CN102530833A

CN102530833A - 一种封闭式微流控通道刻蚀方法与自动刻蚀装置

Info

Publication number: CN102530833A
Application number: CN2011103941906A
Authority: CN
Inventors: 张荣标; 杨宁
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2011-12-02
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2031-12-02
Also published as: CN102530833B

Abstract

本发明公开一种封闭式微流控通道刻蚀方法与自动刻蚀装置，封闭式机箱中设有待刻蚀微流控芯片、芯片槽、温度控制箱、相同的三个微型针探底注入式结构以及相同的三个针管推拉式结构；三个针管推拉式结构内部分别装有硫酸与铬酸混合的蚀刻液、15%的清硫酸、水且输出管道通过同一个三通管与三个微型针探底注入式结构相连，三个微型针探底注入式结构与待刻蚀微流控芯片的三个接口进行对接，微型针探底注入式结构包括外部套有外部滑套的滑动套针，滑动套针的顶端是微型针头、尾端与储液小车前部相连接；采用封闭式蚀刻方法直接封闭蚀刻出微通道管路，每次注射蚀刻时可将蚀刻液进行反复抽吸，实现了整个蚀刻过程的全自动。

Description

一种封闭式微流控通道刻蚀方法与自动刻蚀装置

技术领域

本发明涉及微通道加工技术，具体是微流控通道的刻蚀方法与刻蚀装置。

背景技术

微流控通道是微流控芯片的基本单元，微流控芯片是由微通道形成网络、以可控流体贯穿整个系统，从而将生物和化学等领域中所涉及的样品制备、反应、分离和检测等基本操作单元集成到一块数十平方厘米甚至更小的芯片上，微流控芯片具有体积小，检测精度高速度快等优点。

目前的微通道加工技术主要采用热压成型、注塑成型等方法加工开口式基片，然后采用硅橡胶等封合技术将基片与盖片贴合。然而这些方法往往存在两个难以克服的问题，首先，在热压成型以及注塑成型的过程中，微通道往往会因为宏观和微观效应同时存在而出现多样性的成型缺陷，这主要包括芯片的微通道复制不完全造成的通道开口出现圆角，以及芯片的微通道十字架周围出现缩痕（即制品表面产生凹坑、陷窝或者是收缩痕迹的现象），这些缺陷对后续的芯片键合以及芯片对实验样品的操控性都产生一定的不良影响。其次，采用硅橡胶等封合技术将基片与盖片贴合的方法容易出现渗液，严重影响芯片的使用。

发明内容

基于上述传统微流控芯片的微通道加工方法的缺陷，本发明为避免传统开口式蚀刻法所带来的微通道缺陷以及基片与盖片之间的渗液问题而提供一种封闭式微通道刻蚀方法与自动刻蚀装置，摒弃传统的微流控芯片的微通道加工方法，实现封闭式微通道的全自动精确蚀刻。

为实现上述目的，本发明封闭式微流控通道刻蚀方法的技术方案是采用如下步骤：1）将微流控芯片放入芯片槽正中心，打开封闭式机箱内的温度控制箱使温度保持在50℃，同时驱动三个微型针探底注入式结构的三个驱动电机正转，当三个驱动电机出现堵转时均停转；2）驱动第一针管推拉式结构6的驱动电机正转，第一针管推拉式结构内部的硫酸与铬酸混合的蚀刻液经三通管分别被压入三个微型针探底注入式结构中，并均通过滑动套针注入到待蚀刻位置蚀刻；当传感器检测到蚀刻液从废液出口流出时，第一针管推拉式结构的驱动电机反转，将蚀刻液吸回；如此过程进行三次；3）驱动第三针管推拉式结构的驱动电机正转，第三针管推拉式结构内部的水经三通管分别被压入三个微型针探底注入式结构中，并均通过滑动套针注入到待蚀刻位置清洗，然后第三针管推拉式结构的驱动电机反转，将清水蚀刻液吸回，如此过程进行三次；4）驱动第二针管推拉式结构的驱动电机正转，第二针管推拉式结构内部的15%的清硫酸经三通管分别被压入三个微型针探底注入式结构中，并均通过滑动套针注入到待蚀刻位置，去除氧化膜；然后第二针管推拉式结构的驱动电机反转，将清水蚀刻液吸回，如此过程进行三次；5）驱动三个驱动电机正转，使得三个微型针探底注入式结构的滑动套针继续深入达到待蚀刻处；当三个驱动电机均出现堵转且堵转时间不超过一分钟，则三个微型针探底注入式结构的滑动套针已达到待蚀刻处；6）重复步骤2-5），当堵转时间超过一分钟，蚀刻完毕，保持第三驱动针管推拉式结构的驱动电机正转，对蚀刻好出的微通道进行清洗。

本发明封闭式微流控通道自动刻蚀装置采用的技术方案是：待刻蚀微流控芯片置于芯片槽内，芯片槽的一角设有废液排放通道，排放通道内部装有传感器；待刻蚀微流控芯片与芯片槽均设在封闭式机箱中，封闭式机箱中还设有一个温度控制箱、相同的三个微型针探底注入式结构以及相同的三个针管推拉式结构；第一、第二、第三针管推拉式结构内部分别装有硫酸与铬酸混合的蚀刻液、15%的清硫酸、水且输出管道通过同一个三通管与三个微型针探底注入式结构相连，三个微型针探底注入式结构与待刻蚀微流控芯片的三个接口进行对接，所述微型针探底注入式结构包括外部套有外部滑套的滑动套针，外部滑套和滑动套针之间设置滑轮，外部滑套的接口角度与待蚀刻微流控芯片的接口的角度一致，滑动套针的顶端是微型针头、尾端与储液小车前部相连接，储液小车连接与三通管相连的输液管道且储液小车后部通过涡轮、蜗杆与驱动电机相连。

进一步地，本发明封闭式微流控通道自动刻蚀装置的待刻蚀微流控芯片的三个接口是三个斜面接口，第三斜面接口为水平方向，第一、第二斜面接口的方向分别与水平方向呈顺时针及逆时针45°夹角，待刻蚀微流控芯片的内部嵌有呈Y型的微米级铜丝，微米级铜丝的三个端口分别位于所述三个斜面接口的正中心。

本发明与已有技术相比，具有如下有益效果：

1、采用闭合式刻蚀加工技术可避免微通道在热压成型以及注塑成型的过程中形成的多样性缺陷。废液通道内装有传感器有效提供反馈量，从而精确控制针管推拉式结构对蚀刻液、酸液或者水的注入量。

2、本发明所采用的封闭式蚀刻方法直接封闭蚀刻出微通道管路，无需盖片沾合，避免了由此带来的渗液问题。

3、本发明设计了新式的微型针探底注入式结构由滑动套针、储液小车以及电机驱动器三部分组成保证了蚀刻液注入的充分性和自动性、无需人工操作。

4、本发明所涉及的滑动套针的外部滑套的接口角度与待蚀刻微流控芯片的斜面接口相同，从而保证了内套的针孔能够准确的向微流控芯片中的微铜丝喷射蚀刻液。

5、本发明将电机驱动微型针探底注入式结构内部滑动套针，使滑动套针的微型针头始终顶在微管道的最深处，从而使蚀刻液从底部往外注入，保证注入的液体从管道深处往外溢出，有效避免蚀刻过程中产生的气泡阻碍化学蚀刻的进行。

6、本发明的蚀刻液的驱动结构采用针管推拉式结构能够将蚀刻液在金属面反复冲洗，对微流控芯片微通道进行清洗，加速蚀刻和清洗的效率。

7、推拉针管由电机与涡轮蜗杆配合，从而保证了蚀刻液、清洗液的自动注入。

8、整个蚀刻采用封闭式结构，温控装置保证机箱内部的温度控制在50℃，使得蚀刻的速度达到最大。

9、微型针探底注入式结构以及针管推拉式结构都有电机进行驱动执行，整个蚀刻机采用上位机编程控制，将蚀刻液、酸液以及水按照蚀刻对象的标准蚀刻流程进行编程蚀刻，每次注射蚀刻时还可将蚀刻液进行反复抽吸，保证蚀刻、去氧化膜或者清洗等过程的均匀性和充分性，实现了整个蚀刻过程的全自动进行。

10、本发明的封闭式微流孔通道的刻蚀方法与自动刻蚀装置不限于微通道的蚀刻加工还可以用于微流控芯片微通道的清洗。

11、微型针探底注入式结构的滑动套针的外部滑套的接口角度与待蚀刻微流控芯片的斜面接口的角度相同，从而保证了内套的针孔能够准确的向微流控芯片中的微铜丝喷射蚀刻液。

附图说明

图1本发明封闭式微流控通道自动刻蚀装置的整体结构俯视图；

图2是图1中待蚀刻微流控芯片10的结构放大图；

图3是图1中微型针探底注入式结构的结构放大图；

图4是图1中针管推拉式结构的结构放大图；

图5和图6是本发明自动装置的蚀刻流程图；

图中：1封闭式机箱；2温度控制箱；3、4、5微型针探底注入式结构；6、7、8针管推拉式结构；9芯片槽；10待蚀刻微流控芯片；11微米级铜丝；12、13、14斜面接口；15微型针头；16外部滑套；17滑轮；18储液小车；19输液管道；20涡轮；21蜗杆；22驱动电机；23机座；24螺丝；25滑动套针；26密封橡胶；27驱动电机；28内管；29外管；30、31、32、33驱动电机；34排放通道；35传感器。

具体实施方式

参见图1，本发明的微流控通道自动蚀刻装置的整体结构包括一个封闭式机箱1、一个温度控制箱2、相同的三个微型针探底注入式结构3、4、5以及相同的三个针管推拉式结构6、7、8；温度控制箱2、三个微型针探底注入式结构3、4、5以及三个针管推拉式结构6、7、8都设置在封闭式机箱1中。将注塑好的待刻蚀微流控芯片10放置于芯片槽9内，待刻蚀微流控芯片10与芯片槽9也均设在封闭式机箱1中，分别将三个微型针探底注入式结构3、4、5与待刻蚀微流控芯片10的三个接口进行对接。三个针管推拉式结构6、7、8内部分别装有硫酸与铬酸混合的蚀刻液、15%的清硫酸、水。三个针管推拉式结构6、7、8的输出管道通过同一个三通管36同时与三个微型针探底注入式结构3、4、5相连，使得三个针管推拉式结构6、7、8分别将硫酸与铬酸混合的蚀刻液、15%的清硫酸、水经三通管36以及三个微型针探底注入式结构3、4、5注入待蚀刻微流控芯片10芯片的三个接口进行蚀刻。

参见图1及图2，图2为本发明所涉及的待蚀刻微流控芯片10的结构图，待刻蚀微流控芯片10有三个接口，分别是斜面接口14、13、12，图中斜面接口14为水平方向，斜面接口12、13的方向分别与水平方向呈顺时针及逆时针45°夹角，各斜面接口14、13、12的开口角度与微型针探底注入式结构3、4、5的接口角度一致，均为45°，可方便对接。拉制的呈Y型的微米级铜丝11通过注塑嵌在待刻蚀微流控芯片10的内部，微米级铜丝11的三个端口分别位于三个斜面接口12、13、14的正中心。芯片槽9用于安放待蚀刻微流控芯片10，在芯片槽9的一角设有废液排放通道34，排放通道34内部装有传感器35，传感器35连接外部的控制中心，用于向控制中心发送废液流动信号。

参见图1、图2及图3，图3为微型针探底注入式结构3、4、5的视图，本发明以其中的微型针探底注入式结构3为例说明。图3中，微型针探底注入式结构3主要包括滑动套针25、储液小车18以及驱动电机22三部分，滑动套针25采用晶面硅片制造，滑动套针25的顶端是微型针头15，微型针头15的顶端接触于微米级铜丝11，微型针头15的内径为10微米。滑动套针25的外部套有外部滑套16，外部滑套16的接口角度与待蚀刻微流控芯片10的斜面接口14的角度一致，方便两者对接。在外部滑套16和滑动套针25之间设置滑轮17，滑轮17固定连接于外部滑套16的内壁上，使滑动套针25通过固定于外部滑套16的滑轮17在外部滑套16内部自由滑动。滑动套针25的尾端与储液小车18的前部相连接，储液小车18连接输液管道19，输液管道19与三通管36相连，通过输液管道19将蚀刻液输送进储液小车18。储液小车18的后部通过涡轮20以及蜗杆21与驱动电机22相连，驱动电机22通过螺丝24固定在机座23上。驱动电机22旋转并通过涡轮20以及蜗杆21传动驱动推动储液小车18，带动滑动套针25的微型针头15始终顶在待蚀刻的微米级铜丝11面上。微型针探底注入式结构4、5的结构与微型针探底注入式结构3相同，微型针探底注入式结构4、5分别采用图1中所示的驱动电机32和33驱动，同样通过涡轮蜗杆机构传动。

参见图1、图3及图4，图4为本发明的针管推拉式结构6、7、8。本发明仅以其中的针管推拉式结构8为例说明。图4中的结构采用耐腐蚀玻璃制作，针管推拉式结构8由驱动电机27、涡轮蜗杆机构、内管28、外管29和密封橡胶26组成，驱动电机27通过涡轮蜗杆机构连接内管28尾端，内管28外套有外管29，在内管28顶端设置密封橡胶26，外管29之间设置密封橡胶26，密封橡胶26保证外管29与内管28在发生相对运动时不漏液，外管29内部装有水。整个针管推拉式结构6、7、8与微型针探底注入式结构3、4、5的驱动机构一样，都采用了驱动电机以及涡轮蜗杆机构。针管推拉式结构6、7与针管推拉式结构8的结构相同，在针管推拉式结构6、7的外管内部分别装有硫酸与铬酸混合的蚀刻液、15%的清硫酸。针管推拉式结构6、7分别采用了图1中所示的驱动电机30、31以及涡轮蜗杆机构。

参见图1、图3、图4、图5及图6，图5为本发明的自动刻蚀的流程图。将微流控芯片10放入芯片槽9正中心后，启动初始化程序如图5所示，首先打开封闭式机箱1内的温度控制箱2，使封闭式机箱1内的化学反应始终保持在50℃的最佳环境温度，然后同时驱动三个驱动电机23、32、33正转，当三个驱动电机23、32、33出现堵转时，说明三个微型针探底注入式结构3、4、5中的滑动套针25已经达到待蚀刻处（即微型针头15顶到待蚀刻的微米级铜丝11面上），此时停转三个驱动电机23、32、33，程序进入蚀刻阶段如图6所示。驱动电机31正转，此时针管推拉式结构6的外管内部的硫酸与铬酸混合的蚀刻液经三通管36分别被压入三个微型针探底注入式结构3、4、5中的储液小车中，并通过滑动套针25注入到待蚀刻位置，此时发生化学反应（2CrO₃+3Cu+6H₂SO₄→Cr₂(SO₄)₃+3CuSO₄+6H₂O），蚀刻液向废液出口34流出，当传感器35检测到蚀刻液从废液出口34流出时，驱动电机31反转，将蚀刻液吸回。如此过程进行三次后，驱动电机27正转，此时针管推拉式结构8内部的水经三通管36分别被压入三个微型针探底注入式结构3、4、5，并通过滑动套针25注入到待蚀刻位置进行清洗，然后驱动电机27反转，将清水蚀刻液吸回，如此过程进行三次。再驱动电机30正转，此时针管推拉式结构7内部的15%的清硫酸经三通管36分别被压入三个微型针探底注入式结构3、4、5中的储液小车中，并通过滑动套针25注入到待蚀刻位置，将氧化还原过程中形成的氧化膜去除。然后驱动电机27反转，将清水蚀刻液吸回，如此过程进行三次。然后驱动三个驱动电机23、32、33正转，使得微型针探底注入式结构3、4、5的滑动套针25继续深入达到待蚀刻处。当三个驱动电机23、32、33出现堵转，且堵转时间不超过一分钟，说明微型针探底注入式结构3、4、5的滑动套针25已经达到待蚀刻处。此时重复上述蚀刻步骤，当堵转时间超过一分钟，说明蚀刻已进行完毕，此时进入结束状态。结束状态可以保持驱动电机27正转，对蚀刻好出的微通道进行清洗。

Claims

1.一种封闭式微流控通道刻蚀方法，其特征是具有如下步骤：

1）将微流控芯片（10）放入芯片槽（9）正中心，打开封闭式机箱（1）内的温度控制箱（2）使温度保持在50℃，同时驱动三个微型针探底注入式结构的三个驱动电机正转，当三个驱动电机出现堵转时均停转；

2）驱动第一针管推拉式结构（6）的驱动电机正转，第一针管推拉式结构（6）内部的硫酸与铬酸混合的蚀刻液经三通管（36）分别被压入三个微型针探底注入式结构中，并均通过滑动套针注入到待蚀刻位置蚀刻；当传感器（35）检测到蚀刻液从废液出口（34）流出时，第一针管推拉式结构（6）的驱动电机反转，将蚀刻液吸回；如此过程进行三次；

3）驱动第三针管推拉式结构（8）的驱动电机正转，第三针管推拉式结构（8）内部的水经三通管（36）分别被压入三个微型针探底注入式结构中，并均通过滑动套针注入到待蚀刻位置清洗，然后第三针管推拉式结构（8）的驱动电机反转，将清水蚀刻液吸回，如此过程进行三次；

4）驱动第二针管推拉式结构（7）的驱动电机正转，第二针管推拉式结构（7）内部的15%的清硫酸经三通管（36）分别被压入三个微型针探底注入式结构中，并均通过滑动套针注入到待蚀刻位置，去除氧化膜；然后第二针管推拉式结构（7）的驱动电机反转，将清水蚀刻液吸回，如此过程进行三次；

5）驱动三个驱动电机正转，使得三个微型针探底注入式结构的滑动套针继续深入达到待蚀刻处；当三个驱动电机均出现堵转且堵转时间不超过一分钟，则三个微型针探底注入式结构的滑动套针已达到待蚀刻处；

6）重复步骤2-5），当堵转时间超过一分钟，蚀刻完毕，保持第三驱动针管推拉式结构（8）的驱动电机正转，对蚀刻好出的微通道进行清洗。

2.一种实现权利要求1所述封闭式微流控通道刻蚀方法的自动刻蚀装置，待刻蚀微流控芯片（10）置于芯片槽（9）内，其特征是：芯片槽（9）的一角设有废液排放通道（34），排放通道（34）内部装有传感器（35）；待刻蚀微流控芯片（10）与芯片槽（9）均设在封闭式机箱（1）中，封闭式机箱（1）中还设有一个温度控制箱（2）、相同的三个微型针探底注入式结构以及相同的三个针管推拉式结构；第一、第二、第三针管推拉式结构内部分别装有硫酸与铬酸混合的蚀刻液、15%的清硫酸、水且输出管道通过同一个三通管（36）与三个微型针探底注入式结构相连，三个微型针探底注入式结构与待刻蚀微流控芯片（10）的三个接口进行对接，所述微型针探底注入式结构包括外部套有外部滑套（16）的滑动套针（25），外部滑套（16）和滑动套针（25）之间设置滑轮（17），外部滑套（16）的接口角度与待蚀刻微流控芯片（10）的接口的角度一致，滑动套针（25）的顶端是微型针头（15）、尾端与储液小车（18）前部相连接，储液小车（18）连接与三通管（36）相连的输液管道（19）且储液小车（18）后部通过涡轮（20）、蜗杆（21）与一驱动电机相连。

3.根据权利要求2所述的自动刻蚀装置，其特征是：所述待刻蚀微流控芯片（10）的三个接口是三个斜面接口，第三斜面接口为水平方向，第一、第二斜面接口的方向分别与水平方向呈顺时针及逆时针45°夹角，待刻蚀微流控芯片（10）的内部嵌有呈Y型的微米级铜丝（11），微米级铜丝（11）的三个端口分别位于所述三个斜面接口的正中心。

4.根据权利要求2所述的自动刻蚀装置，其特征是：所述针管推拉式结构由另一驱动电机（27）、涡轮蜗杆机构、内管（28）、外管（29）和密封橡胶（26）组成，另一驱动电机（27）通过涡轮蜗杆机构连接内管（28）尾端，内管（28）外套有外管（29），在内管（28）顶端设置密封橡胶（26），第一、第二、第三针管推拉式结构的三个外管（29）内部分别装有硫酸与铬酸混合的蚀刻液、15%的清硫酸、水。