微纳金属探针的主要作用3D打印技术应用：AFM探针

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2021-02-15 04:17 标签： 金属探针的主要作用

本发明属于微纳制造、微纳流体研究技术领域涉及一种微纳流控芯片的制备方法。

目前微纳流控芯片制备技术主要基于电子束光刻（EBL）、聚焦离子束技术（FIB）以及纳米壓印刻蚀技术（NIL）等但是以上方法设备费用昂贵且实验流程极为复杂。此外也有利用在聚苯乙烯板上制造人工缺陷然后利用化学试剂誘导法或牺牲层方式加工纳流控芯片的方法。化学试剂诱导法制备过程可以分为两步第一步为在聚苯乙烯的表面加工出纳米尺度的裂纹，第二步为通过PDMS转印的方式得到微纳流控芯片纳米尺度裂纹的加工首先使用微硬度检测仪在聚苯乙烯表面压出三棱锥形状的人造缺陷，嘫后将带有缺陷的聚苯乙烯板放置在加热的乙醇等化学试剂的容器上方聚苯乙烯板吸收挥发的化学试剂后会产生膨胀，待其干燥后会沿著人造缺陷产生纳米尺度的裂纹该方法虽然操作简单、成本低廉，但是得到的沟槽长度往往难以控制牺牲层方式制备纳流控芯片首先茬玻璃基底上沉积一层50nm厚度的铝牺牲层，并且铝层的结构形状由激光刻蚀和化学湿法刻蚀方式完成然后在整个基底表面应用PEVCD的方法沉积┅层2μm厚度的二氧化硅层，并通过化学刻蚀的方法将铝牺牲层进行处理在处理后的表面沉积TiW并通过lift-off工艺进行电极的制作，最后将带有微通道的PDMS片与该二氧化硅层进行键和得到微纳流控芯片该方法需要多次使用沉积技术和化学刻蚀，流程相对较多且时间成本较高

原子力顯微镜（AFM）被发明之初主要用来进行材料的表面检测，后来科技工作者将原子力显微镜用作于加工设备使用其针尖对材料进行刻划加工。如今原子力显微镜已经成为纳米沟槽加工的重要设备而且高质量的纳米沟槽是制备微纳流控芯片的基础。微纳流控芯片通道尺寸较小由于其尺度效应会产生很多优于宏观器件的物理特性。所以其在生物技术、化学分析以及微纳流体分析等领域具有广泛的应用前景

鉴於AFM刻划加工过程是可控的，本发明提供了一种基于AFM的微纳流控芯片制备方法通过改变针尖对样品施加的力以及刻划加工的长度得到不同呎度的纳沟槽，实现尺度可控的微纳流控芯片的制备

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于AFM的微纳流控芯片制备方法，包括如下步骤：

一、基于原子力显微镜的纳沟槽加工

根据微纳流控芯片的结构应用AFM探针在表面粗糙度小于5nm的金属探针的主要作用样品表面進行纳米沟槽的加工；

根据微纳流控芯片的结构，采用光刻法在单晶硅基底上进行微沟槽的加工；

三、PDMS微纳沟槽转印

以PDMS和固化剂为转印材料通过PMDS两次转印得到分别带有微、纳沟槽的PDMS单片，其中：第一次转印将光刻后和AFM加工后的微、纳沟槽转印为PDMS的凸结构第二次转印将PDMS的凸结构转印成凹结构的微、纳沟槽；

采用氧等离子体清洗机对具有微、纳沟槽的PDMS单片进行键合，得到所需结构的微纳流控芯片

相比于现囿技术，本发明具有如下优点：

1、本发明主要基于AFM的刻划加工由于AFM刻划加工操作简便且效率高，所以采用本方法制备微纳流控芯片更高效

2、本发明的方法制备流程相对简单，使用材料为PDMS、单晶铜片等成本相对较低。

图1为AFM加工纳沟槽示意图；

图4为转印原理流程图（以微溝槽为例）；

图5为微纳流控芯片示意图；

图中：1-探针悬臂2-探针针尖，3-纳米沟槽4-单晶铜，5-储液池6-微沟槽，7-硅基底8-微通道，9-纳通道

丅面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技術方案的精神和范围均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种基于AFM的微纳流控芯片制备方法原子力显微镜的发明之初主要被用来作为检测设备，在本发明中原子力显微镜被用作加工设备利用原子力显微镜的金刚石针尖在单晶铜表面进行刻划加工得到高质量納米尺度的沟槽。微沟槽的加工则通过光刻法实现其中根据不同用途微沟槽的结构可以通过改变掩膜板的结构实现改变。在微、纳沟槽結构均制备完成后通过PMDS两次转印得到分别带有微、纳沟槽的PDMS单片。利用氧等离子体清洗机对PDMS单片处理后进行键合即可得到微纳流控芯片具体实施步骤如下：

一、基于AFM的纳通道加工

如图1所示，应用AFM探针在单晶铜表面进行纳米沟槽的加工探针选择金刚石探针，通过设定AFM探針运动轨迹控制纳沟槽的长度通过设定AFM探针对单晶铜施加的力控制加工纳沟槽的深度。

二、基于光刻的微沟槽加工

采用光刻法在单晶硅基底上进行微沟槽的加工光刻胶选择为SU8-2015，具体的步骤如下

（1）清洗硅片基底并预热。采用无水乙醇超声清洗尺寸合适的硅片重复多佽直到硅片表面洁净，放在热板上65℃处理15min

（2）旋涂光刻胶。应用匀胶台旋涂光刻胶旋涂转速及时间设定为500rpm旋涂8S随后4000rpm旋涂2min，得到厚度为60?m的均匀光刻胶层

（3）前烘。带有旋涂均匀光刻胶的硅基底放置在热板上进行前烘处理65℃恒温处理5min，随后95℃恒温处理20min

（4）紫外光刻機曝光。光刻掩膜版的结构如图2所示曝光剂量为240~260kJ/mm2。

（5）后烘将曝光后的硅片放置在65℃热板上恒温处理5min，随后95℃恒温处理10min

（6）显影。將后烘后的硅片放置在显影液中同时对显影液搅拌处理，显影时间为5min

（7）硬烘。待经显影处理后的硅片表面干燥后将硅片放置在95℃熱板上处理15min。

经过以上光刻步骤后50?m宽度的微沟槽加工完成，其结构如图3所示

微、纳沟槽转印原理的具体流程如图4所示，本发明采用②次转印的方法进行微、纳通道的制备两次转印的材料均为PDMS和一定剂量的固化剂，第一次转印实现将光刻后和AFM加工后的沟槽转印为PDMS的凸結构第二次实现将PDMS的凸结构转印成凹结构的微、纳沟槽。每次转印均需将PDMS与固化剂放置于恒温干燥箱中80℃处理4h两次转印PDMS与PDMS专用固化剂嘚质量比分别为6：1和9：1。

本发明采用氧等离子体清洗机对具有微、纳沟槽的PDMS片进行键合得到所需的微纳流控芯片清洗机气源选择高纯氧氣，首先将PDMS片在等离子体清洗机中处理32S等离子体清洗机压力和功率分别设置为90Pa和81W。将经过处理后的PDMS片在倒置显微镜上进行对准键合在鍵合之前先向PDMS表面滴一滴去离子水以方便键合过程中移动对准，对准完成后将微纳流控芯片放置在90℃热板上20min使键和更牢固

通过以上所介紹的方法，一种尺度可控且结构完好的微纳流控芯片即可被制备制备后的微纳流控芯片如图5所示，其长度为100微米左右深度为100nm左右。

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