千讯咨询发布的中国临床检测仪器市场前景调查分析报告显示,微流控行业上游主要包括硅基、玻璃、纸基、高分子聚合物等原材料行业。
(1)硅片
微流体的第一种材料是硅,尽管其很快被玻璃和聚合物取代。硅因其易于金属沉积、高导热性和稳定的电渗迁移率而被选中。然而,这种材料由于其硬度并不易于处理,因此,不易于制造活性微流体部件。制作过程中使用的危险化学品也需要保护设施。
硅片是制作晶体管和集成电路的原料。一般是单晶硅的切片。单晶硅棒切片后就是晶圆。单晶棒越粗,切片的晶圆直径越大,可集成的电路就越多,最后切割成的芯片就越多。硅晶棒再经过切割、研磨、抛光、切片等加工製程,即可制成射频集成电路产业之重要原料硅晶圆,故报告以硅晶圆为例介绍上游产业发展现状。目前主流的晶圆规格为6英寸(直径150mm)、8英寸(200mm)和12英寸(300mm)。
2013年全球硅晶圆出货面积8829百万平方英寸,2014年全球硅晶圆出货面积9800百万平方英寸,同比上升11%,2015年全球硅晶圆出货面积10434百万平方英寸,同比上升6.47%,2016年全球硅晶圆出货面积10736百万平方英寸,同比上升2.89%,2017年全球硅晶圆出货面积11810百万平方英寸,同比上升10%。同时,数量方面,2018年一季度全球硅片的出货面积达到了30.84亿平方英寸,环比增长3.6%,同比增长7.9%,2018年全球硅片出货面积将达到历史最高水平。预计2018-2019年出货面积增长率3%-4%,硅晶圆的供应量小幅增长。
2013年中国硅晶圆产能178.6百万片,2014年中国硅晶圆产能183.6百万片,同比上升2.8%,2015年中国硅晶圆产能195.6百万片,同比上升6.54%,2016年中国硅晶圆产能212.4百万片,同比上升8.59%,2017年中国硅晶圆产能228百万片,同比上升7.34%。
近年来12英寸(300mm)硅片产能增长最快,2017年,12英寸硅晶圆产能占比达到67%,未来市场份额会继续上升。2017年全球对12寸硅晶圆每月需求量为550万片,根据电力电子应用国家工程研究中心预测,2017-2020年的硅晶圆需求增长率4.3-5.4%,预计到2020年时,全球12英寸硅晶圆需求量约644万片(按复合增长率5.4%计算)。
目前12寸与8寸硅晶圆,供给与需求均存在缺口,因供应量增加幅度有限,因此今后供不应求情况可能呈现长期化。2018、2019年12英寸硅晶圆的供应量预期仅有3-5%的小幅度增加,而12英寸硅晶圆需求端则预期每年有5.4%的增加。因此2018-2019年12英寸硅晶圆的供需缺口会较2017年扩大。
(2)玻璃
最近10年,研究者更多地使用玻璃和石英作为硅材料的替代物在微流控芯片中大量应用。玻璃和石英具有良好的电渗性和透光性,表面的生物兼容性好,加工工艺与硅材料相差无几。而且,玻璃的种类较多,目前应用广泛的有派来克斯玻璃、铬版玻璃、Pyrex7740玻璃等。陈强等人采用商品化的显微载玻片-soda-dime玻璃作为芯片基底材料,利用AZ4620光刻胶代替传统工艺中的溅射金属层或多晶硅/氮化硅层作为玻璃刻蚀的掩膜层,同时利用一种紫外光学胶键合方法代替传统熔融键合方法实现芯片的键合。杨才表等人选用商业化的氧化铟锡(indium tinoxide,ITO)透明导电玻璃为芯片加工的基质材料制作细胞培养芯片,将此芯片与聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)薄膜经氧等离子体作用后共价结合,用于整合温度控制系统、进样系统、信号检测系统等。王升高等人制备了一种光敏微晶玻璃,通过对玻璃制备方法、组分的调整,结合屏蔽光辐照和化学腐蚀手段,可以在这种基片材料上获得较佳的微通道结构。这种具有较好的光化学加工性能的光敏微晶玻璃作为芯片材料可以简化微流控芯片制备工艺、降低芯片制备成本。相对玻璃而言,石英玻璃有良好的加工性能和光学性质,对紫外光吸收很弱,适合紫外吸收检测的要求。例如:徐良基等人采用MEMS技术设计和制作了一种基于石英玻璃的微流控芯片,用于蛋白检测。在自行研制的紫外可见吸收检测仪上对3种标准蛋白及其混合溶液进行检测的结果表明:这种石英材质的芯片检测具有快速、操作简便和成本低等优点。
石英玻璃是主要成分为二氧化硅的非晶态特种工业玻璃。石英玻璃与普通玻璃的最大区别在于:石英玻璃具有高纯度的特性,普通玻璃的二氧化硅含量70%,石英玻璃二氧化硅含量99%以上,杂质少,导致各方面性能优于普通玻璃。
根据QYResearch新发布的市场研究报告,2016年全球石英玻璃产量为27万1473公吨,市值达38.088亿美元。2017年全球石英玻璃市场价值38.7亿美元,预计到2025年底将达41.5亿美元,年复合增幅将达0.9%,主要份额被半导体和光纤领域占据,分别占比约59.3%和21.5%;在军工领域主要作为航天、卫星雷达保护罩,航天飞行器的隔热保护材料等。
(3)纸基
微流控纸芯片是近几年发展的一种新型微流控芯片。它用纸张作为基底代替硅、玻璃、高聚物等材料,通过各种加工技术,在纸上加工出具有一定结构的亲/疏水微细通道网络及相关分析器件,构建"纸上微型实验室"( lab-on-paper) ,也称微流控纸分析器件( microfluidic paper-based analytical devices,μPADs) 。与传统的硅、玻璃、高聚物微流控芯片相比,微流控纸芯片具有优点:成本更低;分析系统更易微型化、便携化;生物兼容性好;检测背景低;后处理简单,无污染。
(4)高分子聚合物
高分子聚合物指由键重复连接而成的高分子量(通常可达10~106)化合物。包括晶态结构、非晶态结构、取向态结构以及织态结构。
高分子聚合物材料种类多,加工成型方便,价格便宜,尤其是高聚物材料有良好的光学性质、化学惰性、电绝缘性和热性能等,使其在微流控芯片领域的应用具有得天独厚的优势。可用于制作微流控芯片的高聚物材料大致可分为三大类: 热塑性聚合物、固化型聚合物和溶剂挥发型聚合物。目前,已有大量的高聚物材料被用于微流控芯片加工中,如聚酰胺( polyamide,PA) ,聚对苯二甲酸丁二醇酯( polybutylece terephthalat,PBT) ,聚碳酸酯( polycarbonate,PC) ,聚甲基丙烯酸甲酯( polymethylmecrylate,PMMA) 和聚二甲基硅氧烷( PDMS) 等。
制作微流控芯片常用的材料是PDMS,又称硅橡胶,PDMS 是目前在微流控芯片领域使用最为广泛的一种高聚物材料,多与玻璃结合共同制作微流控芯片。具有较好的延展性、化学热稳定性及生物兼容性;对于生物和医学来说,PDMS具有高保真性、良好的光学透明度、固化温度低且无毒,因此细胞可以直接在上面进行培养;可用传统表面改性方法(UV或氧等离子体)进行表面修饰。
PMMA 是一种优质的高分子材料,具有良好的综合力学特性。杨波等人基于此特性,设计制作了一种PMMA材料的微流控检测芯片,利用外界的气体驱动液体,用于实验样品的检测和分析。采用性价比高的PMMA 材料,大大地降低了生产成本,同时运用"溶胶-凝胶"方法对其进行亲水处理,解决了PMMA 材料的疏水特性。同时,PMMA芯片的键合可以采用室温下溶剂键合法,简单实用。此外,环烯共聚物( cyclo olefin coplymer,COC) 这种新型材料以其高的化学稳定性和透明度在微流控芯片研究领域也有很好的应用前景。
随着芯片材料的不断丰富,微流控加工工艺也在不断更新。高聚物材料以其独特的优势,已占领了芯片材料大部分的市场,将来对于高聚物材料特性的研究将更加深入,其应用范围也会更加广阔。
上游行业对微流控生产成本的影响直接体现在价格方面,当上游原料价格上升,意味着微流控生产成本增加;相反,上游原料价格上升,则微流控生产成本上升。另外,上游行业供给情况,对微流控的生产成本起到间接影响作用,当上游行业供不应求时,将导致上游原料价格提升,从而微流控生产成本增加。上游议价能力中等:传统芯片材料包括玻璃、石英、单晶硅片等,新一代多采用高分子聚合物,市场化竞争充分,不存在受限于供应商的风险,但会随市场价而波动。
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