微量液体自动分配技术研究综述

Research on Automated M icro-liquid Dispensing TechnologyYAO Yufeng LU Shizhou LIU Yaxin · SUN Lining(1.Robot Research Institute，Harbin Institute of Technology，Harbin 1 5000 1；2.State Key Laboratory for Manufacturing System Engineering，Xian Jiaotong University，Xian 7 1 0049)Abstract：The micro-liquid dispensing technology which involves absorbing，transferring an d redistributing is applied extensively tolife science，electronic packaging，rapid manufacturing and other fields.With the development of techn ologies in these fields，theoperation of micro-liquid distribution with higher velocity，precision and smaller dispensing volume is needed more and more in themicro-liquid application fields，which pushes the dispensing technology to a faster，trace，more accurate and flexible direction.Basedon introducing the application and requirements of many micro-liquid dispensing techn ologies used in the field of life science，micro-electronic packaging and rapid man ufacturing，the working principle，driving an d selection of the applied dispensing methodsare contrasted and summarized.Th e key techn ologies involved in the.development an d research of micro-liquid dispensing systeman d techn ology are an alyzed from the point of driving，control，testing and manufacturing.The development of micro-liquiddispensing techn ology is prospected，an d the results Can provide some further reference for the related works。

Key words：Fluid dispensing Fluid driving M icro-liquid Droplet Non-contact dispensing0 前言微量液体分配包括液体的吸娶转移、分配等操作，在生命科学、电子封装、快速制造等领域有着广泛的应用J J↑年来，这些领域都要求液体分配技术向更微量、更精确、更快速、适应性更强的方向发展 6。

·国家自然科学基金(51105116)、西安交通大学机械制造系统工程国家重 点实验室(2011004)和 国家高技术研究发展计划(863计划，2011AA040406)资助项目。20130221收到初稿，20130605收到修改稿本文首先介绍了微量液体分配技术在生命科学、电子封装和快速制造等领域的应用现状，分析了不同领域对微量液体操作的要求。其次，从工作原理、优缺点及适用情况等方面对基于不同驱动方式的微量液体分配技术进行了详细介绍和比对，并指出面向不同诚微量液体分配方法的选用原则。

最后，面对高黏、快速、微量、精确分配的液体操作要求，对微量液体分配以及系统研制中涉及的-些关键技术进行了分析，对未来发展情况进行了展望。

2013年 7月 姚玉峰等：微量液体自动分配技术研究综述 1411 微量液体分配技术应用现状在生命科学、电子封装、快速制造等领域，经常需要对微量液体材料进行分配转移操作。这些应用领域对液体分配的操作速度、准确度以及可分配液体体积等情况有着不同的要求 习j。同时，在各领域都存在-些面向不同应用的微量液体分配技术和设备。这些设备在推动相关研究活动快速发展的同时，也在不断改进升级，以进-步适用上述领域越来越高的要求。

1.1 在生命科学领域的应用生命科学领域涉及蛋白质工程、基因测序、新药 物 制造 、聚合 酶链 式 反应(Polymerase chainreaction，PCR)等各种类型的试验研究活动，在这些研究中，需要对数以千万种的酶类、添加剂、化合物等液体试剂进行分配转移操作7 J。尤其随着各领域相关技术的发展，不同研究活动中使用的液体试剂种类越来越多，特别是-些如脂质立方晶[9、水凝胶 等高黏度、难分配的液体不断成为新型试验材料，这极大地扩展了微量液体分配技术需要适用的液体类型，对微量液体分配系统处理高黏度试剂的能力提出了更高的要求。

高通量筛选是新药物研制、蛋白质结晶研究中常用的试验手段之-l J。此时，更快的筛选速度在缩短研制周期、增大试验成功概率、降低研究成本等方面具有重要的意义 引。而筛选速度的提高必然要求更快的液体分配速度。目前，在药物制造领域，每天的样品筛选量已达到 10万种化合物J引，但随着高通量筛鸭术的进-步发展，各领域对新型药物、材料需求的增大，各项研究活动每天可处理的样品筛选量必将进-步增加Ll引，这也要求微量液体分配具有更高的操作速度。

在生命科学领域，使用的液体体积呈现不断减小的趋势，这在加快反应速度、降低试验成本、增大试验数量方面具有十分重要的意义L1引。如 目前在蛋白质结晶试验中仅需要几十 nL的蛋白质大分子材料J引，而在 DNA分析、基因重组研究中，需要的液体试剂体积更是小至皮升(10 L)级别J 。这要求液体分配技术必须具备分配超微量液体的能力。另外，随着试剂体积的减小，微量液体的操作精度对试验效果的影响不断增大 J，这对微量液体分配技术的重复性精度提出了越来越高的要求。

可见，生命科学领域使用的液体类型广泛，需要的液体体积微小，对分配速度和操作精度要求很高。目前，以微流控芯片、微孔板为载体，以全自动点样、加样设备为分配工具的液体处理系统及技术在各类生命科学研究活动中得到应用l J。这类技术在驱动原理、控制方法、分配方式等方面差异很多，液体分配性能也有所不同。如基于直线位移驱动的微量液体非接触式分配技术LZu原理简单、控制容易，并且便于集成多套液路系统，可对多种试剂进行并行分配操作，但可获得的最小液滴体积-般为几十纳升L2 ，难以做到更小，并且在试剂种类变更时需要重新调整分配参数；基于压电原理的微喷技术分配液滴体积可达到皮升级别，但-般仅适用于黏度在40 mPa·S内的低黏度液体试剂2 乃J；而基于加样针点样的接触式微量液体分配技术对高黏度液体材料的分配能力较强，但容易造成污染，且需要加样针在 z向运动，存在分配速度慢的问题 J∩见，面向生命科学领域的微量液体分配技术，在更小液滴分配能力、试剂高黏度适应性、高通量多试剂操作时的灵活自适应调整能力等方面还有待进-步提高。

1.2 在电子封装领域的应用胶黏剂、银浆等高黏性液体材料的微量精确分配操作是表面贴装、引线连接、微结构制造等电子工业领域不可或缺的技术手段，是保证电子封装质量的重要环节，也是制约电子封装技术向高密度、微型化、立体化方向发展的瓶颈之-L2 J。另外，随着电子封装技术不断发展，器件尺寸越来越小，安装密度越来越高，新型封装技术不断涌现，对微滴分配操作的精度、速度和灵活性提出了更高要求。

例如，在表面元件贴装工艺中，随着 0201等更小型号器件应用的迅速增长，需要分配胶滴的直径已逼近 125 ktmLz 川 ；在现代倒装芯片的非流动填充应用中，分配液滴直径甚至要求达到 75岬 ，分配速度要求 200点/s甚至更高以满足生产效率的需求p J∩见，电子封装领域迫切要求液体分配技术能够快速、精确地对各种液体材料实现微量分配操作。

目前，在电子封装领域主要存在接触式点胶和非接触式喷胶两种分配方式 "J∮触式点胶技术发展较早，在银浆、焊膏等特高黏度材料分配及填充、筑坝等大剂量胶体需求诚应用较多，但存在分配速度慢、-致性差、胶滴体积大的缺点j制。另外，接触式点胶对工作空间、基板表面质量要求较高，在针头靠近基板过程中，非常容易损坏周围器件。这些原因使得接触式点胶技术不能适用于未来的电子封装产业 。 。

非接触式喷胶技术具有分配速度快、喷射胶体体积小的特点，如EFD公司的PICO系列喷胶阀喷142 机 械 工 程 学 报 第 49卷第 14期点速度可达 200点/s，胶滴体积可小至 2 nL 。另外，该技术对工作环境要求低，可在狭姓间内进行高密度布胶作业，这些都使得非接触式喷胶成为电子封装领域重要的液体分配技术。然而，非接触式喷胶技术分配高黏度胶体材料的能力还有待提高p ∩以预见，随着微电子制造技术的发展，电子封装领域越来越要求能够对高黏度胶体材料实现快速、微量、精确的分配操作，这使得开发适用特高黏度材料的非接触式精确微量分配技术具有十分重要的意义。

1.3 在快速制造领域的应用三维打印自由成形技术利用离散/成形原理，将单元化的微滴类材料根据零件的电子模型进行堆积而成形为任意复杂程度的三维结构零件，具有成形精度高、成本低廉、易于小型化、容易操作的特点，在快速制造领域得到大量应用L3 J。如在生物医学领域，三维打印自由成形技术是制造组织工程支架、人体假肢、可控缓释药物的理想方式L39J；在工业领域，采用三维打印制造各类结构复杂、体积微小的零件，不仅可降低加工成本，提高加工可靠性，还大大减小了加工时间 J；另外，在建筑业、珠宝饰品制造业、食品行业，基于三维打印自由成形的快速制造技术尧挥着重要作用 J。

金属熔滴、生物惰性材料、乳浊液、熔融态塑料等是快速制造过程中常用的加工材料，这类材料- 般黏度高、易黏接、流变特性大，这要求微量液体分配技术和系统必须能够适用成分、形态和规格广泛的各种成形原材料 ，'40]o另外，不同行业需要分配的液滴体积差异很大，对液体分配操作的灵活性具有较高要求。如在喷涂操作中经常需要亚皮升(小于 10 L)体积甚至雾化的液体微滴，而在大尺寸器件制造过程中往往需要对材料液流进行堆积成形 。

在快速制造领域，三维打印自由成形系统不仅是分配各类液体材料的操作工具，也是加工各种成形器件的制造平台。由于基于三维打印的快速制造技术发展较晚，尽管很多公司和研究单位都投入到三维打印成形技术和系统的研究开发工作中，并推出了-些面向不同行业的三维打印设备，制造出了- 批三维打印成形器件L44引，但在产业化、批量生产方面，三维打印自由成形技术还有巨大的发展空问 。此外，进-步研究液滴堆积成形机理、开发更快速、适用性更强的微量打印喷头等，也是推广三维打印成形技术、研制更高性能成形系统所面临的重要工作。

可见，基于不同工作机理的微量液体分配技术广泛应用于各种微量液体需求领域，这些领域普遍要求对不同液体材料进行快速、精确、微量的分配操作。现有的自动化液体分配系统虽然满足了相关领域的部分要求，但在分配速度、体积、精度，以及灵活分配各种类型液体材料方面还有较大进步空间。因此，随着相关领域技术的发展，研究更快速、更微量、更精确、适用性更强的分配系统和技术显得非常有必要。

2 微量液体分配技术研究进展按分配针头是否与基板接触划分，目前主要有接触式和非接触式两大类微量液体分配技术 J。

接触式分配技术是通过针头在 z向运动使黏附在针头端部的液滴与基板接触，依靠液体黏滞性和界面力作用实现液滴向基板的转移。该技术可操作液体种类广泛，尤其适合分配膏状、浆料类等特高黏度的液体材料。随着微量液体分配技术的发展，部分学者和公司开发了-系列基于不同驱动原理的接触式分配系统 。

非接触式微量液体分配技术，通过外力促使液体高速喷射到基板上并形成微点，不需要喷头在 z向运动，对基板表面质量及空间环境要求低，具有分配速度快、-致性好、液滴微小的特点j b， 。

2.1 接触式微量液体分配技术接触式微量液体分配技术发展较早，基于不同驱动原理的分配系统在生命科学、电子封装、快速制造等微量液体需求领域都得到大量应用J 26]o其中，直接接触点样、基于气压、电动机驱动的微量液体分配方式应用最为广泛l 25-26]。此外，还有-些专门面向某些特定诚的微量液体分配技术。

2.1.1 接触式点样技术接触式点样技术利用点样针蘸取液体试剂，通过与玻璃片、微孔板等基板表面接触实现液滴向基板的转移，可以获取皮升级别体积的液体微点，具有操作简单、速度快、维护容易的特点，在 DNA分析、基因重组等需要超微量液体的诚发挥着重要作用L1 。该技术在初始应用阶段，主要采用实心针进行点样分配操作。然而实心针(图 la)尖部尺寸直接影响液滴大小，不易获取不同体积系列的液滴，并且在-次蘸样后可点出微点数量有限 。于是，后来有人研究用毛细管(图 lb)、开VI微销(图 lc)作为点样工具L47。4 ，弥补了实心针点样的不足。但毛细管、开口微销在点样时需要轻击才能将液体挤到2013年 7月 姚玉峰等：微量液体自动分配技术研究综述 147分配方式适用黏度分配速度微滴体积分配精度适用领域