芯片实验室组件制造：完整指南

2026 年 9 月 10 日

芯片实验室组件是将完整的实验室功能集成到单个芯片上的微型设备。您选择的材料和制造方法会影响性能、成本和可扩展性。那么，哪种组合最适合您的应用？从原型设计到批量生产，这个问题贯穿始终，指导着每一个决策。

市场数据表明了这一点的重要性。据Spherical Insights预测，到2024年，全球芯片实验室设备市场规模将达到约6.01亿美元，而Grand View Research的报告则显示这一数字接近6.61亿美元。Market.us指出，从2023年到2033年，该市场将继续保持增长势头，年复合增长率达9.5%。

仔细权衡利弊。选择合适的制造工艺可以加快产品开发速度。

材料选择不当会延缓一个前景光明的芯片实验室项目。

的材料芯片实验室组件

为芯片实验室组件选择材料意味着要找到一种平衡。你需要权衡成本与精度、柔韧性与耐化学性。每一个选择都会影响你的制造工艺以及最终器件的性能。

聚合物：微流控技术的灵活性和成本效益

聚合物是微流控领域的首选材料，原因显而易见。它们成本低廉、易于成型，并且非常适合快速原型制作。

常用聚合物（PDMS、PMMA、COC、PC）

聚二甲基硅氧烷（PDMS）是科研实验室的首选材料。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚氯乙烯（COC）和聚碳酸酯（PC）是热塑性塑料，在生产制造中表现最佳。每种材料都为微流控应用带来各自的优势。

优势

低成本	聚合物材料的成本远低于玻璃或硅。当你需要制造更多芯片实验室组件时，这一点至关重要。
原型制作的便捷性	使用PDMS材料，您可以在数小时内完成从设计到芯片制作的整个过程。这种速度极大地加快了您的研究进程。
光学清晰度	大多数聚合物都能让你看到通道内部的情况。这对于成像和光学检测至关重要。

限制

透气性	PDMS允许气体通过。这对于细胞培养来说非常有利，但却会给压力驱动流动带来问题。
耐溶剂性有限	许多聚合物在接触有机溶剂时会发生溶胀或分解。这限制了可使用的化学方法。

玻璃和硅：高精度和耐化学腐蚀性

玻璃和硅材料则恰恰相反。它们兼具精度和强度，但价格更高，使用起来也更费力。

基板和通道制造

玻璃和硅的制造方法源自半导体加工技术。利用光刻、蚀刻和键合等工艺构建通道。对于玻璃等透明材料，355 nm 的紫外皮秒激光微加工产生的微裂纹极少，边缘质量可达亚微米级。飞秒激光微加工采用 10⁻¹⁵ s 量级的超短脉冲，可实现高精度、无掩模加工，热影响区极小，并能达到亚微米级特征尺寸。这使其非常适合微光学和微流控器件的 3D 制造。

优势

热稳定性	玻璃和硅能承受高温而不变形。这使得它们可以进行热循环和消毒处理。
惰性	这些材料能耐受大多数化学品。您的设备不会渗入样品或与样品发生反应。
成熟的微加工技术	多年的半导体研究积累了成熟的方法，你并非从零开始。

限制

更高的成本	材料和加工成本远高于聚合物。大批量生产时，这会造成很大的损失。
更复杂的加工工艺和脆性	硅材质脆，受力后容易开裂。玻璃在粘合和切割过程中需要小心处理。

用于芯片实验室组件的纸张、陶瓷和水凝胶

并非所有用途都需要塑料或玻璃芯片。纸张、陶瓷和水凝胶各自都能解决自身的问题。

用于低成本诊断的纸基微流控技术

纸基设备如今已成为即时诊断的关键工具。与微流控芯片相比，它们坚固耐用且操作简便。家用妊娠测试就是一个典型的例子。研究人员还开发了一种快速即时核酸扩增检测方法，该方法结合了纸基电泳技术，将样本制备和扩增相结合。这项检测利用同步等速电泳和重组酶聚合酶扩增技术，可在20分钟内，使用低成本材料，从血清和全血中提取、扩增和检测目标核酸。这使其在资源匮乏地区用于传染病筛查和病毒感染追踪方面具有应用价值。

应用领域	具体例子
侧流免疫测定	家庭妊娠试验
核酸扩增试验	快速床旁核酸扩增检测（POC NAAT）用于传染病检测
体液分析	尿液、唾液、血液、泪液
早期疾病诊断	干眼症、急性心肌梗死
综合生物标志物检测	使用FICA-μPADs检测血清中的CEA和AFP

用于特定生物应用的陶瓷和水凝胶

当需要构建一个与人体环境相容的培养环境时，水凝胶是最佳选择。它们利用天然细胞外基质蛋白，例如胶原蛋白、纤维蛋白、透明质酸、Matrigel、纤连蛋白、琼脂糖和PEG二丙烯酸酯，来模拟体内微环境。Matrigel、I型胶原蛋白、明胶和藻酸盐中的三维结构能够提高细胞活力并降低去分化。微流控三维培养的肝细胞可维持4周的功能。与饲养细胞在藻酸盐中进行共培养可持续长达3个月，并改善肝功能，例如白蛋白分泌和尿素合成。置于PEG基水凝胶中的胰岛β细胞活力从20%提升至90%，细胞通过E-钙黏蛋白连接相互连接并维持胰岛素分泌。目前仍存在一些担忧，例如是否有足够的与人体环境相容的材料可用，以及微流控细胞培养能否维持足够长的时间以获得有效的临床结果。

混合材料系统进一步突破了这些限制。一种由PDMS/PC/玻璃堆叠而成、四个电极置于微通道中的结构，可直接测量跨上皮电阻（TEER），并模拟血脑屏障，用于芯片器官研究。PDMS/聚酯膜/玻璃装置采用多孔膜作为细胞层，并设有两层独立的膜用于肠道上皮细胞和肝细胞的共培养。多层PDMS/玻璃/多孔膜/PMMA结构通过螺钉和等离子体键合将五层PDMS层连接在一起。可3D打印的PDMS-甲基丙烯酸酯大分子单体采用385 nm紫外光立体光刻技术，并保持了光学透明性、气体渗透性、弹性和生物相容性。热塑性系统（PS、PC、COC）则依赖于激光烧蚀、注塑成型、压缩成型和热压成型等工艺，以实现低成本、生物惰性和低固有荧光。

表面化学性质和生物相容性将所有这些选择联系起来。一种材料可能具有很高的尺寸稳定性，但如果蛋白质粘附在其表面或细胞无法生长，则该材料将失效。在正式生产之前，务必使用实际样品对材料进行测试。

芯片实验室组件的制造工艺

选择合适的材料只是工作的一部分，还需要将它们加工成可运行的系统。你选择的制造工艺会影响生产时间和器件的质量。有些方法非常适合快速制作原型，而另一些方法则可以低成本地批量生产零件。让我们来了解一下目前微流控芯片制造中常用的主要技术。这些微流控技术涵盖了许多不同的应用领域。

成型方法：注塑成型热压纹，以及冷铸

模塑工艺是将母模复制到聚合物基材上。它是批量生产相同零件的首选方法。选择哪种制造方法取决于您的生产目标。所用材料需要在加热时具有良好的流动性。常用材料包括热塑性塑料，例如PMMA和COC。芯片设计会影响模具的复杂程度。

周期时间、模具成本和复制精度

注塑成型速度很快。只需将熔融的热塑性塑料注入钢模，每个循环只需几秒钟即可完成。前期成本很高——一个好的模具价值数万美元，复杂的模具甚至可能超过100,000万美元。但这些成本会分摊到每个芯片上。规模化生产后，每个芯片的材料成本会降至几美分。因此，对于成千上万甚至数百万个芯片的生产来说，注塑成型是最具成本效益的选择。

热压成型工艺介于两者之间。它是将加热后的模具压入聚合物片材上。这种工艺设置较为简单，但周期较长，自动化程度较低，前期成本适中。热压成型工艺适用于中等批量生产，例如数百至数千个芯片实验室组件。

对于PDMS等弹性体材料的小批量生产，通常采用使用主模的浇铸法。这种方法适用于小批量生产，操作简便。

付款方式	预付费	高产量下的单位成本	周期
注射成型	高价（100万美元至10万美元以上）	非常低（美分兑美元）	每周期秒数
热压纹	中	低到中等	比注射时间更长

合适的材料（热塑性塑料、PDMS）和典型几何形状

注塑成型和热压成型最适用于PMMA、COC、PC和PS等热塑性材料。这些材料在加热条件下流动性好，能够高保真地复制精细细节。许多材料都适用于微流控芯片的制造。常见的微流控芯片形状包括直通道、蛇形混合器和液滴发生器。微流控芯片的几何形状会影响流体流动。PDMS天然适合浇铸成型，能够复制微米级的特征。每种材料都为微流控芯片制造项目带来不同的优势。

原型制作方法：软光刻技术 3D打印以及直接加工

在探索设计方案时，您肯定不希望花费昂贵的模具费用。原型制作方法可以让您快速且经济地测试想法。软光刻是微流控器件制造早期阶段的关键技术。

利用PDMS进行软光刻技术，实现研发中的快速迭代

软光刻是芯片实验室器件的经典工艺。首先，使用光刻技术制作硅母版。然后，将PDMS浇铸到硅母版上，剥离固化层，打孔，最后将其粘合到玻璃基板上。整个过程只需一两天。这种速度使得软光刻非常适合快速迭代。发现问题？只需修改CAD文件，重新浇铸一个芯片即可。

聚二甲基硅氧烷（PDMS）因其易于操作而备受欢迎。它透明、透气且具有生物相容性。但缺点是需要人工操作。每个芯片都需要单独处理，因此软光刻技术难以大规模生产。软光刻是微流控芯片制造中最易于使用的技术之一。

微铣削、激光烧蚀和激光加工，用于定制设计

直接加工可实现精细控制。微铣削使用微型切削刀具在聚合物或金属上雕刻出通道。它非常适用于复杂的三维形状和模具制造。

激光烧蚀利用聚焦光束去除材料。波长为 355 纳米的紫外皮秒激光器可加工出微裂纹极少、边缘质量达到亚微米级的通道。飞秒激光器则利用超短脉冲进行加工，几乎不会造成热损伤。这些技术无需掩模——无需光掩模即可从 CAD 设计直接获得芯片。

3D打印技术通过提供更大的设计灵活性和更快的出片速度，改变了微流控原型制作方式。研究人员已利用SLA打印机为具有高分辨率特征的PDMS芯片实验室组件制造模具。其他3D打印系统可以使用COC等材料制造密封的流体器件，并能制造出蚀刻难以实现的通道形状。

用于可靠密封的芯片键合技术

芯片需要严密的密封。有多种键合技术可供选择。键合将通道层连接到基板上，形成无泄漏的封闭通道。合适的键合技术取决于所使用的材料。所有这些材料都需要兼容的键合方法。微流控芯片制造的最后一步通常最为关键。

热粘接、粘合粘接和阳极粘接

热键合工艺是将热塑性芯片加热至接近其玻璃化转变温度并施加压力，使各层熔合在一起。如果温度控制不当，则存在通道变形的风险。这一制造步骤对产品质量至关重要。

粘合剂粘接采用薄薄一层胶水。紫外光固化粘合剂可在室温下数秒内固化。难点在于如何防止粘合剂渗入通道内部。这些粘接技术适用于多种微流控器件。

阳极键合技术将玻璃与硅连接起来。该技术在高温下于界面施加高电压，形成牢固、密封且永久性的键合。这项技术源于半导体加工工艺。每种键合技术都适用于不同的微流控应用。

与不同材料组合的兼容性

粘合方法必须与材料相匹配。PDMS 经氧等离子体处理后可与玻璃或自身粘合。热塑性塑料可通过热粘合或溶剂粘合。玻璃和硅采用阳极粘合。对于混合体系——例如玻璃上的 PDMS 层——可以使用等离子体粘合或薄层粘合剂。

多材料集成技术正在蓬勃发展。诊断和药物输送等新兴应用将聚合物、玻璃和多孔膜集成于同一芯片中。每种材料组合都需要独特的键合策略。键合不当，芯片就会泄漏；键合正确，密封性能就能保证芯片的使用寿命。正确的材料选择贯穿整个制造过程。

芯片实验室组件的设计

好的设计决定了你的芯片实验室组件能否在实际应用中发挥作用。几何形状、传感器布局和成本都会相互制约，你不可能同时兼顾所有因素。

微流控通道几何形状和流体流动

河道形状决定了下游的一切。俯视图、横截面和纵剖面图决定了水流路径。较小的横截面积会迅速产生压力，但由于边界层效应，这种关系并非线性。长度也会影响压力。流量遵循同样的线性规律。

宽高比、转弯和死区体积

深而窄的通道与浅而宽的通道作用方式不同。急转弯会形成死角，流体容易滞留在这些死角区域。这些死角会影响混合效果，并造成样品浪费。抽斜角也很重要，因为它决定了通道壁在制造完成后是否笔直。通道由宽到窄排列有助于流体均匀分布。

对混合、反应动力学和分离效率的影响

较长的通道会提高压力；相应地，缩短通道长度会降低压力。在远离连接点的位置采用横截面更大的双层模具可以显著降低入口压力。这些优势对反应动力学和分离效果至关重要。微流控器件的设计者在微流控芯片制造过程中始终需要权衡这些利弊。

传感器和电极的集成

植入电极听起来很简单，但实际操作起来却并非如此。很快就会出现几个问题：

引线键合和焊料凸点会在表面形成凸起，这与微流体通道所需的平坦表面相悖。
CMOS芯片实验室组件仅占用几平方毫米的空间，而通道、阀门和泵则需要更大的空间。
定位配准错误会导致泄漏，左右偏移难以控制。
芯片与载体之间的上下移动会破坏电流和流体流动。
将 CMOS 芯片无泄漏地粘合到微流体结构上仍然是一个真正的挑战。
世界与芯片之间的流体连接必须以可靠的方式密封。

用于电化学检测的嵌入式电极

电化学检测需要样品液与电极直接接触。这种接触要求界面平整，而互连凸点会破坏这种平整度。虽然将焊盘放置在电极两侧可以略微改善，但良率仍然很低。

对齐和包装挑战

精确对准是实现无泄漏集成的必要条件。目前尚未有关于CMOS多通道批量制造方法的报道。这些封装难题影响着微流控器件的制造方式。

可扩展性和成本限制

成本并非平滑增长，而是呈阶梯式增长。规模化生产时，注塑成型需要大量的模具前期投资，但单位材料成本会降至不到一美元。批量注塑成型可以将单位材料成本压低至一美元以下。而通过代工服务进行小批量生产，单位成本则可能显著更高。

面向制造的设计（DFM）原则

DFM（面向制造的设计）是指根据您实际使用的工艺流程进行设计。避免使用过长的槽道。保持拔模角度一致。尽早规划粘合方案，因为材料组合会限制您的选择。

平衡分辨率、吞吐量和单位成本

更高的分辨率通常意味着更慢的加工周期和更昂贵的工具。聚合物微流控芯片组件以牺牲部分尺寸精度为代价，换取了更高的速度和更低的单位成本。玻璃材质可以提供更精细的特征，但吞吐量较低。每一种微流控芯片的制造决策都取决于此。这些技术可用于诊断、药物输送以及许多其他用途。尽早根据用途选择合适的材料可以节省后续的成本。同样的道理也适用于各种类型的芯片。

芯片实验室组件制造规模化

规模化生产是将一个可运行的原型转化为稳定的量产产品。这条道路充满变数。让我们一起来看看其中的关键决策。

小批量研究与大批量生产

从几个芯片实验室组件到成千上万个组件，一切都截然不同。你需要不同的材料、不同的工具和不同的思维方式。

何时选择原型制作方法，何时选择大规模生产技术

小规模生产方法，例如软光刻，适用于设计不断变化的情况。一天之内就能测试出一款新芯片。这种速度有助于研究人员快速学习。但软光刻无法大规模生产。每个芯片都需要手工处理。而注塑成型等大规模生产方法则适用于固定设计。前期成本很高。原型模具可能要花费数万美元。硬化钢多腔模具的成本可能高达100,000万美元甚至更多。批量生产时，单芯片成本会迅速下降。关键在于何时切换生产方式。从一开始就使用商用大规模生产材料。如果原型使用PDMS，但之后改用热塑性塑料，则需要重新设计。因为表面性能、透气性和粘合方法都存在差异。尽早确定材料选择，避免返工。

从软光刻到注塑成型的过渡

过渡需要时间。芯片开发涉及多个阶段，可能需要数年时间。中等规模的生产有助于弥合这一差距。使用系列模具或软铝模具，无需花费昂贵的钢模费用即可进行接近工业规模的试验。这一阶段会揭示一些隐藏的问题。材料特性，例如内应力或自发荧光，会受到成型工艺的影响，必须进行评估。在最终模具制造之前发现这些问题可以节省成本。拥有数控加工和注塑成型专业知识的精密制造商可以支持从原型到全面生产的过渡。

分辨率、成本和吞吐量之间的权衡

没有一种材料能满足所有需求。你需要权衡不同材料的特性。关键在于根据你的实际用途来选择合适的材料。

材料选择会影响特征分辨率和加工周期

使用PDMS的软光刻技术可以复制精细至10微米的特征。这对于研究来说非常棒。但PDMS不适用于大规模生产。热塑性塑料适用于大规模生产，但在小尺度下分辨率有限。玻璃和硅可以实现亚微米级通道尺寸，且具有很高的重复性。但缺点是成本高昂。玻璃和硅需要昂贵的设备和训练有素的技术人员。

例如，玻璃（高分辨率，低通量）与聚合物（分辨率较低，高通量）之间存在权衡取舍。

玻璃材质能实现最精细的加工，可以制造出小于微米级的通道。但其制造工艺采用光刻技术，并使用危险化学品，导致产量低、芯片单价高。

聚合物芯片实验室组件以牺牲部分分辨率为代价来换取速度。注塑成型每天可生产数千个组件。其特征尺寸较大——通常为几十微米。对于许多微流控应用而言，这样的分辨率已经足够。较低的成本使得制造一次性芯片实验室设备成为可能。

微流控芯片制造案例

实际的微流控芯片制造项目表明了这些选择是如何产生的。

采用注塑成型热塑性塑料的即时诊断芯片实验室组件

一家开发快速诊断测试的公司选择了注塑成型的热塑性塑料。这种芯片需要足够便宜，以便一次性使用。团队很早就确定了材料——COC，一种具有良好光学透明度的热塑性塑料。他们从一开始就针对注塑成型工艺进行了设计。前期模具成本很高。但批量生产后，每个芯片的成本降至一美元以下。最终的设备适用于对成本要求极高的即时诊断应用。这种微流控芯片制造方法能够满足大批量生产的需求。

利用PDMS和玻璃键合技术研究芯片实验室组件

一家研究细胞行为的大学实验室选择了不同的方法。他们需要快速测试多种设计方案。PDMS软光刻技术让他们能够快速迭代。他们使用氧等离子体将PDMS层粘合到玻璃载玻片上。这种芯片实验室组件透明、透气且具有生物相容性。每批芯片的制作需要一天时间，每个芯片的成本也更高。但其灵活性是值得的。对于科研而言，速度和迭代比单位成本更重要。这种微流控芯片制造方法非常适合小批量生产。

这些例子表明，不同的应用需要不同的方法。合适的制造方案取决于您的产量、预算和性能需求。尽早考虑这些权衡取舍有助于您避免日后代价高昂的错误。无论您需要少量研究原型还是数百万个生产单元，使制造策略与目标相匹配都是成功的关键。

高贵：精密制造用于芯片实验室组件

从原型开发到全面量产，需要一个同时精通这两个环节的合作伙伴。拥有金属和塑料加工专业知识的制造商可以满足芯片实验室的制造需求。结合不同的方法可以简化从设计到组装的微流控芯片构建流程。

全面的金属和塑料加工能力

数控加工，注塑成型以及精密冲压

机械加工方法可以加速早期开发。微铣削工艺从CAD模型开始，生成刀具路径，并立即进行零件切割。无需主模具。

机械加工无需洁净室，这使其优于软光刻技术。这为微流控技术的研究节省了时间和成本。

加工能力包括适用于液滴发生器和混合通道的加工功能。材料选择至关重要：热塑性塑料（如PMMA、聚碳酸酯和COC）切割干净利落，并能保持光学透明度。金属（如不锈钢、铝和钛）经久耐用且耐化学腐蚀。

材料类型	优势	表面质量
热塑性塑料（PMMA、PC、COC）	切口干净利落，成本更低，光学清晰度	PMMA可形成镜面状通道；COC具有低自发荧光。
金属（钢、铝、钛）	耐用、可消毒、耐化学腐蚀	需要进一步抛光才能与塑料表面光滑度相匹配。