CN102411060A - 一种具有高深宽比微流道的微流控芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高深宽比微流道的微流控芯片及其制作方法，包括上层基片和下层基片，所述上层基片和下层基片材质均为透明聚二甲基硅氧烷，且均具有低深宽比的微结构，所述上层基片与下层基片重叠结合在一起使所述微结构连通形成微流道，所述上层基片微结构的两端分别设有通孔，该通孔分别作为所述微流道的入口和出口。本发明成本低，工艺简单设备要求低，能利用低深宽比微流道的基片快速的在实验室制得；且无需对基片厚度的精准控制，避免了繁琐的多次定位对准工序。

Description

一种具有高深宽比微流道的微流控芯片及其制作方法

技术领域

本发明属于生物化学等学科的分析用具，尤其涉及微流控芯片技术。

背景技术

微流控技术作为一种高效操控流体或粒子的新方法，已被广泛用于临床诊断、生化分析、生物学研究及精密光学等基础研究或工程应用中。随着微流控技术研究的深入和拓宽，对微流控芯片的结构及功能复杂度需求日益增加，这对微流控芯片配套的微细加工技术提出了新的严峻挑战。如何快速、低成本制作符合要求的高性能微流控芯片已成为微纳制造领域中的一个重要研究内容。由于传统MEMS器件的成功商业化，硅基的三维微结构加工技术已日趋成熟。但复杂的加工工艺、昂贵的加工设备和成本等缺点使其并不适用于实验室小批量原型测试芯片的低成本、快速制作。另外，硅基的刚性、不透光性及不易键合封装等缺点使其在微流控芯片中的应用受到了极大的限制。

哈佛大学Whitesides研究组开发的软光刻技术利用模塑法制作聚二甲基硅氧烷（PDMS）材质微流控芯片，PDMS由于其加工制作简单、成本低、光学特性及生物兼容性好等优点已成为微流控芯片制作的主流材质。而且传统软光刻技术利用打印胶片掩模替代昂贵的铬掩模光刻制作阳模，该技术仅限于制作简单平面结构微流控芯片且打印胶片掩模精度较低。近期部分研究者利用飞秒激光刻蚀聚合物制作三维结构微流控芯片，但该技术需要昂贵的激光器和复杂的光路，不宜推广使用。另有基于金属微丝的聚合物三维复杂结构微流道制作技术，但该技术制作的微流道结构和尺寸受限于微丝的截面形状及尺寸、缠绕或定位方法、抽丝工艺等。

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明提供了一种低成本、快速构建微流道的微流控芯片及其制作方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种具有高深宽比微流道的微流控芯片，包括上层基片和下层基片，所述上层基片和下层基片材质均为透明聚二甲基硅氧烷，且均具有低深宽比的微结构，所述上层基片与下层基片重叠结合在一起使所述微结构连通形成微流道，所述上层基片微结构的两端分别设有通孔，该通孔分别作为所述微流道的入口和出口。

通过将两块含有低深宽比的微结构的基片相向堆叠，并借助低深宽比流道的制作工艺和硬件条件实现快速制作微流控芯片，使得该微流控芯片内的微流道形成三维曲折结构，从而使样品在上层基片和下层基片之间穿梭运动。

作为优选，所述微结构本身为连通的正弦线形流道，且所述上层基片与下层基片上该流道的位置和形状互为镜像关系，当所述上层基片与下层基片叠合在一起时，该正弦线形流道完全重合从而形成连通的微流道，从而使获得的微流道的深宽比是叠合前的流道的两倍。

作为优选，所述上层基片的微结构为平行阵列的长条槽，所述下层基片的微结构为竖向交错分布的长条槽，当所述上层基片与下层基片叠合在一起时，上层基片和下层基片上的长条槽首尾相连从而形成连通的微流道，从而使获得的微流控芯片具有复杂的三维流道。

对上述技术方案的改进，所述上层基片和下层基片上设有多个互为镜像关系的对准标记结构，该对准标记结构可以为十字形、方形或角形从而可以大大的提高上层基片和下层基片对叠时，微结构能完全叠合的精度。

作为优选，所述入口和出口处插有微管，该微管外径略大于所述入口和出口的孔径，从而利用聚二甲基硅氧烷的弹性，使微管与上层基片封接在一起，方便本发明与其他流体驱动设备之间的封接。

本发明的另一目的是提供了制作上述具有高深宽比微流道的微流控芯片的方法，包括以下步骤：

a、首先在硅圆晶（102）上旋涂光刻胶层（101），然后在热板上进行前烘；

b、待光刻胶层（101）冷却到室温后，利用无掩模光刻技术使光刻胶层(101)被紫外线曝光照射后的区域固化，从而形成微结构图形；

c、接着将曝光后的光刻胶层(101)进行曝后烘；

d、曝光后的光刻胶层(101)冷却后，浸入到显影液(141)中去除未被紫外线照射区域的光刻胶层(101)，从而获得微结构阳模；

e、在所述微结构阳模上进行PDMS注塑，然后将其加热固化，并从微结构阳模上将PDMS注塑成型的基片剥离下来就成为PDMS微结构基片(161)；

f、取一片所述PDMS微结构基片(161)作为上层基片，并在该上层基片微结构的两端分别打出通孔(172)，然后再取另一块PDMS微结构基片（161）作为下层基片，将所述上层基片和下层基片经紫外/臭氧或氧等离子体进行表面改性处理，然后重合堆叠在一起，使得上层基片和下层基片上的微结构在叠合时形成连通的微流道；

g、最后将堆叠好的上层基片和下层基片在60～100℃烘烤1～2小时，使其完全结合成整体。

作为优选，所述光刻胶层（101）采用SU-8光刻胶层；所述曝后烘步骤采用逐步升温，降温时也采用逐步降温，从而可以防止在曝后烘步骤中，SU-8光刻胶层出现裂纹或脱落。

作为优选，所述PDMS注塑完成后，进行真空脱气处理，将液态PDMS中的空气完全脱除，从而可以避免残留在液态PDMS中的气泡使得微结构发生变化。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：成本低，工艺简单设备要求低，能利用低深宽比微流道的基片快速的在实验室制得；且无需对基片厚度的精准控制，避免了繁琐的多次定位对准工序。 

附图说明

图1是本发明工艺流程图；

图2是本发明所述具有正弦波形微流道的上层基片和下层基片的的结构示意图；

图3是图2中上层基片和下层基片叠合后A-A剖面结构示意图；

图4是图2中上层基片和下层基片叠合时的装配示意图；

图5是本发明所述具有三维复杂结构流道的上层基片和下层基片的结构示意图；

图6是图5中上层基片和下层基片叠合时的结构示意图；

图7是图6中A-A剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例1：

本实施例是具有正弦波形流道的微流控芯片，它包括上层基片1和下层基片2，且材质为聚二甲基硅氧烷（PDMS），并借助软光刻技术制作，而本微流控芯片浇铸所用的阳模则采用SU-8无掩模光刻加工，该技术具有柔性高、制作成本低及周期短等优点。所述微流控芯片的制备方法如下：

首先，将硅圆晶102经过清洗后，用氮气吹干并置于水平热板132上脱水烘烤。待硅圆晶102冷却至室温后，在其上以一定转速旋涂SU-8光刻胶层101。

然后，将旋涂完光刻胶的硅圆晶102置于水平热板132上进行前烘，用于去除SU-8光刻胶层101中的多余有机溶剂。待冷却至室温后，利用无掩模光刻系统中数字微镜投射的微缩光图形（该微缩光图形为正弦线形）对SU-8光刻胶层101进行无掩模光刻加工，使得紫外光照射区域的胶层发生交联固化，使得固化的区域为正弦线形的微结构。该技术通过控制数字微镜(DMD)的开闭状态来反射汞弧灯122产生的特定波长谱线，从而起“虚拟掩模121”的作用。接着将曝光后的带光胶层硅圆晶102片置于热板上进行曝后烘，加速紫外光照射区域的交联反应。为防止胶层因热应力而产生裂纹及脱落，烘烤过程中应采取逐步升温法，冷却时也采用随热板自然冷却。待冷却后，在SU-8光刻胶层101表面可看到粗略的微结构轮廓。然后将其浸于SU-8专用显影液141中进行显影，并用异丙醇冲洗，以SU-8微结构清晰且无乳白色出现为显影完全的标志。经显影的微结构基片用去离子水冲洗并用氮气吹干后，置于水平热板132上硬烘，从而获得微结构阳模。

接着，对微结构阳模用硅烷化试剂进行表面硅烷化处理，使其表面产生单分子钝化层，从而减少PDMS与阳模之间的粘附。然后，将硅烷化的微结构阳模固定于培养皿中进行PDMS注塑，PDMS预聚体和固化剂以一定质量比充分混合后倒于阳模上进行真空脱气处理。待倒入的液体状PDMS无明显肉眼可见气泡后，将培养皿置于热板上加热固化。待固化后，将PDMS微结构基片161从阳模上揭下，从而获得低深宽比流道的基片。调节PDMS预聚体和固化剂之间的调配比例可用于不同弹性的基片的制备及实现不同基片之间的不可逆自键合。PDMS微结构基片161的厚度可以通过控制单位浇注面积所用PDMS的量来实现。对于较薄PDMS微结构基片161，可根据转速与厚度的经验参数借助旋涂法来实现。

通过上述方法制得两块低深宽比流道的基片，取其中一块基片作为上层基片1，并用特定外径的专用打孔器或注射器针头在所述基片两端特定位置打出通孔172分别作为微流道的入口4和出口5，取另一块基片作为下层基片2；所述上层基片1和下层基片2上的微结构如图2-4所示，均为正弦线形流道3，且互为镜像关系；所述上层基片1和下层基片2具有相同大小，且在其边界附近处设有多个对准标记结构，并呈边缘对称分布以保证低深宽比流道上下基片堆叠时的精度。所含对准标记结构及在基片上的布局如图2所示，其形状可为十字形、方形或角形等。十字形对准标记由内实心十字结构7和外框形十字结构6配套组合而成。所述上层基片1入口4和出口5处用聚合物基片打孔技术打出通孔172用于芯片与宏观流体驱动设备之间的封接。

最后将上层基片1和下层基片2的微结构面用紫外/臭氧、氧等离子体处理等方法进表面改性或在制备微结构基片时使得上下基片具有不同的配比。在堆叠时，使上层基片1和下层基片2含微结构面相向而对，并通过体视镜或专用对准设备实现上层基片1下层基片2之间的精准定位，使得所述正弦线形流道3微结构完全重叠，从而使获得的微流道的深宽比是原来的两倍。对准后轻压基片使两基片之间无夹杂气泡。然后将其置于80℃烘箱中加热2个小时，使其完全键合。在所述上层基片1的入口4与出口5处插入微管，该微管外径略大于孔径，利用PDMS的弹性实现密封耐压封接。下层基片2底面仍可通过键合技术实现与载玻片或金属电极基片等的封装。

实施例2

本实施例是具有三维复杂结构流道的微流控芯片及其制作方法与实施例1其他地方都相同，不同的是：

在制作过程中，利用无掩模光刻系统中数字微镜投射的微缩光图形对SU-8光刻胶层101进行无掩模光刻加工，使得紫外光照射区域的胶层发生交联固化。该步骤中微缩光图形不同，使得上层基片1的微结构为平行阵列长条槽8（截面为方形），所述下层基片2的微结构为竖向交错分布长条槽9（截面为方形），当所述上层基片1与下层基片2叠合在一起时，上层基片1和下层基片2上的长条槽首尾相连从而形成连通的微流道，该微流道是三维方波形流道。

Claims (9)

1.一种具有高深宽比微流道的微流控芯片，其特征在于：包括上层基片（1）和下层基片（2），所述上层基片（1）和下层基片（2）材质均为透明聚二甲基硅氧烷，且均具有低深宽比的微结构；所述上层基片（1）与下层基片（2）叠合在一起使所述微结构连通形成微流道，所述上层基片（1）微结构的两端分别设有通孔，该通孔分别作为所述微流道的入口（4）和出口(5)。

2.根据权利要求1所述具有高深宽比微流道的微流控芯片，其特征在于：所述微结构本身为连通的正弦线形流道（3），且所述上层基片（1）与下层基片（2）上该流道的位置和形状互为镜像关系，当所述上层基片（1）与下层基片（2）叠合在一起时，该正弦线形流道（3）完全重合从而形成连通的微流道。

3.根据权利要求1所述具有高深宽比微流道的微流控芯片，其特征在于：所述上层基片（1）的微结构为平行阵列长条槽(8)，所述下层基片（2）的微结构为竖向交错分布长条槽（9），当所述上层基片（1）与下层基片（2）叠合在一起时，上层基片（1）和下层基片（2）上的长条槽首尾相连从而形成连通的微流道。

4.根据权利要求1所述具有高深宽比微流道的微流控芯片，其特征在于：所述上层基片（1）和下层基片（2）上设有多个互为镜像关系的对准标记结构。

5.根据权利要求1所述具有高深宽比微流道的微流控芯片，其特征在于：所述对准标记结构为十字形、方形或角形。

6.根据权利要求1所述具有高深宽比微流道的微流控芯片，其特征在于：所述入口（4）和出口(5)处插有微管。

7.一种制作权利要求1所述具有高深宽比微流道的微流控芯片的方法，其特征在于包括以下步骤：

a、首先在硅圆晶（102）上旋涂光刻胶层（101），然后在热板上进行前烘；

b、待光刻胶层（101）冷却到室温后，利用无掩模光刻技术使光刻胶层(101)被紫外线曝光照射后的区域固化，从而形成微结构图形；

c、接着将曝光后的光刻胶层(101)进行曝后烘；

d、曝光后的光刻胶层(101)冷却后，浸入到显影液(141)中去除未被紫外线照射区域的光刻胶层(101)，从而获得微结构阳模；

e、在所述微结构阳模上进行PDMS注塑，然后将其加热固化，并从微结构阳模上将PDMS注塑成型的基片剥离下来就成为PDMS微结构基片(161)；

f、取一片所述PDMS微结构基片(161)作为上层基片，并在该上层基片微结构的两端分别打出通孔(172)，然后再取另一块PDMS微结构基片（161）作为下层基片，将所述上层基片和下层基片经紫外/臭氧或氧等离子体进行表面改性处理，然后重合堆叠在一起，使得上层基片和下层基片上的微结构在叠合时形成连通的微流道；

g、最后将堆叠好的上层基片和下层基片在60～100℃烘烤1～2小时，使其完全结合成整体。

8.根据权利要求7所述制作具有高深宽比微流道的微流控芯片的方法，其特征在于：所述光刻胶层（101）采用SU-8光刻胶层；所述曝后烘步骤采用逐步升温，降温时也采用逐步降温。

9.根据权利要求7所述制作具有高深宽比微流道的微流控芯片的方法，其特征在于：所述PDMS注塑完成后，进行真空脱气处理，将液态PDMS中的空气完全脱除。

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