新型微流控芯片製造方法:3D打印

如今,微流控芯片已越來越受到人們的關注,MEMS技術趨於成熟。目前有人用3D打印技術做出了微流控芯片。

據介紹,nanoMESI(瀋陽邁伺電氣)發布了一項納米打印機,該打印機利用EHD技術,使打印機噴頭可以射出小於100nm的線條,通過納米級移動平台實現微流控芯片的打印。研究員設計特殊結構的打印噴針,並讓打印材料帶電上一定的電荷。帶電的打印材料在強電場作用下通過泰勒錐引發噴射液滴射流,這種液滴的直徑遠小於噴孔直徑。使原本很細的打印噴針獲得納米級打印分辨率。顯然,這與大多數FDM打印方法不同,EHD可獲得更高的分辨率。EHD打印技術採用電場力,而不是外壓力。這種方法(電液動力射流法)使我們能夠實現比噴嘴孔徑更精細的打印結構,從而實現納米結構的製造。

納米打印機打印液滴

EHD技術另一個優點在於它對材料要求較低,大部分打印材料通過帶電改造都可以實現3D打印。比如,半導體材料(矽和二氧化矽)、聚合物材料(PMMA和SU-8膠)和金屬材料(金、銀和銅)。這使微流控芯片可以有更多種材料選擇。

最早解釋電液動力現象的人是Taylor,1964年他在研究水滴在電場中的極化時,發現在噴孔液面形成的錐體(TaylorCone)可引發噴射流。2002年,Fenn獲得諾貝爾化學獎,他利用電液動力效應實現液態生物大分子的電噴霧電離。近年來,麻省理工、帝國理工等科研機構採用電液動力射流直接打印微納圖形並就如何進步提高打印分辨率開展研究。目前,主要採用石英玻璃噴針產生電液動力流體射流。

採用石英玻璃噴針產生電液動力流體射流

研究組一名成員在論文中闡述了一種特殊結構的聚合物噴針,通過熱蒸鍍和等離子刻蝕工藝在聚合物基底上製作電液動力射流噴針。並對聚合物噴針納尺度通道做特殊處理,使其獲得較好的電液動力射流體的輸運特性。

下圖為電射流打印製造的三維納米光柵結構,墨水採用金顆粒溶液。圖1-I為納米光柵的平面電鏡圖,圖1-II為納米光柵的橫截面電鏡圖,其中納米光柵的寬度約為100 nm。

電射流打印製造的三維納米光柵結構

迄今為止,要實現1納米分辨率的3D打印還是有一些問題,當電液動力噴針尺寸進入納米尺度後EDL和離子富集作用明顯增強,連續介質無滑移邊界條件假定將會失效;電滲力和電泳力將取代外壓力成為驅動納米噴針內液體流動的主要動力。電液動力射流體的輸運特性需要進一步研究。

“與石墨烯和激光直寫等納米打印技術不同的是,EHD不需要特定的材料”研究組的一名成員說“EHD技術很有可能是納米3D打印的主流研究方向,因為它能做的產品太多了”。相信在不久的將來,EHD納米3D打印技術將在微流控芯片、納米製造等領域大展拳腳。

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