一种基于表面纳米气泡降低流体阻力的微通道制备方法

摘要

本发明公开了一种基于表面纳米气泡实现降低流体流动阻力的微通道制备方法。首先采用光刻技术（photolithography）和电化学刻蚀技术（electrochemical etching）在硅表面上获得底面带有孔状微结构的微通道；然后对该微通道表面进行硅烷化处理，使表面具有较好的疏水性；最后将玻璃覆盖在微通道的另一面并利用阳极焊技术密封。本发明制作的微通道可以通过改变进出口压力在微孔结构处生成具有不同突出角的纳米气泡，进而实现不同程度的流体减阻效果，提高微流体的传输效率。

权利要求

1.一种基于表面纳米气泡实现微流体滑移减阻的微通道的制备方法，其特征在于所述的基于表面纳米气泡实现微流体滑移减阻的微通道的制备方法包括以下步骤：

1)采用RCA清洗工艺清洗硅片，所述硅片为N型100单晶硅，电阻率为0.04–0.1′Ω·cm；

2)采用光刻技术和电化学刻蚀技术在硅表面上加工出微通道的主通道，然后在通道底面上加工出孔状微结构；其中，硅片的加工面采用刻蚀液刻蚀，底面利用长波长的红外光照射；加工时，所采用的刻蚀液为氢氟酸溶液；主通道宽度W＝200μm，深度H＝50μm；孔的直径为1.6μm，深度为3μm；

3)用RCA工艺对底面带有微孔结构的微通道表面进行清洗，用氮气吹干，进行硅烷化处理，使表面具有较好的疏水性；

利用OTS的无水甲苯溶液对底面有微孔结构的微通道表面进行硅烷化处理，OTS的无水甲苯溶液的体积比为1％；对微通道表面进行硅烷化处理时，将微通道表面浸入在十八烷基三氯硅烷的无水甲苯溶液中,浸入时间为5小时；取出后将硅烷化的微通道表面用甲苯溶液超声清洗3次，每次5分钟，然后用去离子水超声清洗5次，每次3分钟；

4)将玻璃片覆盖在微通道的上面并利用阳极焊技术密封。

2.如权利要求1所述的一种基于表面纳米气泡实现微流体滑移减阻的微通道的制备方法，其特征在于，步骤4)中所述的微通道采用阳极焊技术将玻璃片密封在微通道的另一面。

说明书

一种基于表面纳米气泡降低流体阻力的微通道制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及微流体芯片技术领域，具体是一种基于表面纳米气泡实现微流体滑移减阻的微通道的制备方法。

背景技术

[0002] 随着微流体(Microfluidics)技术和微/纳机电系统（Micro/nano electro mechanical systems, MEMS/NEMS）的发展，微/纳米尺度的表面科学技术显得尤为重要。在微/纳米尺度下，流体通道具有较大的表面积体积比，微流体的流动受到材料的表面性质如表面力、疏水性及粗糙度的影响远大于宏观流体所受到的影响，而研究微/纳米尺度下如何实现减小流体流动阻力也具有非常重要的理论意义和实际应用价值。

[0003] 纳米气泡（Nanobubble）是固‑液界面上存在的主要气体形态，典型的纳米气泡呈球冠状，高度为几十纳米，接触线直径为几百纳米，由于其具有特殊的性质和广泛的潜在应用而成为界面领域的热点问题。根据固‑液界面上气体与滑移长度关系的模型，滑移长度与固‑液界面上气体层的厚度成正比。可见，固‑液界面上的气体（纳米气泡，纳米气层）将有助于增大流体的滑移长度，减小流动阻力。

[0004] 目前，尽管已经有许多学者研究并证实了纳米气泡具有滑移减阻作用，但都处于实验和理论研究阶段，仍没有任何基于表面纳米气泡实现微流体滑移减阻的应用。因此，制备一种基于纳米气泡实现降低流体流动阻力的微流体通道是纳米气泡在滑移减阻方面走向应用的前提，对于微/纳米通道技术、微流体系统及微/纳机电系统的发展具有十分重要的现实意义。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种基于表面纳米气泡实现微流体滑移减阻的微通道的制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0007] 一种基于表面纳米气泡实现微流体滑移减阻的微通道的制备方法，其特征在于所述的基于表面纳米气泡实现微流体滑移减阻的微通道的制备方法包括以下步骤。

[0008] 1）采用RCA清洗工艺清洗硅片（N型100单晶硅），电阻率为0.04–0.1 V cm。

[0009] 2）采用光刻技术（photolithography）和电化学刻蚀技术（electrochemical etching）在硅表面上加工出微通道的主通道，然后在通道底面上加工出孔状微结构。

[0010] 3）对底面带有微孔结构的微通道表面进行清洗（RCA工艺），用氮气吹干，进行硅烷化处理，使表面具有较好的疏水性。

[0011] 4）将玻璃片覆盖在微通道的上面并利用阳极焊技术密封。

[0012] 作为本发明进一步的方案：步骤2）中所述的在硅基表面上加工出微通道的主通道，并在主通道底面上加工出孔状微结构。主通道宽度W=200μm，深度H=50μm；孔的直径为1.6μm，深度为3μm。

[0013] 作 为 本 发 明 再 进 一 步 的 方 案 ：步 骤 3）中 所 述 的 利 用 O T S（Octadecyltrichlorosilane）的无水甲苯溶液对底面有微孔结构的微通道表面进行硅烷化处理，OTS的无水甲苯溶液的体积比为1%。对微通道表面进行硅烷化处理时，将微通道表面浸入在十八烷基三氯硅烷(Octadecyltrichlorosilane，OTS)的无水甲苯溶液中（体积比为1%），浸入时间为5小时。取出后将硅烷化的微通道表面用甲苯溶液超声清洗3次，每次5分钟，然后用去离子水超声清洗5次，每次3分钟。

[0014] 本发明的有益效果是：1）具有较好的刻蚀效果，同时，所获得的主通道底面上具有微孔结构，可以通过改变微通道进出口的压力在微孔结构上诱捕到纳米气泡，有助于增大滑移长度，进而降低流体流动阻力；2）整个微通道表面采用OTS进行硅烷化处理，使表面具有很好的疏水性，进一步增加流体的滑移长度，降低流体流动阻力。

附图说明

[0015] 1.图1一种基于表面纳米气泡减阻的微通道制备过程示意图。其中，（a）为微通道的主通道；（b）为微通道底面的微孔结构；（c）为硅烷化出来后并用玻璃板密封后的微通道。

[0016] 2.图2为一种基于表面纳米气泡减阻的微通道制备过程示意图中的基于表面纳米气泡减阻的微通道示意图。

具体实施方式

[0017] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0018] 请参阅图1和图2，本发明实施例中，首先采用RCA清洗工艺将硅片清洗干净，随后采用光刻技术（Photolithography）和电化学刻蚀技术（Electrochemical etching）的方法（硅片的加工面采用刻蚀液刻蚀，底面利用长波长的红外光照射）在硅表面上加工出宽度W=200μm、深度H=50μm的微通道主通道；加工时，所采用的刻蚀液为氢氟酸溶液（Hydrofluoric，HF）；然后仍然利用同样的技术在通道底面上获得孔的直径为1.6μm、孔深为3μm的孔状微结构；接下来对底面带有微孔结构的微通道表面进行清洗（RCA工艺），用氮气吹干，利用体积比为1%OTS的无水甲苯溶液进行硅烷化处理；最后将玻璃片覆盖在微通道的上面并利用阳极焊技术密封。该方法具有较好的刻蚀效果，所加工的微通道可以通过改变微通道进出口的压力在微孔结构上诱捕到纳米气泡，实现利用纳米气泡降低流体流动阻力的应用。

[0019] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

[0020] 此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。