CN101239285B - 一种被动式微流体混合器及其封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种被动式微流体混合器及其封装方法。该微流体混合器由上PDMS层与下PDMS层两部分组成。上PDMS层形成微流体通道底面的复杂微结构，其形状为凸起微脊和凹下微槽，其布局可为任意形式，一般为平行脊(槽)，与流动方向成横向。这些微结构可导致微流体出现混沌流，显著提高混合效果，通过一步刻蚀法得到。该封装方法是上下PDMS层通过凸出柱状微结构粘附阵列，直接接触产生粘附力而封装在一起。凸出柱状微结构形状为多面体或圆柱体；每个柱状微结构通过侧面与另一层的一个或多个柱状微结构的侧面接触；某层的每个柱状微结构的顶部与另一层的底面接触。

Description

一种被动式微流体混合器及其封装方法

技术领域

本发明涉及微流体系统中的微流体混合器，尤其是被动式微流体混合器及其封装方法。

背景技术

微流体混合系统可应用在化学分析、生物及化学传感、分子分离、核酸排序及分析、环境监测等领域，与传统靠搅拌混合的动力化学分析器相比，它具有质量轻、响应快和成本低的特点，可替代部分现有流体系统，其机理及其器件研究是近年来的一个研究热点。根据有无外加驱动器，微流体混合器可分为主动式和被动式两种。主动式混合器主要是通过微型反应器或外加力场来实现对样品的混合操作。近几年来已经提出了采用超声波、压电、磁力等驱动方式实现主动混合。该方法混合效果较好，但是实施技术难道大。被动式混合器主要依靠改变混合器中微型管道的几何形状或分流来增加微流体的有效接触面积，以达到增强扩散、提高液体混合效率的目的。目前已经研制出了分层式、T型、C型等多种被动式混合器。但是仅仅依靠分子扩散实现流体混合会导致混合时间过长，混合效率太低，并且还容易引起堵塞。为了提高被动式混合器的效率，在微通道底面上制作出微结构扰流，使层流变成混沌流，混合效果显著改善。为了在微混合器通道中形成微结构，现有制造方法能制造的微结构都较简单，不能制造复杂的结构，影响其混合效果的进一步提高。

随着微细加工技术的发展，以聚合物为主的加工工艺在微流体芯片的研究日益受到重视。特别是聚二甲基硅氧烷(PDMS)已成为制作微流体芯片的重要材料。

PDMS是一种具有弹性的高分子聚合物，通常它是由PDMS基质和相应的固化剂按一定的比例热聚合而成。作为构建微流体芯片的基底材料，PDMS表现出了非常理想的材料特性：良好的绝缘性，能承受高电压，已广泛应用于各种毛细管电泳微芯片的制作；热稳定性高，适合加工各种生化反应芯片；具有很高的生物兼容性和气体通透性，可以用于细胞培养；同时具有优良的光学特性，可应用于多种光学检测系统；弹性模量低，适合于制作微流体控制器件，如泵膜等。此外，PDMS还具有以下优点：原材料价格便宜、制作周期短、耐用性好、封装方法灵活，它可以和硅、氮化硅、氧化硅、玻璃等许多材料形成很好的密封。

封装是微流体混合器中最重要的一个环节。目前，依据PDMS微流体芯片封装后强度的不同，主要可以将其分为可逆封装和不可逆封装两类，但均存在一些不足。

芯片可逆封装前，首先，用去离子水和甲醇对PDMS盖片和相应的基片(包括PDMS基片或玻璃基片等)表面进行反复清洗；然后；用氮气吹干；最后，直接接触粘合即得到可逆封装芯片。可逆封装的PDMS微流体芯片最突出的一个特点是芯片可以根据实验需要进行任意拆洗，反复使用，这也是其它材料的芯片所不具备的优点。但它的缺点是封装强度不够高、芯片不耐高压，通常可逆封装的PDMS微流体芯片所能承受的最大压力不超过3.45×10⁴Pa。

不可逆封装增加了对PDMS表面的等离子氧化处理步骤，对其进行氧化处理的目的是为了增加PDMS表面含氧官能团，提高芯片的密封强度。不可逆封装芯片的优点是封装强度大，能承受很高的外加压力。缺点是芯片一旦封装，就形成永久性粘接，不能再拆开，这给疏水性较强的PDMS微流体芯片的清洗带来了困难。

发明内容

鉴于现有微流体混合器技术的不足之处，本发明提出一种被动式微流体混合器及其封装方法，该混合器是一种全PDMS被动式微流体混合器。该方法一步制造出复杂的微通道底面微结构，其封装方法是利用在PDMS层制造出凸出柱状微结构，两片进行直接接合封装。

本发明所提供的被动式微流体混合器，由上PDMS层与下PDMS层两部分组成，其特征在于：下PDMS层形成流体通道槽，上PDMS层形成微流体通道底面的复杂微结构，其微结构为凸起微脊和凹下微槽，其布局可为任意形式，一般为平行脊(槽)，与流动方向成横向；凸起微脊横截面可为圆形或长方形或正方形或梯形；凹下微槽横截面可为长方形或正方形或梯形；微结构特征尺寸在几微米到几十微米之间。这些微结构可导致微流体出现混沌流，显著提高混合效果，这些微结构可通过一步刻蚀法得到。

上述微流体混合器的封装方法，该方法的特征是：上PDMS层和下PDMS层在接合面的微通道两旁均具有众多凸出柱状微结构，排列规则，形成粘附阵列，凸出柱状微结构的形状为多面体或圆柱体；直径为零点几微米到几微米，高度为几微米到几十微米；相邻的柱状微结构间距为零点几微米到几微米，需满足接触条件。上下PDMS层通过凸出柱状微结构粘附阵列，直接接触产生粘附力而封装在一起，每个柱状微结构通过侧面与另一层的一个或多个柱状微结构的侧面接触；某层的每个柱状微结构的顶部与另一层的底面接触。

这种封装是由于凸出柱状微结构相互接触时产生的分子间作用力，这是一种物理的干性粘附，可拆开后重新封装，是一种新型的可逆封装。虽然每个接触的作用力只有几微牛左右，但由于柱状微结构数目巨大，累积的总作用力是相当可观的，其封装强度可比传统的可逆封装强度大，这取决于柱状微结构的密度、直径，高度及接触情况等。经清洗后再封装的强度损失小，能重复封装次数比传统的可逆封装要多。显然这种封装方法的适用场合不仅仅限于本发明的微混合器，可适用于各种在聚合物之间进行封装的场合，只需在各自接合面制造出凸出柱状微结构粘附阵列。

本发明的突出特点在于：(1)利用凸出柱状微结构之间相互接触产生粘附力而封装在一起，是一种新型的可逆封装，其强度比传统的可逆封装要高；(2)通过一步刻蚀即可在通道底面得到复杂的微结构，微结构为凸起微脊和凹下微槽，提高混合效果。

附图说明

图1是微混合器结构示意图，其中1为上PDMS层，2为下PDMS层，3为通道底面的复杂微结构。

图2是凸出柱状微结构粘附阵列接触示意图，其中1，2为上下PDMS层，4为凸出柱状微结构粘附阵列。

图3是下PDMS层加工流程图。

图4是上PDMS层加工流程图。

图5是下PDMS层加工过程示意图，其中a为硅模版负图形，b为图形化厚胶，c为注胶，2为下PDMS层。

图6是上PDMS层加工过程示意图，其中a为硅模版负图形，b为刻蚀底面复杂微结构，c为注胶，1为上PDMS层。

具体实施方式

下PDMS层制造方法：

参见图3和图5，其主要工艺过程：

1、在硅片上涂敷光刻胶，显影，固化，得到凸出柱状微结构粘附阵列图形，然后感应耦合等离子体(ICP)刻蚀硅片，得到硅模版负图形a；

2、在硅片上涂敷厚胶如SU8胶，刻蚀得到流体通道槽负图形b；

3、注入PDMS，在真空下脱气和深入到孔内，加热固化c；

4、机械方法脱模，得到下PDMS层。

上PDMS层制造方法：

参见图4和图6，其主要工艺过程：

1、在硅片上涂敷光刻胶，显影，固化，得到凸出柱状微结构粘附阵列图形，然后感应耦合等离子体(ICP)刻蚀硅片，得到硅模版负图形a；

2、硅片热氧化，刻蚀氧化层，然后ICP刻蚀或氢氧化钾(KOH)、或各向同性刻蚀液(HNA)刻蚀硅片，一步得到底面复杂微结构负图形b；

3、注入PDMS，在真空下脱气和深入到孔和槽内，加热固化c；

4、机械方法脱模，得到上PDMS层。

其封装方法如下：利用对准装置进行上下PDMS层对准，使上层PDMS的底面复杂微结构与下层PDMS的流体通道对准，同时两层的凸出柱状微结构粘附阵列对准；然后施加压力使之封装牢固。

Claims (2)

1.一种被动式微流体混合器的封装方法，该微流体混合器由上聚二甲基硅氧烷PDMS层与下聚二甲基硅氧烷PDMS层两部分组成，下聚二甲基硅氧烷PDMS层形成流体通道槽，上聚二甲基硅氧烷PDMS层形成微流体通道底面的复杂微结构，其微结构为凸起微脊和凹下微槽，其布局为平行脊或平行槽，与流动方向成横向；凸起微脊横截面为圆形或长方形或正方形或梯形；凹下微槽横截面为长方形或正方形或梯形；微结构特征尺寸在几微米到几十微米之间；该封装方法的特征是：上聚二甲基硅氧烷PDMS层和下聚二甲基硅氧烷PDMS层在接合面的微通道两旁均具有众多凸出柱状微结构，排列规则，形成粘附阵列，凸出柱状微结构形状为多面体或圆柱体；直径为零点几微米到几微米，高度为几微米到几十微米；相邻的柱状微结构间距为零点几微米到几微米；每个柱状微结构通过侧面与另一层的一个或多个柱状微结构的侧面接触；某层的每个柱状微结构的顶部与另一层的底面接触。

2.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于该方法的实现过程为：利用对准装置进行上下聚二甲基硅氧烷PDMS层对准，使上层聚二甲基硅氧烷PDMS的底面复杂微结构与下层聚二甲基硅氧烷PDMS的流体通道对准，同时两层的凸出柱状微结构粘附阵列对准；然后施加压力使之封装牢固。

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