CN102897710A - 一种pdms微流体器件中通孔结构的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种PDMS微流体器件中通孔结构的制作方法，在预备好的含有凸柱的模具的边缘注入PDMS预聚物；凸柱的形状和尺寸与所需制备的通孔层中通孔的形状和尺寸一致，其中，凸柱的高度与需要获得的通孔层的厚度一致；利用毛细力的作用使PDMS预聚物缓慢平稳地浸润入各凸柱之间的间隙，直至铺展满整个模具，固化后形成PDMS通孔层。本发明具有操作简便、可以有效保证孔的完全穿通、通孔层表面平整和模具材料可选择范围广的优点，可以广泛地用于PDMS微流体器件中通孔结构的制作过程中。

Description

一种PDMS微流体器件中通孔结构的制作方法

技术领域

本发明涉及一种制造微观结构的方法，特别关于一种聚二甲基硅氧烷微流体器件中通孔结构的制作方法。

背景技术

近年来，微流体器件的研究迅速发展，器件的设计和功能不断推陈出新。其中，具有多层微通道结构的器件相比于目前常规的单层结构的器件来说，能够构造出更复杂的结构和实现更多样的功能，这将大大拓展器件的应用范围和提升其性能。制作微流体器件的材料主要有硅、玻璃、石英和高分子聚合物等，其中聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，简称PDMS）以其易于微模铸、价格便宜、耐用且化学惰性、生物相容性好、透明等优点，在微流体器件的研究中得到广泛应用。多层的微流体器件需要连通不同层微通道的通孔结构，然而由于PDMS难以进行刻蚀加工，因而传统的光刻工艺不适于用来制作PDMS的通孔结构，需要寻找新的方法。

目前制作PDMS微通孔结构的方法均是使用含有凸柱的模具或在基底上制作凸柱，再注入由PDMS单体与固化剂混合而成的PDMS预聚物，并在PDMS预聚物固化的同时于凸柱位置获得通孔结构。具体来说，根据PDMS预聚物注入的方式可分为以下三类：

第一类方式是，以浇注或旋涂的方式在制作有凸柱的基底或模具上铺展一层厚度小于凸柱高度的PDMS层并固化，之后将PDMS层揭下或是将凸柱去除来获得PDMS通孔结构。这类方法的不足是，由于PDMS层厚度小于凸柱高度，PDMS会因浸润作用在凸柱侧面形成弯月面，导致最终获得的通孔层不平整；另一方面，浇注或旋涂过程中PDMS容易漫到凸柱上表面，这会导致最终形成一层连续薄膜而使得所需通孔不能有效穿通，需要特殊的方法去除，如固化之前吹气或固化后刻蚀。

第二类方式是微转移模铸，即在预先制作好的含有凸柱的模具上整体浇注满PDMS预聚物，再用另一平片紧压在模具上，排挤掉过多的PDMS预聚物，固化后揭开即获得位于凸柱位置处的通孔。这种方法可以获得平整的PDMS层，但在保证孔的穿通方面仍有不足，首先需要额外压紧装置，其次多余的PDMS预聚物很难被完全排挤出，另外，为使平片与凸柱尽可能充分贴合，模具和平片之一通常选择用PDMS制作，因此需要特殊的表面处理方能实现与PDMS通孔层的分离。

第三类方式是毛细微模铸，即先将平片与含有凸柱的模具盖在一起，再将PDMS预聚物在毛细力驱动下从模具一侧注入模具结构中，固化后揭开即获得位于凸柱位置处的通孔。这种方法可以保证孔的穿通，但与第二类微转移模铸方法一样，为使平片与凸柱尽可能充分贴合，模具和平片之一需选择用PDMS制作，因此也需要特殊的表面处理方能实现与PDMS通孔层的分离。

总的来看，现有技术中为了有效地形成通孔，或是需要额外的装置，或是需要额外的特殊工艺，增加了制作过程的复杂度和制作成本。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种操作简便且能有效保证孔的完全穿通的PDMS微流体器件中通孔结构的制作方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种PDMS微流体器件中通孔结构的制作方法，其特征在于：在预备好的含有凸柱的模具的边缘注入PDMS预聚物；凸柱的形状和尺寸与所需制备的通孔层中通孔的形状和尺寸一致，其中，凸柱的高度与需要获得的通孔层的厚度一致；利用毛细力的作用使PDMS预聚物缓慢平稳地浸润入各凸柱之间的间隙，直至铺展满整个模具，固化后形成PDMS通孔层。

1）制作含有若干凸柱结构的模具，凸柱的形状和尺寸与所需制备的通孔层中通孔的形状和尺寸一致，其中，凸柱的高度与需要获得的通孔层的厚度一致；2）从模具的边缘缓慢平稳地注入PDMS预聚物，PDMS预聚物在毛细力作用下沿着各凸柱之间的间隙延伸；3）待PDMS预聚物填满各凸柱之间的间隙后，适量补充PDMS预聚物使PDMS预聚物液面与模具齐平；4）将铺展满模具的PDMS预聚物进行固化，形成PDMS通孔层；5）从模具上揭下PDMS通孔层直接使用，或者先将PDMS通孔层与其它层键合后，再一起从模具上揭下。

所述模具水平放置。

所述模具中凸柱的尺寸，包括凸柱的宽度或直径、高度以及各凸柱之间的间隙，在10μm至1000μm范围内。

所述凸柱的尺寸，在50μm至200μm范围内。

所述注入PDMS预聚物的步骤中，从模具边缘的一处注入PDMS预聚物；或者从所述模具边缘的多处同时注入PDMS预聚物。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于PDMS预聚物注入模具结构是仅受毛细力驱动，在模具的凸柱间隙中铺展，不会漫到凸柱上表面，因此本发明可以有效地保证孔的完全穿通。2、本发明由于PDMS预聚物注入模具结构是凭借毛细力的作用，而毛细作用在小尺度下越发明显，模具的凸柱间隙较小时更利于PDMS预聚物的铺展，因此本发明适宜高集成度微小通孔阵列的制作。3、本发明由于在将PDMS预聚物注入模具结构时可以避免PDMS预聚物漫到凸柱上表面，凸柱的高度无需高于所需制作的PDMS通孔层的厚度，因此可以避免在凸柱周围形成弯月面，从而有益于提高PDMS通孔层的平整度。4、本发明待PDMS预聚物填满各凸柱之间的间隙后，于模具边缘适量补充PDMS预聚物，使液面与凸柱表面齐平，从而有益于进一步提高PDMS通孔层的平整度。5、本发明无需额外的设备或复杂的处理工艺，就可以有效地保证了通孔完全穿通，而且通孔层表面平整，因此本发明具有成本低且制作过程简便的优点。6、本发明中模具材料可以是硅或金属或SU-8胶等，只要模具的材料能最终与PDMS通孔层脱离即可，因此本发明具有模具材料可以选择范围广的优点。本发明具有操作简便、可以有效保证孔的完全穿通、通孔层表面平整和模具材料可选择范围广的优点，可以广泛地用于PDMS微流体器件中通孔结构的制作过程中。

附图说明

图1是本发明含有长条形通孔的PDMS层的制作流程示意图

图2是本发明含有圆柱形通孔的PDMS层的制作流程示意图

图3为本发明制作一种多层微通道结构的示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

实施例1：

如图1所示，本发明的PDMS微流体器件中的长条形通孔的制作方法，包括以下步骤：

1）如图1a所示，制作模具1，模具1中含有对应于所需制作的通孔的若干长条形凸柱2，各长条形凸柱2呈平行式分布，其宽度为100μm，高度为100μm，各长条形凸柱2之间的间距为100μm。

2）如图1b所示，将模具1水平放置，使用注射器或其它进液工具从模具1一侧缓慢注入PDMS预聚物3，PDMS预聚物3是由质量比为10:1的PDMS单体与固化剂混合而成的。PDMS预聚物3逐渐浸润模具1表面并在毛细力作用下沿着各长条形凸柱2之间的间隙延伸。由于微尺度下毛细作用效果明显，PDMS预聚物3在各长条形凸柱2之间的间隙中延伸的速度会明显高于在模具1结构外围的铺展速度。一般来说，室温下PDMS预聚物3在配制后可以保持约4小时的流动性，对于小面积的制作，PDMS预聚物3可以在短时间内（4小时以内）铺展至模具1各处；对于大面积的制作，为防止PDMS预聚物3在未铺满模具1时就已经开始固化，因此可以采用在较低的温度下将PDMS预聚物3注入模具1，或者采用同时在模具1边缘多处注入PDMS预聚物3，以加快PDMS预聚物3铺满模具1。

3）如图1c所示，待PDMS预聚物3填满各长条形凸柱2之间的间隙后，于模具边缘适量补充PDMS预聚物3，使液面与长条形凸柱2上表面齐平。

4）如图1d所示，将已铺展好的PDMS预聚物3连同模具1置于烘箱中，在90℃下加热60分钟使PDMS预聚物3固化，将固化后的PDMS从模具1上揭下来，即得含有长条形通孔的PDMS通孔层4。

通过上述步骤可以制作出厚度为100μm的含有宽度为100μm，间距为100μm的长条形通孔的PDMS通孔层4，通过与其它PDMS层的键合，即可构成微流体器件的微通道结构。

实施例2：

如图2所示，本发明的PDMS微流体器件中高集成度的圆柱形通孔的制作方法，包括以下步骤：

1）如图2a所示，首先制作模具1，模具1中含有对应于所需制作通孔的圆柱形凸柱5，各圆柱形凸柱5垂向呈矩阵式排列，每一圆柱形凸柱5的直径为150μm，高度为200μm，相邻两圆柱形凸柱5之间的最小间距为50μm。

2）如图2b所示，将模具1水平放置，从模具1一侧缓慢注入PDMS预聚物3；PDMS预聚物3逐渐浸润模具1表面，并在毛细力作用下沿着圆柱形凸柱5之间的间隙延伸。

3）如图2c所示，待PDMS预聚物3填满圆柱形凸柱5的间隙后，于模具边缘适量补充PDMS预聚物3，使液面与圆柱形凸柱5上表面齐平。

4）如图2d所示，待PDMS预聚物3固化，将固化后的PDMS从模具1上揭下来，即得含有圆柱形通孔的PDMS通孔层6。

通过上述步骤可以制作出厚度为200μm的含有直径为150μm，相邻两圆柱形通孔之间的最小间距为50μm的圆柱形通孔阵列的PDMS通孔层6，通过与其它PDMS层的键合，即可构成微流体器件的微通道结构。

上述实施例中，模具1的材料可以是硅或金属或SU-8胶等，只要模具1能够最终与PDMS通孔层脱离即可。

在实施例1与实施例2中，以长条形凸柱2的平行式分布或圆柱形凸柱5的阵列式分布为代表，展示本发明的实施方法，但本发明并不局限于上述两例的通孔的结构形式和分布方式，可以依据实际需要进行具体设计。

实施例3：

本发明可以制作PDMS微流体器件中连通不同微通道层的通孔结构，进而构成含有多层通道的器件。如图3所示，将两片通过实施例1所制成的PDMS通孔层4分别作为上微通道层和下微通道层，将通过实施例2所制成的PDMS通孔层6作为中间层，将此三层结构分两次对准键合，即制作成上下连通的两层微通道结构，其中，PDMS通孔层6中的圆柱形通孔起到连通上下两层微通道的作用。在此两层微通道结构的上方和下方，如果再键合其它的PDMS层或玻璃层，还可制作成含有更多层微通道结构的复杂微流体器件。

归纳上述实施例可知，本发明PDMS微流体器件中通孔结构的制作方法包括以下步骤：

1）制作含有凸柱结构的模具，凸柱的形状和尺寸与需要获得的通孔一致，其中，凸柱的高度与需要获得的通孔层的厚度一致；凸柱的尺寸，包括凸柱的宽度或直径、高度以及各凸柱之间的间隙，适宜在10μm至1000μm范围内，并且最佳的适宜范围是50μm至200μm。

2）从模具的边缘缓慢平稳地注入PDMS预聚物；PDMS预聚物逐渐浸润模具表面并在毛细力作用下沿着各凸柱之间的间隙延伸；其间，模具适宜水平放置。

3）待PDMS预聚物铺展满各凸柱之间的间隙后，于模具边缘适量补充PDMS预聚物，以使PDMS液面与模具齐平。

4）将铺展满模具间隙的PDMS预聚物进行固化即制得所需的PDMS通孔层。

当所制作的PDMS通孔层单独使用时，直接将其从模具上揭下即可；当用于制作多层通道的微流体器件时，可以先从模具上揭下PDMS通孔层，然后再与其它层键合后使用，或者可以先与其它层键合后，再一起从模具上揭下使用。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种PDMS微流体器件中通孔结构的制作方法，其特征在于：在预备好的含有凸柱的模具的边缘注入PDMS预聚物；凸柱的形状和尺寸与所需制备的通孔层中通孔的形状和尺寸一致，其中，凸柱的高度与需要获得的通孔层的厚度一致；利用毛细力的作用使PDMS预聚物缓慢平稳地浸润入各凸柱之间的间隙，直至铺展满整个模具，固化后形成PDMS通孔层。

2.如权利要求1所述的一种PDMS微流体器件中通孔结构的制作方法，其特征在于：

1）制作含有若干凸柱结构的模具，凸柱的形状和尺寸与所需制备的通孔层中通孔的形状和尺寸一致，其中，凸柱的高度与需要获得的通孔层的厚度一致；

2）从模具的边缘缓慢平稳地注入PDMS预聚物，PDMS预聚物在毛细力作用下沿着各凸柱之间的间隙延伸；

3）待PDMS预聚物填满各凸柱之间的间隙后，适量补充PDMS预聚物使PDMS预聚物液面与模具齐平；

4）将铺展满模具的PDMS预聚物进行固化，形成PDMS通孔层；

5）从模具上揭下PDMS通孔层直接使用，或者先将PDMS通孔层与其它层键合后，再一起从模具上揭下。

3.如权利要求1所述的一种PDMS微流体器件中通孔结构的制作方法，其特征在于：所述模具水平放置。

4.如权利要求2所述的一种PDMS微流体器件中通孔结构的制作方法，其特征在于：所述模具水平放置。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种PDMS微流体器件中通孔结构的制作方法，其特征在于：所述模具中凸柱的尺寸，包括凸柱的宽度或直径、高度以及各凸柱之间的间隙，在10μm至1000μm范围内。

6.如权利要求5所述的一种PDMS微流体器件中通孔结构的制作方法，其特征在于：所述凸柱的尺寸，在50μm至200μm范围内。

7.如权利要求1或2或3或4或6所述的一种PDMS微流体器件中通孔结构的制作方法，其特征在于：所述注入PDMS预聚物的步骤中，从模具边缘的一处注入PDMS预聚物；或者从所述模具边缘的多处同时注入PDMS预聚物。

8.如权利要求5所述的一种PDMS微流体器件中通孔结构的制作方法，其特征在于：所述注入PDMS预聚物的步骤中，从模具边缘的一处注入PDMS预聚物；或者从所述模具边缘的多处同时注入PDMS预聚物。

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