CN103121660A

CN103121660A - 面向微流体系统的玻璃基仿生微通道加工装置及加工方法

Info

Publication number: CN103121660A
Application number: CN2013100707060A
Authority: CN
Inventors: 田桂中; 周宏根; 景旭文; 李滨城; 李磊; 张高朋; 顾明文
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2033-03-06
Also published as: CN103121660B

Abstract

本发明公开了一种面向微流体系统的玻璃基仿生微通道加工装置及加工方法，该装置包括玻璃毛细管、左夹持器和右夹持器，玻璃毛细管一端通过电磁调压阀、过滤器与高压气源连接，玻璃毛细管另一端密封并与电磁控制阀连接，左夹持器和右夹持器分别位于同轴的左滑块和右滑块上，玻璃毛细管中间部位设有加热器件，加热器件与调压器连接，调压器与电源连接，左滑块、右滑块和加热器件分别固定在第一传动平台、第二传动平台和第三传动平台上。本发明的玻璃基仿生微通道加工装置及其加工方法，以毫米级玻璃毛细管为毛坯，通过拉伸细化、软化吹制和软化收缩等步骤，加工的仿生微通道，可精确加工出符合微流体系统应用要求的微纳通道，且加工装置结构简单、成本低廉。

Description

面向微流体系统的玻璃基仿生微通道加工装置及加工方法

技术领域

本发明属于微纳加工与微流体器件技术及其装备领域，涉及基于玻璃软化成型工艺的仿生微纳通道加工装置及其加工方法，尤其适用于制作微流控芯片、微混合器、微量检测等微流体系统的微通道。

背景技术

近年来，微流体系统在生物、医疗、微化工、环境检测等领域得到了广泛应用，对其性能、精度、成本等方面提出了越来越苛刻的要求。微流体系统通常由微驱动源、微流路（包括微通道与进出接口）、微阀、储液池、混合（反应）室等单元组成，其中微通道具有其它单元的连接和替代功能，可执行流体输运、操作、处理等操作，是微流体系统的核心元件。

目前，微通道加工工艺可分为三种类型：第一类是基于蚀刻、光刻、腐蚀等技术的微机械加工工艺（[1]Verpoorte E, De Rooij NF. Microfluidics meets MEMS[J].Proceedings of the IEEE, 2003, 91(6)：930-953. [2]林金明，李海芳.高聚物微流控芯片的制备方法[P].中国专利：ZL200410042716.4，2009-07-01.），适合于硅及其氧化物、玻璃、高聚物等材料的微通道加工，可达微米或亚微米量级，但微通道截面形状包括三角形、矩形和半圆形三种；第二类是用于高分子聚合物的热压印和热键合技术（李经民.学位论文：热塑性聚合物立体结构微流控器件制作方法及相关理论研究[D].大连：大连理工大学，2012（3）.），所加工微通道截面形状与微机械加工工艺的类似，单件成本较低，但尺寸精度较低，且冷却脱模时会产生变形或应力集中；第三类是基于玻璃热变形的毛细管拉制工艺（张晓乐，侯丽雅，章维一.玻璃三通微流体管道热流变拉制仪设计及实验[J].光学精密工程，2008，16（9）：1706-1711.），可制作尺寸单一的圆形截面微管道，尺寸达亚微米量级，但缺少储液池、混合（反应）室等功能单元，且系统封装难度大。总体上，现有微通道加工工艺包括成型、键合和封装这三道工序，轴线仅能在平面内呈直线或折线分布，截面形状多呈三角形、矩形或半圆形，刚性表面粗糙不均，造成流动阻力较大，是影响微流体系统性能的重要因素。

上述三种微通道加工工艺的装备均以基本成熟，微机械加工需使用圆晶生长装置、化学腐蚀装置、真空蒸发系统、离子溅射仪、气相沉积仪和光刻机等重大设备，其加工环境、精度等方面要求高，制造难度大，成本高，依赖进口。热压印和热键合技术的装备主要是针对高分子聚合物的热压印成形与键合装置（温敏.学位论文：塑料微流控芯片微通道热压成形及键合工艺研究[J].大连：大连理工大学，2005（3）.），该装置以机械机构为主体，辅以温控系统，国内自主研制，成本较低，但加工工艺参数的精确设置难度较大，且被加工零件的精度和强度提高较难。玻璃毛细管拉制成形工艺装备多处于自主研制阶段（穆莉莉，侯丽雅，章维一.石英微流体器件制备仪的研制与实验研究[J].中国机械工程，2010，21（13）：1581-1585.），可进行拉制、锻制、开孔、焊接等操作，但所加工微器件多为较短的微针，且开孔、焊接等操作均以宏观玻璃毛细管为对象。

而自然界中普遍存在的生物微通道，如家蚕丝腺、血液循环系统（尤指毛细血管）等，截面均呈规整圆形，尺寸在毫米至纳米范围内连续变化，各部位材料的组织、性质均匀一致，但其内部具有优异的流动性能，对人工微通道研究具有良好的启示作用，研制适合于仿生微纳通道加工的专用装备具有重要的科学意义和应用价值。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种面向微流体系统的玻璃基仿生微纳通道加工装置及加工方法，结合仿生微纳通道结构特点与玻璃热加工工艺，以毫米级玻璃毛细管为毛坯，通过拉伸细化、软化吹制和软化收缩等方法，加工出具有不同功能单元的玻璃基仿生微通道，可精确加工出符合微流体系统应用要求的微纳通道，且加工装置结构简单、成本低廉。

技术方案：为解决上述技术问题，一种面向微流体系统的玻璃基仿生微通道加工装置，包括玻璃毛细管、与玻璃毛细管连接的左夹持器和右夹持器，所述玻璃毛细管一端通过电磁调压阀、过滤器与高压气源连接，玻璃毛细管另一端密封并与电磁控制阀连接，左夹持器和右夹持器分别位于同轴的左滑块和右滑块上，玻璃毛细管中间部位设有加热器件，所述加热器件与调压器连接，所述调压器与电源连接，左滑块、右滑块和加热器件分别固定在第一传动平台、第二传动平台和第三传动平台上，所述第一传动平台、第二传动平台、第三传动平台、电磁调压阀和电磁控制阀都与中心处理器连接，玻璃毛细管内部的压力可通过电磁电压阀调节。

其中，所述玻璃毛细管的一端通过压力调节阀与高压气源相连，另一端通过压力表和电磁控制阀与大气相通，且压力调节阀与电磁控制阀均由中心处理器控制，可实时调节玻璃毛细管内部压力。所述左滑块和右滑块通过滑动导轨保证其运动同轴度，并通过传动平台与驱动电机相连，实现运动控制。所述加热器件为电控加热，加热温度可达玻璃熔融温度，且加热器件位置通过传动平台和驱动电机调节，驱动电机与电压控制器均由中心处理器控制。

作为优选，所述第一传动平台、第二传动平台、第三传动平台均包括丝杠导轨机构与步进电机，所述丝杠导轨机构通过驱动左滑块和右滑块带动左夹持器和右夹持器在同一条直线上运动；所述中心处理器通过步进电机调节左夹持器和右夹持器的运动速度与行程。

作为优选，所述右夹持器与电磁控制阀之间设有压力表。

本发明还公开了上述面向微流体系统的玻璃基仿生微通道加工装置的加工方法，包括以下步骤：

a）采用标准清洗液清洁玻璃毛细管后，氮气吹干，在烘箱中进一步烤干；将玻璃毛细管两端分别与左夹持器和右夹持器连接，左夹持器和右夹持器分别位于同轴的左滑动和滑块上，玻璃毛细管一端通过电磁调压阀、过滤器与高压气源连接，玻璃毛细管另一端密封并与电磁控制阀连接；

b）通过加热器件对玻璃毛细管制定部位加热至玻璃软化状态，通过第一传动平台和第二传动平台反向拉伸两端的左滑块和右滑块，使玻璃毛细管软化部位伸长并细化，形成尺寸均匀一致的微通道，尺寸大小与被加热玻璃毛细管长度、加热时间和温度、拉制速度与距离等控制参数相关；

c）打开玻璃毛细管端口的高压气源，增加微通道内部气压，依次在微通道上需制作功能单元体的部位继续加热至软化温度，在内部气压吹制下膨胀形成特定形状的功能单元体，各功能单元体形状与尺寸可通过加热温度与时间、高压气体压强等参数来控制；各功能单元的形状可以为圆球形、半圆球形、圆弧形等形状；

d）各功能单元体间连接通道尺寸均匀一致，在需要更小尺寸的微通道部位进一步加热，同时取消端口高压气源或采用抽负压设备减小微通道内部压力，使玻璃微通道软化部位在表面张力作用下收缩，形成所需纳米通道，最终整体形成微纳通道。

玻璃基仿生微纳通道加工完成后，移至超净箱内密闭保存、备用。

其中，连接通道包括微通道和纳米通道，微通道是指直径为微米量级的连接通道，纳米通道是指直径为纳米量级的连接通道。

有益效果：本发明的一种面向微流体系统的玻璃基仿生微通道加工装置及其加工方法，与现有微通道加工设备相比，具有实质性的特点与进步：

（1）利用玻璃软化成形工艺，对玻璃毛细管可实施拉伸细化、软化吹制、软化收缩等多种操作，单次装夹即可获得具有输运通道、反应室、储液池等多种功能单元体的仿生微纳通道，所述玻璃基仿生微纳通道加工装置具有完备的仿生微纳通道加工功能，可一次性完成所有成形加工工艺；

（2）基于玻璃熔融状态粘温特性，仿生微纳通道加工装置由常规器件组成，包括滑动导轨、步进电机、铂金加热片和电磁阀等成熟的工业元件，装置结构简单，工作可靠，操作简单，且对工作环境无特殊要求，成本低廉。

附图说明

图1为本发明面向微流体系统的玻璃基仿生微通道加工装置的结构示意图；

图2为本发明中的玻璃基仿生微通道结构示意图；

图3为采用图1中的装置制作玻璃基仿生微纳通道的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种面向微流体系统的玻璃基仿生微通道加工装置，包括玻璃毛细管5、与玻璃毛细管5连接的左夹持器4和右夹持器7，所述玻璃毛细管5一端通过电磁调压阀3、过滤器2与高压气源1连接，玻璃毛细管5另一端密封并与电磁控制阀9连接，形成玻璃毛细管5内部压力可调的密闭气路；左夹持器4和右夹持器7分别位于同轴的左滑块和右滑块上，玻璃毛细管5中间部位设有加热器件6，所述加热器件6与调压器11连接，所述调压器11与电源12连接，左滑块、右滑块和加热器件6分别固定在第一传动平台15、第二传动平台10和第三传动平台14上，所述第一传动平台15、第二传动平台10、第三传动平台14、电磁调压阀3和电磁控制阀9都与中心处理器13连接，玻璃毛细管5内部的压力可通过电磁电压阀调节。

在本发明中，所述第一传动平台15、第二传动平台10、第三传动平台14均包括丝杠导轨机构与步进电机，所述丝杠导轨机构通过驱动左滑块和右滑块带动左夹持器4和右夹持器7在同一条直线上运动；所述中心处理器13通过步进电机调节左夹持器4和右夹持器7的运动速度与行程，右夹持器7与电磁控制阀9之间设有压力表8。

如图2所示，本发明所述玻璃基仿生微纳通道，由组分均匀一致的玻璃材料制作而成，包括宏接口16、反应室17和连接通道18，宏接口16、反应室17、连接通道18这些功能单元体的内外壁面均为液态张力收缩形成的光滑曲面，且整体呈连续变化，在玻璃基仿生微纳通道两端各设有宏接口16，宏接口16的直径为D₀，D₀为毫米量级；反应室17的数目、形状、尺寸均可依据应用需求来加工，反应室17的尺寸为d_u1、d_u2、……d_uk，d_u1、d_u2、……d_uk为微米或亚微米级量级；连接通道18包括圆柱状微通道和纳米通道，连接通道18尺寸为d_c1、d_c2、……d_c(k+1)，d_c1、d_c2、……d_c(k+1)直径为微米和（或）纳米量级。

采用上述装置加工玻璃基仿生微通道的方法，包括以下步骤：

a）采用标准清洗液清洁玻璃毛细管5后，氮气吹干，在烘箱中进一步烤干；将玻璃毛细管5两端分别与左夹持器4和右夹持器7连接，左夹持器4和右夹持器7分别位于同轴的左滑动和滑块上，玻璃毛细管5一端通过电磁调压阀3、过滤器2与高压气源1连接，玻璃毛细管5另一端密封并与电磁控制阀9连接；

b）通过加热器件6对玻璃毛细管5制定部位加热至玻璃软化状态，通过第一传动平台15和第二传动平台10反向拉伸两端的左滑块和右滑块，使玻璃毛细管5软化部位伸长并细化，形成尺寸均匀一致的微通道，尺寸大小与被加热玻璃毛细管5长度、加热时间和温度、拉制速度与距离等控制参数相关；其中，各功能单元的形状可以为圆球形、半圆球形、圆弧形等形状；

c）打开玻璃毛细管5端口的高压气源1，增加微通道内部气压，依次在微通道上需制作反应室17、储液池等功能单元体的部位继续加热至软化温度，在内部气压吹制下膨胀形成特定形状的反应室17、储液池等功能单元体，各功能单元体形状与尺寸可通过加热温度与时间、高压气体压强等参数来控制；

d）各功能单元体间连接通道18尺寸均匀一致，在需要更小尺寸的微通道部位进一步加热，同时取消端口高压气源1或采用抽负压设备减小微通道内部压力，使玻璃微通道软化部位在表面张力作用下收缩，形成所需纳米通道，最终整体形成微纳通道

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种面向微流体系统的玻璃基仿生微通道加工装置，其特征在于：包括玻璃毛细管（5）、与玻璃毛细管（5）连接的左夹持器（4）和右夹持器（7），所述玻璃毛细管（5）一端通过电磁调压阀（3）、过滤器（2）与高压气源（1）连接，玻璃毛细管（5）另一端密封并与电磁控制阀（9）连接，左夹持器（4）和右夹持器（7）分别位于同轴的左滑块和右滑块上，玻璃毛细管（5）中间部位设有加热器件（6），所述加热器件（6）与调压器（11）连接，所述调压器（11）与电源（12）连接，左滑块、右滑块和加热器件（6）分别固定在第一传动平台（15）、第二传动平台（10）和第三传动平台（14）上，所述第一传动平台（15）、第二传动平台（10）、第三传动平台（14）、电磁调压阀（3）和电磁控制阀（9）都与中心处理器（13）连接。

2.根据权利要求1所述的面向微流体系统的玻璃基仿生微通道加工装置，其特征在于：所述第一传动平台（15）、第二传动平台（10）、第三传动平台（14）均包括丝杠导轨机构与步进电机，所述丝杠导轨机构通过驱动左滑块和右滑块带动左夹持器（4）和右夹持器（7）在同一条直线上运动；所述中心处理器（13）通过步进电机调节左夹持器（4）和右夹持器（7）的运动速度与行程。

3.根据权利要求1所述的面向微流体系统的玻璃基仿生微通道加工装置，其特征在于：所述右夹持器（7）与电磁控制阀（9）之间设有压力表（8）。

4.一种基于权利要求1至3任一项所述的装置的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

a）采用标准清洗液清洁玻璃毛细管（5）后，氮气吹干，在烘箱中进一步烤干；将玻璃毛细管（5）两端分别与左夹持器（4）和右夹持器（7）连接，左夹持器（4）和右夹持器（7）分别位于同轴的左滑动和滑块上，玻璃毛细管（5）一端通过电磁调压阀（3）、过滤器（2）与高压气源（1）连接，玻璃毛细管（5）另一端密封并与电磁控制阀（9）连接；

b）通过加热器件（6）对玻璃毛细管（5）制定部位加热至玻璃软化状态，通过第一传动平台（15）和第二传动平台（10）反向拉伸两端的左滑块和右滑块，使玻璃毛细管（5）软化部位伸长并细化，形成尺寸均匀一致的微通道；

c）打开玻璃毛细管（5）端口的高压气源（1），增加微通道内部气压，依次在微通道上需制作功能单元体的部位继续加热至软化温度，在内部气压吹制下膨胀形成特定形状的功能单元体；

d）各功能单元体间连接通道尺寸均匀一致，在需要更小尺寸的微通道部位进一步加热，同时取消端口高压气源（1）或采用抽负压设备减小微通道内部压力，使玻璃微通道软化部位在表面张力作用下收缩，形成所需纳米通道，最终整体形成微纳通道。