CN103058131A - 一种高强度可逆键合微流控芯片的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度可逆键合微流控芯片的制作方法，所述方法首先利用牺牲层模具制作集成微管道结构的PDMS薄膜，并将PDMS薄膜结构面与一预先打孔的硬质基片对准贴合，然后将另一预先旋涂PDMS预聚体和固化剂混合液的硬质基片贴附于PDMS薄膜背面，并固化，制作完成完全无缝贴合的基片-PDMS-基片夹心式微流控芯片。最后，通过夹具从上下两面夹持夹心式微流控芯片的两片硬质基片，增强夹心式微流控芯片微管道结构耐受外加压强的能力。基于本发明制作的组合夹具的夹心式微流控芯片同时具备了可逆组装和抗高压的优势，大大地拓展了可逆键合微流控芯片的应用范围，降低了微流控芯片的应用成本。

Description

一种高强度可逆键合微流控芯片的制作方法

技术领域

本发明涉及一种高强度可逆键合微流控芯片的制作方法，可应用于微流控系统和芯片实验室。

背景技术

微流控芯片因其耗样少、分析速度快、可控性好、易集成等优点，近年来受到越来越多的关注和追捧。总体上来说，微流控芯片实际上是以微机电加工技术为依托、以微管道网络为结构特征、以各种试剂流体为主要应用对象的一种新的技术平台。通常，微流控芯片的制作包括两个主要步骤：第一步是在基片上制作微管道网络，制作方法包括湿法刻蚀、干法刻蚀、印模法、注模法、激光烧蚀法等；第二步是将基片和盖片键合在一起形成完整的微流控芯片，键合不仅要求基片与盖片具有一定的结合强度，而且要求基片与盖片接触面形成很好的密封，保证微管道中流体不发生泄漏。同时，又要防止微管道的变形和堵塞，所以键合是制作性能良好的微流控分析芯片的关键技术之一。目前，微流控芯片的制作材料通常采用玻璃和PDMS，其中玻璃微流控芯片具有透光性高、力学性能好的优点，但是基于玻璃的微流控芯片在制备方面存在制作成本偏高及加工周期较长等缺点；而PDMS微流控芯片则具有加工简便、成本低廉的优势，但是其机械性能差、蛋白吸附等缺陷则限制了其实际应用。根据微流控芯片的加工基质不同，键合方法也有很大差异。玻璃微流控芯片的键合通常采用高温热键合和粘接键合，高温热键合对操作环境和基片的平整度要求较高，普通的实验室一般难以满足，键合成功率较低，而粘接键合通过在基片和盖片之间使用粘接剂进行键合，容易造成微管道阻塞；PDMS微流控芯片则通常采用表面活化和直接贴合的方法实现键合，通过等离子体或紫外光处理PDMS基片表面，可以实现PDMS微流控芯片的高强度键合，但是这种键合方法是不可逆的，在芯片的重复应用和复杂功能实现方面具有较大的局限；而直接贴合的PDMS芯片键合方法，具有简便、可逆组装的优点，但是键合强度较小，往往只能应用于低压条件下。为了保持PDMS微流控芯片可逆键合方法的优势，同时又增加其耐受外加压强的能力，拓展其应用范围，最近人们提出了两种策略：一种是在PDMS微流控芯片微管道结构区域周围辅助设计制作一组吸附管道，通过在吸附管道施加负压，增强PDMS芯片基片与盖片的键合强度[M.Le Berrea,C.Crozatiera,G.Velve Casquillasa,Y.Chen.Reversible assembling of microfluidic devices byaspiration,Microelectronic Engineering,2006,83:1284–1287.]。但是这种方法一方面增加了PDMS芯片的面积和体积，另一方面需要增加实施抽吸的辅助设备，且最大耐受压强仍然不高（<100kPa）；另一种策略是在PDMS芯片制作过程中掺入磁粉或磁块，通过磁力作用增强PDMS芯片的键合强度[M.Rafat,D.R.Raad,A.C.Rowat,D.T.Auguste.Fabrication of reversibly adhesivefluidic devices using magnetism,Lab Chip,2009,9:3016-3019.]。这种方法同样也增加了PDMS芯片的面积和体积，限制了芯片微管道结构的设计，可耐受外加压强也很有限，而且由于磁铁或磁粉的存在，一定程度上妨碍了芯片操作中的光学观测。显然，上述两种策略仍然未能让所制作的微流控芯片满足同时具有可逆组装与高强度键合的实际应用需求。最近又有人报道，玻璃-PDMS-玻璃夹心式结构的微流控芯片可以进行可逆组装，同时又能抵抗较高强度的外加压强（耐受压强能力与PDMS-玻璃接触面积相关）[D.W.Inglis.A methodfor reducing pressure-induced deformation in silicone microfluidics,Biomicrofluidics,2010,4:026504-1-026504-8.]。现有的玻璃-PDMS-玻璃夹心式结构的微流控芯片制作方法通常是将PDMS预聚体和固化剂混合液浇注于模具表面后直接压盖玻璃基片，形成PDMS薄层，待PDMS固化后，通过刀片钻撬，将PDMS-玻璃从模具上分离开，然后与玻璃盖片键合。分离过程中，由于玻璃基片支撑作用，PDMS膜形变较小，因而往往需要较大的力才能克服PDMS与模具的粘附力，实现PDMS-玻璃从模具上的分离，这种较大的作用力极易导致模具损坏或玻璃基片断折。另外，键合过程中，该方法对玻璃盖片的平整度也有非常高的要求。因此基于该方法制作的夹心式微流控芯片的成品率往往较低。此外，由于玻璃-PDMS-玻璃夹心式结构的微流控芯片键合中发挥主要作用的是范德华力，该作用力与PDMS-盖片玻璃接触面积相关，因此对具有高密度微管道或腔体结构的芯片设计来说，由于PDMS与盖片玻璃的接触面积较小，导致键合强度较低，即现有的简单夹心式微流控芯片在复杂结构的微流控设计和应用方面仍有很大的局限。因此，需要改进现有夹心式微流控芯片的制作方法，发展真正可实现可逆组装与高强度键合的微流控芯片，为微流控芯片的广泛应用提供切实可靠地解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强度可逆键合微流控芯片的制作方法，所述方法通过制作完全无缝贴合的基片-PDMS-基片夹心式微流控芯片并结合夹具辅助，不仅提高了微流控芯片的力学性能和耐受外加压强的能力，而且也保持了微流控芯片可逆组装和重复应用的特性；这种微流控芯片大大降低了微流控技术的应用成本，拓展了微流控芯片的应用范围。

本发明提供的一种高强度可逆键合微流控芯片的制作方法，其特征在于：所述方法首先利用牺牲层模具制作集成微管道结构的PDMS薄膜，并将PDMS薄膜结构面与一预先打孔的硬质基片对准贴合，然后将另一预先旋涂PDMS预聚体和固化剂混合液的硬质基片贴附于PDMS薄膜背面，并固化，形成完全无缝贴合的基片-PDMS-基片夹心式微流控芯片。最后，通过夹具从上下两面夹持固定夹心式微流控芯片的两片硬质基片，形成可抵抗高强度外加压强的可逆键合微流控芯片。其中所述牺牲层模具利用PDMS转模工艺制作，即首先通过微加工工艺制作的母模，然后在母模上浇注PDMS预聚体和固化剂混合液，加热固化、剥离，制作PDMS反转模；再将加热熔解的琼脂糖溶液浇注于PDMS反转模具表面，冷却、剥离，制作形成与母模具有相同微结构、且具有可熔解性的牺牲层模具。制作牺牲层模具的目的是简化后续PDMS薄膜结构剥离和释放过程，提高成功率。当PDMS预聚体和固化剂混合液旋涂于牺牲层模具表面，并固化制得PDMS薄膜结构后，可通过加热熔解牺牲层模具自动释放PDMS薄膜结构，大大降低了脆弱PDMS薄膜结构剥离释放的难度，同时也避免了传统夹心式微流控芯片制作中易于损坏模具和基片的问题。其中所述基片为表面平整的片状材料，其杨氏模量至少大于1GPa，材料可以为玻璃、硅片、环氧树脂、PMMA（Polymethylmeth-acrylate，聚甲基丙烯酸甲酯）、PS（Polystyrene，聚苯乙烯）或PVC（Polyvinyl chloride，聚氯乙烯）。硬度较大的基片可以很好的保证夹心式微流控芯片的力学特性，防止芯片微管道变形，避免宽尺度微管道和腔体结构的塌陷。另外，通过夹具辅助夹持固定，可以进一步增强夹心式微流控芯片键合强度，提高应用中耐受外加压强的能力，其中所用夹具可以为燕尾夹、金属文件夹，也可以为一对具结合螺钉的硬质平板，其中上平板预先打孔，且打孔位置与微流控芯片各接口位置一一对应，便于微流控芯片与外部接口的连接。

具体而言，本发明提供的一种高强度可逆键合微流控芯片制作方法的流程如下：首先通过微加工工艺制作母模，然后在母模上浇注PDMS，通过PDMS倒模工艺制作PDMS反转模，再将琼脂糖溶液浇注于PDMS反转模上，冷却剥离后，制得基于琼脂糖的牺牲层模具；完成牺牲层模具制作后，将PDMS预聚体和固化剂混合液旋涂于牺牲层模具表面，并固化，制得PDMS薄膜结构，然后将牺牲层模具和PDMS薄膜一起浸入热水中，通过加热熔解牺牲层模具自动释放PDMS薄膜结构；从水中取出释放的PDMS薄膜结构，将其结构面对准平铺于一预先打孔的基片上。由于PDMS具有极好的柔顺性，因而可以自然无缝贴合于基片上。待水分挥发完全后，将另一预先旋涂PDMS预聚体和固化剂混合液的基片压贴于PDMS薄膜结构的背面，加热固化后形成基片-PDMS-基片夹心式微流控芯片。由于PDMS预聚体和固化剂混合液具有较好的流动性，因此压贴过程中预涂的PDMS预聚体和固化剂混合液可以很好地填补基片与PDMS薄膜之间的缝隙，实现基片与PDMS薄膜的无缝贴合，避免了传统方法中键合过程对基片平整度的高要求。夹心式结构制作完成后，利用夹具夹持固定微流控芯片上下两片基片的外缘区域，增强微流控芯片抵抗外加压强的能力，保证微流控芯片在各种压强情况下的有效应用。

利用本发明提供的方法特征还有：

①所述夹具作用于微流控芯片上下基片的夹持力至少大于3kg；

②所述的微流控芯片可实现拆解和重组装，即其基片-PDMS-基片各层结构可无损分开，应用于后端开放式分析检测，或者清洗后重新组装，实现重复应用；

③所述的微流控芯片的微管道可承受至少200kPa的流体压强而不发生泄漏；

④制作的微管道结构的PDMS薄膜的厚度小于300μm；

⑤硬质平板中一块平板对应微流控芯片各接口位置的区域具有开孔结构。

本发明相比现有的微流控芯片制作方法，实现了同时具有可逆组装和高强度键合特性的微流控芯片的制作，且工艺简单、成功率高，所制备的微流控芯片不仅可以方便、灵活地组装、拆解、重复循环使用，而且可以耐受各种高压工作条件（>500kPa），同时还避免了传统PDMS微流控芯片应用中微结构的变形和塌陷等问题，大大降低了微流控芯片实际应用的成本，拓展了微流控芯片的适用范围。

附图说明

图1为本发明实施例制作PDMS反转模的流程示意图。a.光刻工艺制作母模结构；b.母模上浇注PDMS；c.剥离制得PDMS反转模。

图2为本发明实施例制作牺牲层模具的流程示意图。a.PDMS反转模上浇注琼脂糖溶液；b.取出PDMS反转模和琼脂糖模具，置于玻璃基片上；c.切除多余琼脂糖，并剥离PDMS反转模制得琼脂糖牺牲层模具。

图3为本发明实施例制作PDMS薄膜结构的流程示意图。a.牺牲层模具上旋涂PDMS；b.加热熔解牺牲层模具，释放PDMS薄膜结构。

图4为本发明实施例组装制作玻璃-PDMS-玻璃夹心式微流控芯片的流程示意图。a.PDMS薄膜结构对准贴合于预先打孔玻璃基片表面；b.一预先旋涂PDMS玻璃基片压贴与PDMS薄膜结构背面；c.PDMS固化并组装芯片接口。

图5为本发明实施例利用夹具夹持固定玻璃-PDMS-玻璃夹心式微流控芯片的示意图。a.利用燕尾夹夹持；b.利用夹板夹持。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步。

本发明提出的一种高强度可逆键合微流控芯片加工具体流程如下：

1.利用SU-8负性光刻胶，通过涂胶、软烘、曝光、后烘、显影、硬烘等步骤在硅片上制作母模（如图1a）；然后在母模上浇注PDMS预聚体和固化剂混合液（10:1，w/w）（如图1b），加热固化（~85℃，1hr），并剥离，制得PDMS反转模（如图1c）。

2.将PDMS反转模结构面向外贴附于培养皿底部，然后浇注琼脂糖溶液（如图2a）；待琼脂糖溶液冷却固化后，将PDMS反转模和琼脂糖一起取出倒置于平板玻璃基片上（如图2b）；切除外缘多余琼脂糖，并剥离PDMS反转模，制得基于琼脂糖的牺牲层模具（如图2c）。

3.在琼脂糖牺牲层模具上旋涂PDMS预聚体和固化剂混合液（10:1，w/w），形成PDMS薄层（如图3a），待PDMS固化后，将琼脂糖牺牲层模具和PDMS薄膜一起浸入热水中（~95℃），熔解琼脂糖模具，释放PDMS薄膜结构（如图3b）。

4.将PDMS薄膜的结构面与一预先打孔的玻璃基片对准贴合（如图4a），然后将另一预先旋涂PDMS预聚体和固化剂混合液（10:1，w/w）的基片压贴于PDMS薄膜结构背面（如图4b），待PDMS固化后，粘接组装微流控芯片接口，即制得无缝贴合的芯片-PDMS-基片夹心式微流控芯片（如图4e所示的）。

5.最后，利用燕尾夹、金属文件夹或者一对组合螺钉的平板夹板夹持固定夹心式微流控芯片（如图5），以增强夹心式微流控芯片耐受外加压强的能力。

Claims (10)

1.一种高强度可逆键合微流控芯片的制作方法，其特征在于首先利用牺牲层模具制作集成微管道结构的PDMS薄膜，并将PDMS薄膜结构面与一预先打孔的硬质基片对准贴合；然后将另一预先旋涂PDMS预聚体和固化剂混合液的硬质基片压贴于PDMS薄膜背面，并固化，形成完全无缝贴合的基片-PDMS-基片夹心式微流控芯片；最后，通过夹具从上下两面夹持固定夹心式微流控芯片的两片硬质基片，形成可抵抗高强度外加压强的可逆键合微流控芯片。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于具体步骤是：

a.利用SU-8负性光刻胶，通过涂胶、软烘、曝光、后烘、显影和硬烘步骤在硅片上制作母模；然后在母模上浇注PDMS预聚体和固化剂混合液，加热固化，并剥离，制得PDMS反转模；

b.将PDMS反转模结构面向外贴附于培养皿底部，然后浇注琼脂糖溶液，待琼脂糖溶液冷却固化后，将PDMS反转模和琼脂糖一起取出倒置于平板玻璃基片上；切除外缘多余琼脂糖，并剥离PDMS反转模，制得基于琼脂糖的牺牲层模具；

c.在琼脂糖牺牲层模具上旋涂PDMS预聚体和固化剂混合液，形成PDMS薄层，待PDMS固化后，将琼脂糖牺牲层模具和PDMS薄膜一起浸入热水中，熔解琼脂糖模具，释放PDMS薄膜结构；

d.将PDMS薄膜的结构面与一预先打孔的基片对准贴合，然后将另一预先旋涂PDMS预聚体和固化剂混合液的基片压贴于PDMS薄膜结构背面，待PDMS固化后，粘接组装微流控芯片接口，即制得无缝贴合基片-PDMS-基片夹心式微流控芯片；

e.最后，利用夹具夹持固定夹心式微流控芯片，以增强夹心式微流控芯片耐受外加压强的能力。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

①步骤a、步骤c和步骤d所述的PDMS预聚体和固化剂混合液质量比为10：1；

②步骤c所述的热水温度为95℃。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于制作的微管道结构的PDMS薄膜的厚度小于300μm。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：

①所述的基片为杨氏模量至少大于1GPa的表面平整的片状材料；

②所述的材料为玻璃、硅片、环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯或聚氯乙烯。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述夹具为燕尾夹、金属文件夹或为一对结合螺钉的硬质平板。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述夹具作用于微流控芯片上下基片的夹持力至少大于3kg。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于硬质平板中一块平板对应微流控芯片各接口位置的区域具有开孔结构。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的微流控芯片可实现拆解和重组装，即将完全无键贴合的基片-PDMS-基片各层结构可无损分开，应用于后端开放式分析检测，或者清洗后重新组装，实现重复应用。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的微流控芯片的微管道承受至少200kPa的流体压强而不发生泄漏。

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