多步变高光刻法制备带阀多层微流控器件

本视频方案的总体目标是展示如何通过完整的多步光刻技术，制备具有片上阀门及多种高度特征的微流控母模，且其结构可根据不同应用灵活调节。该方法系统地概述了如何制备包含复杂几何结构（包括片上薄膜阀门）的微流控器件母模。该技术的主要优势在于，能够简便地控制微流控器件中的流体流动，从而克服了微流控技术在生物应用中面临的主要入门障碍。

该技术的可视化演示至关重要，因为光刻步骤对于初学者而言通常难以掌握。正确的对准、显影和曝光依赖于视觉提示以及洁净室操作经验。首先，设计您的器件，并为多层结构准备各自的光掩模。

此外，准备约四片涂有5 µm厚SU-8 2050负性光刻胶的晶圆，并按照随附的文字方案进行泛光曝光。将涂覆好的晶圆放置在旋涂仪上，开启真空以将其固定在旋转卡盘上。使用氮气或压缩空气吹去表面的任何灰尘。

然后，将 2 至 3 毫升 AZ 50XT 正性光刻胶涂覆在晶圆中心。通过旋涂法使光刻胶形成 55 微米厚的薄膜。涂覆完成后，小心地将晶圆放置于一个 5 英寸的培养皿中，并静置 20 分钟。

接下来，将晶圆置于热板上进行软烘烤，持续22分钟，同时以每小时450摄氏度的升温速率将温度从65摄氏度逐步升至112摄氏度。然后取出晶圆，置于培养皿中，在室温下静置过夜，以实现环境湿度下的再水合。将流动圆形透明掩模固定在五英寸玻璃板上，使印刷面朝向晶圆一侧，并将其装入紫外光掩模对准仪的掩模定位装置中。

将晶圆在六个循环中暴露于930毫焦的紫外光下。立即通过将晶圆浸入搅拌状态的显影液中三到五分钟进行显影，或持续至显影液变为紫色且图形显现为止。显影完成后，取出晶圆并用去离子水充分冲洗。

然后，对晶圆进行硬烘烤，以熔化并使阀体结构变圆。在15小时内以每小时10摄氏度的速率将温度从65摄氏度逐步升至190摄氏度。完成后，关闭加热板，让晶圆冷却至室温。

晶圆上的结构现已呈圆润状。此次硬烘焙对于将矩形阀结构正确回流成圆润的阀轮廓至关重要。时间过短可能导致开裂或不稳定。

为了制备具有可变高度结构的器件，将清洗后的晶圆置于旋涂仪上，如前所示。在晶圆中心滴加一到两毫升 SU-8 2050 负性光刻胶，然后在已形成的阀结构上旋涂光刻胶。随后，小心地将旋涂后的晶圆放入一个五英寸的培养皿中，并在平坦表面上静置 20 分钟，或直至任何条纹图案消失。

接下来，将两块加热板分别预热至 65 摄氏度和 95 摄氏度，然后将晶圆置于 65 摄氏度的加热板上加热 2 分钟，再置于 95 摄氏度的加热板上加热 8 分钟，最后再次放回 65 摄氏度的加热板上加热 2 分钟，以完成晶圆的软烘。待晶圆冷却至室温后，将流道低透明度掩模版用胶带固定在一块 5 英寸石英玻璃板上，确保其印刷面朝向晶圆，并将其装入紫外光掩模对准仪的掩模定位器中。随后，将晶圆放置在紫外光掩模对准仪的卡盘上，通过显微镜目镜或相机，仔细将新流道低层的图形与流道圆阀层的图形对准。

首先将设备边界的水平、垂直和倾斜轴与掩模上的设备边界特征对齐。接着，对齐各层之间的十字线特征。最后，确认阀体特征在预期位置与流道特征相交。

接下来，将晶圆暴露于170毫焦的紫外光沉积。完成后，取出晶圆，并通过在两个分别设定为65摄氏度和95摄氏度的加热板之间切换，进行曝光后烘烤。无需显影晶圆，使其冷却至室温，然后按照随附文本方案中的描述，依次使用SU-8 2025添加流道高层和混沌混合器人字形层。

所有层均完成后，将晶圆浸入含有25毫升SU-8显影液的搅拌浴中，显影3.5分钟，或直至特征结构清晰显现。使用体视显微镜确认特征结构具有清晰、明确的边界。在显影过程中，应每20秒检查一次，确保特征结构已完全成形且光刻胶已彻底去除。

过度显影可能会损伤图形特征，尤其是在复杂的模具设计上。随后，对晶圆进行硬烘烤，以稳定所有光刻胶图形。接着，按照随附文本方案中所述制备控制层。

根据现有的开放获取方案，在玻璃上制备具有俯卧撑结构的多层微流控装置，并通过目视检查确保所有阀门均正确对准控制通道，且所有进样口均已完全打孔，然后继续后续操作。将装有水的Tygon管路连接至流体控制系统，例如注射泵、流体控制器，或带有储液器的开源电磁阀阵列。接下来，将金属针连接至管路，并将金属针与装置控制通道入口处的端口相连。

然后，将每条管路的流量控制系统设定为 25 PSI，以对装置的控制管路加压。在显微镜下观察，确保阀门能够关闭和重新打开。在微量离心管中，将 3.9 毫克光引发剂悬浮于 100 微升去离子水中，以制备用于将液滴聚合为水凝胶微球的光引发剂溶液。

将溶液遮盖以避光。在第二个微量离心管中，加入 132 µL 去离子水、172 µL PEG 二丙烯酸酯、12 µL 光引发剂溶液和 85 µL HEPES 缓冲液，配制水凝胶液滴溶液。将水凝胶液滴溶液转移至定制的冷冻管容器中。

然后，将低温管容器的管路连接至可控压力源，并将PEEK管路连接至装置的试剂入口。接着，将PEEK管路插入装置出口以收集液滴。排出装置中的气泡，重新对系统加压，然后打开放油阀RO1进行减压，并将油压设定为10 PSI。

接下来，将 PEG 混合物的压力设置为 9 PSI，释放上游阀门压力，并根据需要调节压力，以生成所需尺寸的液滴。使用配备 50 帧/秒或更高帧率相机的显微镜测定液滴大小。当液滴稳定后，将紫外光源置于装置的聚合区域上方，并从光源向直径 5 毫米的区域施加 100 毫瓦/平方厘米的 365 纳米光照。

加压珠粒筛分阀，观察聚合珠粒的收集情况，并确保液滴已固化成珠粒。最后，释放珠粒筛分阀的压力，通过PEEK出口管路将珠粒收集到离心管中。本方案首先演示一种使流路阀门圆润的方法。

此处使用轮廓仪测定该方法回流后阀门的典型圆角轮廓，结果显示高度约为 55 微米。在左侧图像中，阀门处于关闭状态，液体可流经通道。当通过加压激活阀门后，流经这些阀门的液体即被切断。

在此，可以看到珠粒合成装置正在运行，在T型接头液滴发生器处将水凝胶液滴生成于油包水乳液中。通过使用筛网阀部分关闭下游流路，液体可继续流动，而珠粒则被截留在阀门后方。采用此工艺制备的珠粒平均直径为52.6 µm，标准偏差仅为1.6 µm。

在近 3,000 个微珠中，仅有不到 1% 的微珠偏差超过三个标准差。一旦掌握，该技术可在三天内完成从设计到测试的全过程，从而实现快速的设计迭代。

通过遵循本实验方案，即使缺乏微加工经验的研究人员也能自行构建复杂的微流控装置，并将其应用于解决自身的生物学问题。观看本视频后，您应能够充分掌握制作任意复杂程度微流控装置所需的光刻步骤，包括具有复杂变高度结构或阀门的装置。