專利名稱：動態(tài)納米刮印結(jié)合等離子體聚合制作納米通道的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微納米流體通道的制作方法，屬于微納流體系統(tǒng)制作技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，微系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成為發(fā)展高新科技產(chǎn)業(yè)的一個重要源動力。微納流體系統(tǒng)作為微系統(tǒng)技術(shù)的一個重要分支，越來越受到科研單位和學(xué)者們的廣泛關(guān)注和研究。它一般定義為流體流動的通道一維以上的截面處于數(shù)百到幾個納米的尺寸范圍。流體在其中傳輸具有特異的性質(zhì)，能使得主導(dǎo)宏觀和微米量級流體傳輸和分子行為的許多物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。微流體在納米流體通道中可控、可測且可大規(guī)模集成。對于此系統(tǒng)的研究突破了一些重要的傳統(tǒng)理論，它的應(yīng)用領(lǐng)域已輻射到納電子系統(tǒng)制造、集成電路冷卻、光學(xué)元件制作、蛋白質(zhì)結(jié)晶、藥物檢測、毛細管電泳分離技術(shù)等，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。現(xiàn)有用來制作納流通道的材料主要有玻璃、SiO2, SiN和一些聚合物等。制作方法主要是先通過電子束光刻或聚焦離子束刻蝕等技術(shù)在模板上制作出納米線槽，再通過平面熱壓或低壓鍵合方式在對納米線槽進行頂部密封，形成通道。但是玻璃材料制作工藝復(fù)雜、 鍵合難度大；硅材料易脆、不透光、成本高、電絕緣性不夠好。刻蝕結(jié)合鍵合的工藝流程繁多，影響制作質(zhì)量的負面因素增多，而且每次只能單片制作，效率低下，達不到很多場合下生產(chǎn)量的要求。用聚合物作為制作納米流體通道的材料有很多優(yōu)點，聚合物非常適用于進行微加工，又有很好的化學(xué)機械性能、生物兼容性等。因此用聚合物制作納流通道依然具有非常廣闊的前景?，F(xiàn)有的制作工藝仍然界限于鍵合方式。鍵合方式的優(yōu)點是可以對納流通道的尺寸實現(xiàn)精確控制，但這種方式只能實現(xiàn)單片制作，而且基底的面積越大，所需的壓力越大， 受力不均勻性概率增加，過大的壓力下還會造成納流通道變形、堵塞等不良后果。所以，鍵合法制作納流通道的方式在很多應(yīng)用場合下受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種動態(tài)納米刮印結(jié)合等離子體聚合制作納米通道的方法及系統(tǒng)，以實現(xiàn)連續(xù)大面積聚合物納米通道的制作，拓展納米通道的應(yīng)用領(lǐng)域。本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案本發(fā)明動態(tài)納米刮印結(jié)合等離子體聚合制作納米通道的方法的特點是利用光刻或電子束刻在硅片上制作出納米尺寸光柵圖形的模板，所述納米尺寸光柵圖形在模板的上表面前沿的棱邊上形成有光柵線槽；將柔性聚合物基底設(shè)置為可連續(xù)前行的傳送帶，所述傳送帶在傳送過程中首先經(jīng)過設(shè)置在固定位置上的模板的下方，并由模板上帶有光柵線槽的棱邊在柔性聚合物基底表面刮印形成沿傳送帶傳送方向上的納米線槽圖形；連續(xù)前行的柔性聚合物基底隨后進入真空室內(nèi)，在所述真空室中通過等離子體聚合法在所述柔性聚合物基底上成膜，所述成膜是由兩種混合氣體在輝光放電的情況下電離成離子并反應(yīng)，反應(yīng)的生成物分別沉積在光柵線槽的底部、側(cè)壁，并通過生成物的沉積使線槽頂面封閉，形成位于線槽內(nèi)的、密封的納米通道。本發(fā)明動態(tài)納米刮印結(jié)合等離子體聚合制作納米通道的系統(tǒng)的特點是設(shè)置具有納米尺寸光柵圖形的模板，所述納米尺寸光柵圖形在模板的上表面前沿的棱邊上形成有光柵線槽；以柔性聚合物基底為傳送帶，由底部托輥支承構(gòu)成傳送帶的連續(xù)傳送系統(tǒng)，沿所述傳送帶的傳送方向依次設(shè)置刮印單元和等離子體聚合單元；所述刮印單元是將所述模板設(shè)置在傳送帶的上方，模板的上表面前沿棱邊垂直于傳送帶行進方向，并于柔性聚合物基底的表面相接觸；所述等離子體聚合單元具有一用來實現(xiàn)等離子體聚合的真空室，作為傳送帶的柔性聚合物基底在經(jīng)刮印單元之后進入所述真空室完成等離子體聚合反應(yīng)。本發(fā)明動態(tài)納米刮印結(jié)合等離子體聚合制作納米通道的系統(tǒng)的特點也在于所述模板固定在能夠調(diào)節(jié)傾斜角度的角位移臺上，在所述模板上覆貼加熱片。在所述連續(xù)傳送系統(tǒng)的前端設(shè)置起始輥，末端設(shè)置收集輥，柔性聚合物基底在所述起始輥上放卷，依次經(jīng)過所述刮印單元和等離子體聚合單元后，在所述收集輥上收卷。在所述連續(xù)傳送系統(tǒng)的前端設(shè)置涂膠機構(gòu)，所述涂膠機構(gòu)包括紫外固化膠的儲膠容器和涂膠輥，所述涂膠輥與起始輥構(gòu)成對輥結(jié)構(gòu)；在所述起始輥與刮印單元之間設(shè)置一加熱源；在刮印單元與真空室之間設(shè)置紫外光源。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益技術(shù)效果體現(xiàn)在1、本發(fā)明采用模板棱邊刮印的方式相比與已有技術(shù)中用整個模板面壓印的方式實現(xiàn)納米線槽的復(fù)制，模板與柔性聚合物基底的接觸壓力減小程度非常明顯，通過柔性聚合物基底適度張緊和有效支撐可以大大提高模板棱邊與柔性聚合物基底之間接觸的均勻性，保證了納米線槽結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，進而提高納流通道的質(zhì)量；2、本發(fā)明設(shè)置作為傳送帶的柔性聚合物基底的連續(xù)傳送系統(tǒng)，納米線槽的制作和等離子體聚合反應(yīng)直至納流通道的形成在一流水線系統(tǒng)中完成，實現(xiàn)納流通道的連續(xù)制作，極大地提高了制作效率；3、本發(fā)明采用以相關(guān)反應(yīng)氣體的等離子體聚合形成納米通道壁方式，控制真空室內(nèi)放電功率、壓強、氣體流量等參數(shù)保持恒定，以使生成聚合物沉積速率不變，如此形成的通道尺寸能夠非常穩(wěn)定，同時，沉積法的形成大大提高了通道壁的結(jié)合強度。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)構(gòu)成示意圖；圖2為圖1中A部斷面放大圖；圖3為圖1中B部斷面放大圖；圖4為圖1中C部斷面放大圖；圖中標(biāo)號1儲膠容器；2儲膠輥；3起始輥；4加熱源；5角位移臺；6模板；6a加熱片；7彈性皮帶；8紫外光源；9a入口過渡輥；9b出口過渡輥；10下極板；11抽氣口；12真空室；13進氣管；13a入口過渡段；14混合氣體；15上極板；16射頻電源；17收集輥；18柔性聚合物基底；19納米流道；20紫外固化膠。
具體實施例方式參見圖1，本實施例中動態(tài)納米刮印結(jié)合等離子體聚合制作納米通道的方法是利用光刻或電子束刻在硅片上制作出納米尺寸光柵圖形的模板6，納米尺寸光柵圖形在模板6的上表面前沿的棱邊上形成有光柵線槽；將柔性聚合物基底18設(shè)置為可連續(xù)前行的傳送帶，柔性聚合物基底18在傳送過程中首先經(jīng)過設(shè)置在柔性聚合物基底18上方的模板6，由模板6上帶有光柵線槽的棱邊在柔性聚合物基底18的表面刮印形成沿傳送帶傳送方向上的納米線槽圖形；連續(xù)前行的柔性聚合物基底18隨后進入真空室12內(nèi)，在真空室12中通過等離子體聚合法在柔性聚合物基底18上成膜，成膜是由兩種混合氣體(如&和HMDS0) 14在輝光放電的情況下電離成離子并反應(yīng)，反應(yīng)的生成物分別沉積在光柵線槽的底部、側(cè)壁，并通過生成物的沉積使線槽頂面封閉，形成位于線槽內(nèi)的、密封的納米流道19。如圖1所示，本實施例中動態(tài)納米刮印結(jié)合等離體聚合制作納米通道的系統(tǒng)的特占是·設(shè)置具有納米尺寸光柵圖形的模板6，納米尺寸光柵圖形在模板6的上表面前沿的棱邊上形成有光柵線槽；以柔性聚合物基底18為傳送帶，由底部托輥支承構(gòu)成柔性聚合物基底18的連續(xù)傳送系統(tǒng)，沿柔性聚合物基底18的傳送方向依次設(shè)置刮印單元和等離子體聚合單元；刮印單元是將模板6設(shè)置在柔性聚合物基底18的上方，模板6的上表面前沿棱邊垂直于傳送帶行進方向，并于柔性聚合物基底18的表面相接觸；等離子體聚合單元具有一用來實現(xiàn)等離子體聚合的真空室12，柔性聚合物基底 18在經(jīng)刮印單元之后進入真空室12完成離子體聚合反應(yīng)。如圖1所示，具體實施中，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)置也包括在連續(xù)傳送系統(tǒng)的前端，將柔性聚合物基底(如PET) 18卷繞在起始輥3上，在連續(xù)傳送系統(tǒng)的末端，完成納米流道19的制作的柔性聚合物基底18收集成卷在收集輥17 上；在模板6所在位置的柔性聚合物基底18的下方，設(shè)置由帶輪支撐的彈性皮帶7，以彈性皮帶7對柔性聚合物基底18進行支撐，一方面保證有足夠的刮印力，另一方面使柔性聚合物基底18在沿模板棱邊方向上所承受的力均勻一致；在真空室12的入口處和出口處分別設(shè)置入口過渡輥9a和出口過渡輥％，作為柔性聚合物基底18的支撐輥；真空室12用于實現(xiàn)電離和聚合反應(yīng)，提供電離反應(yīng)、聚合、生成物沉積的空間和壓強條件，混合氣體14是由貫穿設(shè)置在真空室側(cè)壁的進氣管13導(dǎo)入，抽氣口 11設(shè)置在真空室12的底部，上極板15位于柔性聚合物基底的上方，下極板11處在與上極板15上下相對位置上，并且位于柔性聚合物基底18的下方；射頻電源16用于產(chǎn)生射頻功率放電，電離通入的混合氣體14，并聚合反應(yīng)，生成沉積物；設(shè)置電機及傳動機構(gòu)，保證各轉(zhuǎn)動部分傳動速度協(xié)調(diào)一致；
在刮印單元中設(shè)置角位移臺5，模板6固定設(shè)置在角位移臺5上，通過角位移臺5 調(diào)節(jié)模板6與柔性聚合物基底18之間的傾斜角度以及模板6的上下位置，在模板6上覆貼有加熱片6a，通過加熱使刮印中的柔性聚合物基底或是紫外固化膠局部受熱軟化，以提高刮應(yīng)效果，并保護模板，應(yīng)控制加熱片的溫度使其保持在低于柔性聚合物基底或紫外固化膠的玻璃化溫度。圖1所示的連續(xù)傳送系統(tǒng)中，在連續(xù)傳送系統(tǒng)的前端設(shè)置有涂膠機構(gòu)，包括儲膠容器1和涂膠輥2，利用涂膠輥2與起始輥3的相對轉(zhuǎn)動將儲膠容器1中的紫外固化膠(如 SU-8膠)20連續(xù)地涂覆在柔性聚合物基底18的表面(圖2所示)；在起始輥3與刮印單元之間設(shè)置一加熱源4，涂有紫外固化膠20的柔性聚合物基底18在進入刮印單元之前，首先經(jīng)過加熱源4的加熱烘干紫外固化膠中的溶劑，使紫外固化膠20凝固，隨后在通過刮印單元時即在紫外固化膠20上形成有光柵線槽(圖3所示)；在刮印單元與真空室12之間設(shè)置紫外光源8，柔性聚合物基底18上的紫外固化膠20在刮印之后，利用紫外光進行固化處理；這一結(jié)構(gòu)形式在經(jīng)過后續(xù)的等離子體聚合單元之后即形成納米流道19 (如圖4所示)。為保證基底上的紫外固化膠凝固充分和刮印后的固化充分，設(shè)置加熱源4所在區(qū)段的長度為500mm，紫外光源8所在區(qū)段的長度為250mm，柔性聚合物基底18的行進速度為 50mm/min ；對于連續(xù)傳送系統(tǒng)中是以模板6直接在柔性聚合物基底18上刮印納米線槽的系統(tǒng)工藝，圖1中所示的涂膠機構(gòu)、加熱源4、紫外光源8均設(shè)置為閑置。實施例取一段PET柔性聚合物基底長帶，經(jīng)酒精清洗及異丙醇淋洗后吹干，然后放到烘箱內(nèi)以90°C烘烤10分鐘，使其充分干燥，再將其放到真空室內(nèi)進行氧氣等離子灰化，灰化時真空室的壓強設(shè)置為20Pa、功率為40W、灰化時間為30秒。設(shè)置加熱源4溫度設(shè)為90°C，紫外光源8的波長為365nm ；調(diào)整角位移臺5使模板6與柔性聚合物基底18的平面間夾角為20° -30° ；移動調(diào)整角位移臺5的上下位置，使模板6上的棱邊與柔性聚合物基底18的表面相接觸，并保持有4N-6N的接觸壓力。涂膠輥安裝在儲膠容器的上蓋上，涂膠輥下半部分浸入在紫外固化膠液SU-8膠內(nèi)，調(diào)節(jié)儲膠容器的高度，使得涂膠輥與纏繞在起始輥上的柔性聚合物基底18相接觸；在離子體聚合單元中，當(dāng)真空室內(nèi)的壓強抽真空達到0. IPa以下時，向真空室內(nèi)通入待電離反應(yīng)的混合氣體，混合氣體是氧氣20SCFM和HMDSO氣體20SCFM，當(dāng)真空室壓強達到41 時；開啟射頻電源16進行放電，放電功率設(shè)置為300W-400W，氧氣和HMDSO的混合氣體在上極板和下極板之間電離并發(fā)生反應(yīng)；為了實現(xiàn)利用聚合沉積方式來形成納米流道19，設(shè)置模板的納米線槽的線槽的深度與寬度之比不小于2。混合氣體中的HMDSO是以液態(tài)形式儲存，對其進行加熱使揮發(fā)成氣態(tài)后通入到真空室內(nèi)，氧氣是從氧氣儲罐通過另一個進氣管導(dǎo)入真空室內(nèi)。
權(quán)利要求
1.動態(tài)納米刮印結(jié)合等離子體聚合制作納米通道的方法，其特征是利用光刻或電子束刻在硅片上制作出納米尺寸光柵圖形的模板(6)，所述納米尺寸光柵圖形在模板(6)的上表面前沿的棱邊上形成有光柵線槽；將柔性聚合物基底(18)設(shè)置為可連續(xù)前行的傳送帶，所述傳送帶在傳送過程中首先經(jīng)過設(shè)置在固定位置上的模板(6)的下方，并由模板(6)上帶有光柵線槽的棱邊在柔性聚合物基底(18)表面刮印形成沿傳送帶傳送方向上的納米線槽圖形；連續(xù)前行的柔性聚合物基底(18)隨后進入真空室(1 內(nèi)，在所述真空室(1 中通過等離子體聚合法在所述柔性聚合物基底(18)上成膜，所述成膜是由兩種混合氣體在輝光放電的情況下電離成離子并反應(yīng)，反應(yīng)的生成物分別沉積在光柵線槽的底部、側(cè)壁，并通過生成物的沉積使線槽頂面封閉，形成位于線槽內(nèi)的、密封的納米通道(19)。
2.一種動態(tài)納米刮印結(jié)合等離子體聚合制作納米通道的系統(tǒng)，其特征是設(shè)置具有納米尺寸光柵圖形的模板(6)，所述納米尺寸光柵圖形在模板(6)的上表面前沿的棱邊上形成有光柵線槽；以柔性聚合物基底(18)為傳送帶，由底部托輥支承構(gòu)成傳送帶的連續(xù)傳送系統(tǒng)，沿所述傳送帶的傳送方向依次設(shè)置刮印單元和等離子體聚合單元；所述刮印單元是將所述模板 (6)設(shè)置在傳送帶的上方，模板(6)的上表面前沿棱邊垂直于傳送帶行進方向，并于柔性聚合物基底(18)的表面相接觸；所述等離子體聚合單元具有一用來實現(xiàn)等離子體聚合的真空室(12)，作為傳送帶的柔性聚合物基底(18)在經(jīng)刮印單元之后進入所述真空室(12)完成等離子體聚合反應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的動態(tài)納米刮印結(jié)合等離子體聚合制作納米通道的系統(tǒng)，其特征是所述模板(6)固定在能夠調(diào)節(jié)傾斜角度的角位移臺( 上，在所述模板(6)上覆貼加熱片(6a)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的動態(tài)納米刮印結(jié)合等離子體聚合制作納米通道的系統(tǒng)，其特征是在所述連續(xù)傳送系統(tǒng)的前端設(shè)置起始輥(3)，末端設(shè)置收集輥(17)，柔性聚合物基底 (18)在所述起始輥C3)上放卷，依次經(jīng)過所述刮印單元和等離子體聚合單元后，在所述收集輥(17)上收卷。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的動態(tài)納米刮印結(jié)合等離子體聚合制作納米通道的系統(tǒng)，其特征是在所述連續(xù)傳送系統(tǒng)的前端設(shè)置涂膠機構(gòu)，所述涂膠機構(gòu)包括紫外固化膠的儲膠容器 (1)和涂膠輥O)，所述涂膠輥(2)與起始輥(3)構(gòu)成對輥結(jié)構(gòu)；在所述起始輥(3)與刮印單元之間設(shè)置一加熱源；在刮印單元與真空室(1 之間設(shè)置紫外光源(8)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種動態(tài)納米刮印結(jié)合等離子體聚合制作納米通道的方法及系統(tǒng)，其特征是在硅片上制作出納米尺寸光柵圖形的模板，納米尺寸光柵圖形在模板的上表面前沿的棱邊上形成有光柵線槽；將柔性聚合物基底設(shè)置為可連續(xù)前行的傳送帶，其在傳送過程中首先經(jīng)過設(shè)置在固定位置上的模板的下方并在模板的刮印下形成沿傳送帶傳送方向上的納米線槽圖形；隨后進入真空室內(nèi)通過等離子體聚合在柔性聚合物基底上成膜，成膜是由兩種混合氣體在輝光放電的情況下電離成離子并反應(yīng)，以反應(yīng)生成物的沉積完成柔性基底上線槽頂部密封，形成納米通道。本發(fā)明可以實現(xiàn)連續(xù)大面積聚合物納米通道的制作，拓展納米通道的應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號B81C1/00GK102390804SQ201110330329
公開日2012年3月28日 申請日期2011年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月26日
發(fā)明者劉玉東, 李鑫, 湯啟升, 涂呂星, 王旭迪, 鄭正龍, 金建 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)