期40μm、有效过滤面积为10 mm×3 mm的条状网栅,形成条栅状微过滤器(图1)。加工时双面光刻一次,不需要掩模版的堆迭,也不需要硅-硅或者硅-玻璃的键合,干法刻蚀则可保证狭缝的尺寸和垂直度。

微过滤器制作采用的是硅微细加工工艺和硅深层刻蚀工艺。首先,取一片<100>晶向、厚度为280μm的硅片,在其表面蒸镀一层铝作为掩模。用匀胶机(Karlsuss CT62,德国)在铝膜表面旋涂一层厚度均匀的光刻胶(BP218-30,国产)(图2a),匀胶速度为3 000 r/min,时间30 s。在热板上前烘160 s,温度120℃。然后用双面对准光刻机(Karlsuss/MA6/BA6,德国)进行曝光,时间20 s,经显影(AZ300MIF)60 s后清洗,吹干,得到光刻胶掩模图形(图2b)。再在120℃热板上坚膜180 s,并用铝腐蚀液腐蚀得到铝掩模图形(图2c)。为了防止正面图形被破坏,特别是显影液对铝膜的腐蚀作用,在加工背面图形之前,应对正面图形进行保护,在其表面涂一层厚胶(BP218-60),坚膜后作为保护层。接着,光刻硅片的背面,经过显影后得到光刻胶掩模图形(图2d)。腐蚀铝条件与前面相同(图2e)。去胶后,在背面旋涂一层厚胶作为保护层,即可进行ICP(感应耦等离子体)刻蚀。
考虑到硅深刻蚀的深宽比问题,于是采用双面刻蚀的方法,正面刻蚀条形栅格,深70μm,线宽10μm,背面刻蚀矩形槽,直至刻透硅片形成过滤通道。使用ALCATEL 601E ICP刻蚀机(法国)刻蚀硅片正面(图2f),功率1·3 kW,工作气体为SF6和C4F8,气体流量分别为标准状况下300 mL/min和500 mL/min,刻蚀温度10℃,时间9 min,刻蚀深度70μm,得到正面条栅结构的图形。然后再ICP刻蚀背面(图2g),功率2 kW,在0℃下刻蚀35 min,把硅片刻透形成过滤筛。最后经过去胶、清洗处理,去除铝保护层,实际得到条栅状的硅微过滤器(图2h),过滤面积为10 mm×3 mm,厚度70μm,线宽14μm,周期40μm,实际加工的狭缝线宽比理论设计的尺寸要大,这主要是由于侧蚀引起的。图3所示为制作好的微过滤器及局部显微照片。
3　实验与分析
为了确定微过滤器的过滤效率,用大小为1μm~100μm的碳化硒微粒做过滤实验,比较过滤前后混合液中单位体积内的微粒含量。图4为过滤装置的示意图,连接处用胶严格密封。取一定量大小不同的碳化硒微粒,加入去离子水后充分搅拌混合,配制成均匀的混合液。用移液器吸取一滴(5μL)于导电玻璃片上,静置烘干后,碳化硒微粒粘附于其上,得到原液的微粒样品。通过微过滤器过滤后,收集滤液一滴(5μL)于导电玻璃片上,烘干,制成过滤后的微粒样品。


为了定量分析微过滤器的过滤效率,取相同体积混合液的等分试样,分别在扫描电镜下观察原液样品和过滤后的滤液样品[5],如图5所示。过滤后,大量的碳化硒微粒被截留在过滤器上,也就是说,大于14μm的微粒无法通过,而小于14μm的微粒通过微过滤器进入滤液。在相同的放大倍率下,计算导电玻璃上单位面积内的碳化硒微粒数,多次计算后取平均值。由图6可以看出,经过微过滤器过滤后的液体中,碳化硒微粒的个数明显减少,典型的15μm微粒的个数减少至原液的6%左右,大于20μm的微粒几乎没有,5μm~15μm之间微粒的减少一方面是由于小微粒粘附在微过滤器的表面条栅上,另一方面是由于狭缝很深,有足够的空间容纳比狭缝小或者与狭缝尺寸相当的小微粒,这也是引起过滤通道堵塞的原因。
由图7可以看出,该硅微过滤器对直径为15μm的微粒具有很好的分离作用,这是由微过滤器的通道线宽决定的,因为所加工的微过滤器线宽为14μm。实验说明了该微过滤器能有效过滤分离直径大于14μm的微粒,通过改变掩模版的设计可以改变条栅的线宽,以分离不同大小的微粒。相比较于高聚物的滤膜,硅微过滤器对细胞和生物大分子的粘附性较小,结构简单,便于清洗,可以重复使用。


4　结论
样品的过滤分离在生化检测和分析化学领域中有着广泛的应用,是微全分析系统的必要环节。基于MEMS工艺设计制作了条栅状的硅微结构过滤器,通过实验测试了微过滤器的过滤效率。通过ICP干法刻蚀出线宽14μm、周期40μm、厚度70μm的硅过滤筛,保证了狭缝的垂直度。此种结构的过滤器能处理几十微升的样品。由于光刻工艺的限制,微过滤器条栅线宽的极限尺寸是1μm,有可能去除最小直径为1μm的微粒,这个尺寸范围能够满足血细胞分离的要求。硅微结构的微过滤器由于尺寸精确,生化兼容性好,便于微小型生化分析系统的集成,随着进一步的研究和微细加工技术的提高,在微流控芯片领域将具有广阔的应用前景,可推动微型全分析系统的实现。

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