惯性微流控器件的微制造方法-电子发烧友网

在被动微流控方法中，惯性微流控因具有简单、易于制造和高通量的特性而被认为是一种良好的过滤和分离方法。虽然大多数微流控系统在低雷诺数（斯托克斯流动状态）下运行，但是惯性微流控系统是在中间雷诺数（Re）范围内运行，其流体状态介于斯托克斯流动和湍流状态之间，从而显著提高了通量。惯性微流控聚焦的机理取决于惯性升力和粘性阻力之间的平衡。先前的研究证明，堵塞比（颗粒直径与通道水力直径之比）必须超过0.07的阈值才能使颗粒有效聚焦。随着堵塞比的减小，颗粒聚焦效果将变差。

因此，通道尺寸的精度对实现有效的颗粒聚焦起着至关重要的作用。在过去的几年里，人们提出了新的微流控通道结构来提高颗粒操纵效率。然而，这些非常规微流控结构的制造仍然是一个严峻的挑战。此外，尽管研究人员已经推动微制造技术走向前沿，但用于惯性微流控器件的微制造技术还没有得到全面的论述。

据麦姆斯咨询报道，为了弥补以上空白，近期，来自伊朗马什哈德菲尔多西大学（Ferdowsi University of Mashhad）和澳大利亚麦考瑞大学（Macquarie University）的研究人员在Biomicrofluidics期刊上合作发表了题为“A review on inertial microfluidic fabricationmethods”的综述文章，介绍了用于构建惯性微流控通道的微制造方法，并对这些方法的优缺点进行了讨论。随后，根据包括分辨率、结构、成本和材料在内的不同标准，研究人员对以上用于惯性微流控器件的微制造方法进行了比较。最后，该综述对惯性微流控器件的发展前景及其创新进行了展望。

图1 惯性微流控器件的微制造方法发展历程

用于构建惯性微流控器件的微制造技术通常包括光刻、微线埋入、刻蚀、微加工、激光切割、3D打印、热压印、xurography（一种数字制造方法）、注塑成型。

总体而言，虽然光刻和刻蚀可以制造分辨率为几微米的2D结构，但是这两种方法都需要复杂的设备和洁净室设施，这增加了最终的生产成本。此外，光刻只能得到正交特征。然而，对于需要尺寸在几微米范围内的通道的基于尺寸的分选应用而言，与其它制造方法相比，这两种方法仍然具有优越性。

图2 利用光刻法制造掩模的示意图

相比之下，xurography、微线埋入和热压印技术具有成本效益，但是这些方法分辨率较低，无法建立尺寸在几微米范围内的通道。对于制造具有圆形截面的微通道而言，微线埋入是一种成本低、操作简单的方法。然而，由于该技术的局限性，它只适用于直线和3D螺旋微通道的制造。对于平面结构的批量生产，热压印和注塑成型是最好的选择。

图3 （a）xurography技术示意图；（b）微加工技术示意图；（c）基于注塑成型的多层螺旋微流控器件示意图；（d）热压印技术示意图；（e）模具制造示意图；（f）微线埋入技术示意图

飞秒激光烧蚀、微加工和3D打印是制造复杂非平面结构的理想选择。飞秒激光烧蚀方法便于在玻璃内部制造矩形3D结构，而不需要键合。对于更复杂的结构，微加工和3D打印引起了极大的关注。虽然微加工技术只能用于构建母模，但3D打印可以同时用于构建母模和具有非常规结构的微型器件。

图4 （a）二氧化碳（CO₂）和紫外（UV）激光烧蚀技术示意图；（b）飞秒激光烧蚀技术示意图；（c）最终制造的微通道和母模光学图像；（d）利用CO₂激光烧蚀技术制造的三角形、梯形和高纵横比矩形截面的扫描电子显微镜（SEM）图像；（e）利用飞秒激光烧蚀技术制造的3D惯性微流控通道示意图

图5 （a）立体光固化成型（SLA）3D打印技术示意图；（b）数字光处理（DLP）3D打印技术示意图；（c）利用SLA 3D打印技术制造的3D螺旋微通道光学图像和利用SLA/DLP 3D打印技术制造的微通道横截面图；（d）熔融沉积成型（FDM）3D打印技术示意图；（e）多射流（MJ）3D打印技术示意图；（f）利用MJ 3D打印技术制造的微通道图像及其横截面