CN103252262A - 一种聚甲基丙烯酸甲酯材料微流控芯片加工技术方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种聚甲基丙烯酸甲酯材料微流控芯片加工技术方法，用于微流控芯片装置加工的技术，而微流控芯片是用于液体类物质快速检测分析的装置，属于仪器分析科学技术领域。本发明涉及一种微流控芯片的低成本、快速加工技术。包括微流控芯片直接激光打印，热合密封技术，芯片的电极电路热融式嵌入固定方法；微流控芯片以接触式电极连通外接设备，传输电信号设计，及抽取式微流控芯片固定卡座设计。该发明的技术促成一些不涉及有机溶剂的微流控芯片生产变得廉价，使用方便，甚至成为一次性耗材。该技术发明的微流控芯片加工技术，如果投入量产，成本将更加低廉，对微流控芯片的产业化、普及应用方面会起到关键重要的推动性作用。

Description

一种聚甲基丙烯酸甲酯材料微流控芯片加工技术方法

技术领域

微流控芯片技术(Microfluidics Chip或Lab-on-a-chip)属于分析测试科学的前沿领域，用于生物、医药、化学、食品、水质的快速精确分析。是当今分析科学领域内最先进，最受瞩目的热点技术之一。

在生命科学中，由微流控芯片技术主导构建的芯片实验室技术，已经获得一些重大应用。利用该技术可在一张小小的芯片上，同时实现对多个病人，进行多种疾病的监测与早期诊断。在军事领域，它可以直接用于检测战场上的水源、空气和食物污染情况。在检疫、食品、卫生、农业、环境监督领域，可用于广泛大规模的健康检查，地区性遗传病、传染病调查分析，污染物质对人群作用，农产品质量改良动植物的作用机制及作用范围等研究中，及海关出入境动植物及商品的生物学检验等。

背景技术

微流控分析芯片技术是基于20世纪90年代提出的的微全分析系统(Miniaturized Total AnalysisSystems，μ-TAS)理念上发展起来的分析科学新兴前沿技术领域之一。该技术主要利用微电子、微加工技术，将用于分析的各反应单元及前处理装置，微缩，集成化于一小块芯片上。辅助以光电信号微处理技术，完成对样品的多项目、多样本快速分析，具有自动化、信息化程度高，简单、快速、高效、仪器微型便携的特点。微流控芯片均有广阔的应用前景，巨大发展潜力。不久的将来，必然会渗入到我们生活的各个分析检测领域。

计算机芯片使计算微型化，微流控芯片技术使实验室微型化。在生物分析领域它可以使珍贵的生物样品和试剂消耗降低到微升或纳升级，而分析速度成倍提高，成本成倍下降；可以使以前需要在一个大实验室花大量样品、试剂和很多时间才能完成的分析检测活动，在一块小的芯片上花很少量样品和试剂，以很短的时间同时完成；使以前大的分析仪器变成平方厘米尺寸规模的分析仪，将大大节约资源和能源。

由于微流控芯片技术是一个很新的前沿领域，目前该技术在我国，正处于广阔研发阶段，并未真正走向一般性的实用领域。整体水平离研制出自主核心技术产权，产品商业、实用化的目标还有很大距离。微流控芯片技术广泛推广应用的核心是开发出廉价、功能多样的芯片。目前，用于微流控芯片加工制造的技术主要有三种：高精度数控机床(CNC)、激光掩膜光刻蚀、低温化学键合(Low-Temperature Co-FiredCeramics，LTCC)。这些芯片制造技术平台功能过于单一，一般平面微通道能加工的深度不超过2mm。而且造价昂贵(均需数十万元以上)，要求技术专业性太强，过于精细。其它见报道的非主流方法大多需要加工专用模具或工序复杂，耗时漫长。所以，目前受微流控芯片加工技术限制，设计制造微流控芯片的成本居高不下，严重影响了这一先进的技术走向实用化、产业化。缺少实用化的微流控芯片设计制造方法，成为目前阻碍微流控芯片走向应用的主要瓶颈。

首先，从用于制造微流控芯片的主要材料来看，主要有三种：玻璃、石英、各种有机聚合物。玻璃和石英有很好的电渗性质和优良的光学性质，可采用标准的刻蚀工艺加工，用比较熟悉的化学方法进行表面改性，但加工成本较高，封接难度较大。常用的有机聚合物包括刚性的聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，缩写PMMA)，弹性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚碳酯(PC)等，这些材料成本低，可用物理或化学方法进行表面改性，制作技术与玻璃芯片更为容易一些。从经济廉价、容易加工的角度考虑，当前各个研究的实验室，采用有机聚合物为微流控芯片加工材料更为实用。

本发明采用的微流控芯片制作材料是聚甲基丙烯酸甲酯，材料极为易得，成本低廉。容易加工成型，机械和激光都能对其进行精细加工。材料本身具有极好的透光性能，可透过92％以上的太阳光，紫外线达73.5％。机械强度较高，有一定的耐热寒性，热变形温度约为96℃(1.18MPa)，维卡软化点约113℃。耐酸、碱、盐腐蚀性好。电绝缘性能良好。除易溶于有机溶剂外，是非常理想的常用化学反应容器材料。但是，因为PMMA材料可被酮类、氯代烃和芳烃等有机溶剂溶解。

本发明，实现一种PMMA材料微流控芯片快速、低成本加工技术，用普通激光雕刻机，刻蚀芯片反应单元和液体通道，打印设计好的芯片图，如同打印机打印一样，雕刻的芯片为所见即所得。用热合技术快速完成芯片盖板与主板块封装。芯片需要布设的检测电极与线路，采用热熔方法，嵌入芯片体，固定。独特地设计使承载样品和布设有复杂线路的芯片自成一个单元，与外部设备线路隔离。只利用接触芯片卡固定座上的接触点，与外部设备连通，完成微流控芯片信号的传输。

该技术加工制作微流控芯片，不需制作模具，不需要特殊专业设备，不涉及化学键合封装技术。方式简单，加工出来的芯片功能灵活多样，需要时间短(一般数小时)，降低了微流控芯片的加工难度和复杂程度；极大地降低芯片制作成本，甚至接近常见的一次性消耗性器材的成本(几元人民币)。而研制开发设计及制作芯片的成本，则降低到仅需数万元。与目前其他三种技术(CNC、激光掩膜刻蚀、LTCC)具有很大的优势。

本技术发明，降低了设计制作微流控芯片设计制作的复杂程度与难度，极大地减少微流控芯片的制作成本投入。在芯片的一次性使用，便捷更换方面有了实质性突破，大程度上推进微流控芯片制作技术的成本低廉化、实用化进程。降使微流控芯片技术向着产业化、实用化迈进一大步。

开发廉价、性能优异、实用的芯片是微流控芯片检测技术产业化的关键，

发明内容

本发明采用的微流控芯片加工技术方案

采用以PMMA材料平板为微流控芯片的基体材料(以下简称基材)，用普通激光雕刻机直接打印微流控芯片上面所需要的各种反应单元和微通道。打印雕刻设计好的芯片图，如同普通打印机打印文档一样，雕刻的芯片为所见即所得。再采用热合技术封装芯片，完成芯片主板块与盖板的密封封装。最后，微流控芯片需要布设的检测电极和金属电路，是利用电极与金属电路对热的良好传导性，对其加热，使芯片材料热熔，借以嵌入芯片体，并固定。微流控芯片与外部设备连接所需要的信号线，全部用芯片主板块侧端设置的金属螺钉作触点，与配套起固定作用的卡座上分别对应的金属螺钉，靠接触连通外部设备，进行电流信号传输。微流控芯片上虽布设有复杂电路金属导线，但靠接触传导电信号，微流控芯片与外部设备的线路隔离，成为无尾化(外连接线)独立的单元，从而使得芯片更换简便，甚至可变成一次性耗材。半开的固定卡座内部尺寸与加工好的内部微流控芯片外尺寸相吻合，不同的微流控芯片更换使用时，只需要从固定卡座侧开口一端插入或抽出，即可更换。该技术发明的微流控芯片加工技术，如果投入量产，成本将更加低廉。在微流控芯片技术用于非有机溶剂样品分析检测领域(如水、血清、食品等)，走向大众、普及化的市场产品已经成为指日可待的事情。

发明的创新性与先进性

1.本发明采用一定厚度(约1-10mm)的PMMA材料平板，作为微流控芯片的加工基材。其中较厚的一块，作为用来雕刻芯片反应单元与液体通道用的主板块。另一块较薄的PMMA板与前一块的主平面大小一致，作为完成主板块雕刻工作后的盖板，加工好芯片主板块后，上下重合放置，然后进行热合封装。

这样做的优点是：使制作芯片的基本原材料成本降到了最低。PMMA板材价格低廉，目前市场批发价格来算，一片微流控芯片的基材价格不会超过2.0元人民币(千片计算)。

2.对微流控芯片上的反应单元和微通道的加工刻蚀，采用普通小功率激光雕刻机直接打印的方式。后期用普通的多功能微型机床，数把手工钢质微雕刻刀进行修饰完善。这些简单的常见工具，投入低，不需要昂贵的专业设备，就可以完成数种微流控检测芯片的制作，而且质量精细。经试验，结果显示，本发明技术实施实例中，制作的非接触电导耦合微流控芯片，性能完全达到实用检测的要求。

微流控芯片加工平台是设计制造时，占投入资金最大的一部分，这样做可以降低了芯片加工平台的总体投入，使该方面成本控制在七千元以内。而且此方法的快速高效、省时、灵活的优势却是目前其它任何一种微流控加工技术方法所无法比拟的。目前常见的CNC、激光掩膜刻蚀、LTCC等芯片加工技术平台，均不能刻蚀超过2mm深的微通道，但是本技术发明，所能加工通道的形状、深度只受激光功率及材料的耐温挥发程度、工艺的限制，实际实验中刻蚀5mm深的通道是比较容易。

3.本发明对加工好的芯片主板与盖板的密封，采用加热PMMA微流控芯片材料到维卡软化点(Vicatsoftening temperature，简称VST)附近，加上一定的压力后，再冷却，即可完成微流控芯片的上下部分合二为一的整体密封。

这样的好处：同样是设备简单，造价低廉，快速、密封效果好。完成芯片密封所需设备仅需热合加压机或普通烤箱+钢板加压。热合后，芯片主板块与盖板界面融合，密封性能良好。只要控制对芯片和盖板的加热速度、温度、冷却速度适当，热合后的反应单元、通道内，可以耐受200～-300kPa的压力。

4.本发明需要布设在芯片上的检测电极与电路部分，均为金属电极与金属线路，所以，对金属电极与金属线路加热到一定温度(约320℃)，使芯片材料热熔，再施加轻微的压力，排除熔融的材料，嵌入芯片，待移除加热源，冷却后，部件即可完美固定。

这样做的好处是：不需要任何固定配件，就可以完成微流控芯片电极和金属电路度的布设与固定，加工简便，使微流控芯片电路与电极设计具有高度的灵活性，几乎可以任意安排电极与布设线路。不需要使用对人体有害的有机粘合剂，也不需要常见碳化硅覆膜电极，元件的设立也更加精确了。

5.本发明为微流控芯片设计了配套起固定作用的芯片卡座，如图6、图7所示：半开的固定卡座内部尺寸与加工好的内部微流控芯片外尺寸相吻合，不同的微流控芯片更换使用时，只需要从固定卡座侧面插入或抽出。并且，在卡座上设置微流控芯片侧端设置金属接触点，将芯片上的电极与电路的金属引线固定在触点中。微流控芯片卡座上也设置了与芯片上的侧置螺钉一一对应的金属触点。当微流控芯片需要与外部连接设备进行电流信号传输时，就由芯片卡座的侧置的螺钉与其接触来传输电流信号，通过芯片卡座上的固定外接金属线连通外部设备，由此加工形成的微流控芯片就成为了无尾(无外接连线)芯片。

这样做的好处是：接触式的连接，在不影响微流控芯片上的电信号与外界设备连通情况下，隔离了布满反应单元与通道、电路的复杂微流控芯片，使之就成了一个，可迅速更换、独立的一次性的微型设备单元了。

本发明的微流控芯片加工技术，对当前其他技术而言，可以带来明显地好处有五点：一是把微流控芯片的全部制作成本控制到了非常低的水平。按目前市场价格情况，以千片生产来计算，大致是基材+热合封装+激光刻蚀费+电极线路费+人工＝2.0+0.4+0.7+1.0，一张芯片的成本约4-5元/片；二是在微米级的加工水平上，大大降低了加工芯片的平台一次性投入的成本，降低门槛，使更多的设计制造和研究单位进入芯片设计研发领域内；三是芯片本身通过触点与卡座接触，无外接连线，加快了检测时不同样品芯片更换时的速度，使用非常便捷，实现了一次性使用的可能性，使微流控芯片检测设备向广泛应用又推进了一步；四是本发明使微流控芯片整个加工过程工艺简单，极少涉及化学键合反应，省时省力，就是单片加工，数小时也能全部完成，几乎是目前所有微流控芯片加工技术中耗时最短的。

本发明从节省时间成本、到经济成本、降低加工难度、加快产品便捷化、一次性更换使用方面，都极大地改变、推进了微流控芯片技术的走向市场廉价、实用的进程。

附图说明

图1所示为构成微流控芯片的基本材料盖板1、主板块2，均为PMMA材料的透明平板；盖板较主板块薄。主板块用于加工刻蚀各种反应单元和微通道，一般厚度在1～20mm。

图2，所示为激光打印雕刻了微通道和反应单元的微流控芯片主板块：4是进样口及反应室部位，5是微通道，虚实线6表示可同时雕刻的并列多个微通道、反应单元，7是废液出口。

图3，所示为微流控芯片的盖板与主板块，上下重合放置，施加一定的热合压力P，进行热合密封。

图4，所示为盖板与主板块热合密封为一个整体的微流控芯片的状态，上下合一，接触界面融合严密，整体仍为透明的。

图5，8和9部位代表受热融入微流控芯片体的非接触金属电极和金属线路。10和11表示在微流控芯片侧端钉入的半圆帽螺钉或金属弹片，9部位的金属线与10、11连接。

图6，为微流控芯片固定卡座，12部位是用来与图5所示的微流控芯片侧端螺钉(弹片)对应接触，通过接触的方式，连通微流控芯片上与外部设备的电路，传输检测信号的半圆帽螺钉(弹片)。14与15表示从12部位连向外设的导线(电线)。13表示该固定卡座的侧开口端，微流控芯片可以从这一端平置插入、固定。

图7，16表示加工好的微流控芯片，使用时可以将它从微流控芯片固定卡座的侧开口端推进去、固定。

图8，表示的是将微流控芯片从固定卡座侧开口端推(插)入后，微流控芯片上的半圆螺帽(弹片)与固定卡座上的对应半圆螺帽(弹片)接触情形，视角采用的是另一端透视图表示。

图9，表示热合密封微流控芯片过程中，应遵循的加热时间与温度速度图。

具体实施方式

1、采用按设计要求切割好的两块PMMA平板，为微流控芯片加工的基本材料，厚度约1～30mm、面积1～4000cm²大小。其中较厚的一块为微流控芯片主板块，用来刻蚀微流控芯片的微通道和反应单元等，如说明书附图1中的2；另一块较薄的为作雕刻好的微流控芯片主板块密封盖板用，如说明书附图1中的1。所用PMMA材料平板，表面平整，无弯曲、凸凹。

2、用普通激光雕刻机联机电脑，将设计好的微流控芯片通道和反应单元，在权利要求书1中所述的微流控芯片主板块表面，直接进行刻蚀打印，打印后细节部位可用多功能微型机床与手工微刻刀进一步完善、修饰。特点是用普通激光(功率＞1W)雕刻机直接在芯片基本材料上打印的方法，加工微流控芯片上的微通道和反应单元。多功能微型机床与手工微刻刀的精度要求0.1mm以上，控制激光头打印速度在1～300mm/分钟。微流控芯片激光打印、雕刻效果示意图如说明书附图2.

3、将2中所述加工好微通道和反应单元的微流控芯片主板块与盖板，上下重合，叠加放置在热合设备内，进行等速(＜1℃/分钟)升温，加热到PMMA材料维卡软化点(Vicat softening temperature，简称VST)113℃，加压1.15kPa，进行热合，控制加热速度在0.01～1℃/分钟范围，加热时间与温度关系如图9。取出冷却到自然温度，如说明书附图3、图4。

4、对3中的微流控芯片检测需要布设的电极金属电路部分，用热源(如电烙铁等)接触导热的方式加热到一定温度范围约100℃～350℃，使芯片材料开始半熔状态，施加轻微的压力，排除微流控芯片受热熔化的部分，移除热源，迅速冷却，使金属电极、电路嵌入微流控芯片体，并固定，如说明书附图5。

5、在4中已嵌入固定好电极和金属线路的微流控芯片的一侧设置接触式固定电极，方法是在微流控芯片的一侧安置若干，尺寸适当(以不超出芯片的厚度为原则)的半圆帽螺钉或嵌入接触弹片，将微流控芯片需要与外部设备连接的金属导线固定在上面，如说明书附图5的10与11部位。

6、设计加工5中的微流控芯片固定卡座。其材料为透明PMMA，样式是卡座的一端开口、上侧部分敞开，三边有突出约10mm以内宽的凸边，如说明书附图6。固定卡座的内部尺寸5中所加工的微流控芯片外部尺寸一致，微流控芯片可以如说明书附图7中那样从开口一端平置插入、取出。然后，在微流控芯片插入固定卡座，与微流控芯片设有电极一端对应的位置，也安置若干个半圆帽螺钉或嵌入接触弹片，螺钉帽或弹片方向朝内，正好与微流控芯片上的半圆帽螺钉或嵌入接触弹片可以接触上，如说明书附图6所示12部位；再在螺钉或弹片朝外一端连接金属引线，与外部设备相连，如说明书附图8所示微流控芯片及固定卡座的左侧视图14、15部位。

实施例1

采用本发明技术所实施完成的非接触电容耦合电导检测(Capacitively Coupled Contactless ConductivityDetection简称C⁴D)微流控芯片装置，包括微流控芯片固定卡座。该的芯片热合密封性能良好，完好耐密封压力(注水)可达200～290kPa，通过接触式电极传输到外接设备的检测信号完全正常。

实际实验中，采用手动空气压力进样方法，已成功实施对水样中K⁺、Mg²⁺离子与背景缓冲液乙磺酸(MES)-组氨酸(His)的分离和C⁴D信号检测。

检测原理是利用用背景缓冲液乙磺酸(MES)-组氨酸(His)的分离与被分离、检测的K⁺、Mg²⁺离子，在注射器的空气压力驱动下，缓慢(约1mm/s)流过如说明书附图5中电导检测电极8下面时，测得的连续电流变化波形特征，测得液体样中K⁺、Mg²⁺存在的特征电导信号。

检测试验实施的装置条件：MES∶His比例1∶0.9，pH值＜6.5，浓度为15mmol/L。C⁴D激励信号为连续正弦波95kHz，电压10V，由DG1022型普源信号发生器1台施加，C⁴D的电导信号检测，由TDS1012C-SC型示波器完成。在Vpp＝10V，f＝95kHz，载液为1∶0.9的乙磺酸(MES)-组氨酸(His)条件下，检测所含的K⁺、Mg²⁺，性能完全正常。K⁺的有效定量检出范围：3.1～50μmol.L^-1。Mg²⁺的有效检出范围：1.0～100μmol.L^-1。

Claims (6)

1.一种聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，缩写PMMA)材料微流控芯片快速、低成本加工技术。其特征为采用一定厚度、大小按设计要求切割好的两块PMMA平板为微流控芯片加工的基本材料，厚度约1～30mm、面积1～4000cm²大小。其中较厚的一块为微流控芯片主板块，用来刻蚀微流控芯片的微通道和反应单元等；另一块较薄的为作雕刻好的微流控芯片主板块密封盖板用。所用PMMA材料平板，表面平整，无弯曲、凸凹。

2.用普通激光雕刻机联机电脑，将设计好的微流控芯片通道和反应单元，在权利要求书1中所述的微流控芯片主板块表面，直接进行刻蚀打印，打印后细节部位可用多功能微型机床与手工微刻刀进一步完善、修饰。特征是用普通激光(功率＞1W)雕刻机在芯片基本材料上直接打印的方法，加工微流控芯片上的微通道和反应单元。多功能微型机床与手工微刻刀的精度要求0.1mm以上，控制激光头打印速度在1～300mm/分钟。

3.将权利要求书2中所述的加工好微通道和反应单元的微流控芯片主板块与盖板，上下重合，叠加放置在热合设备内，进行热合密封。特征是将权利要求书2中所述的微流控芯片主板块与盖板热合：先将微流控芯片主板块与盖板在热合设备内进行等速(＜1℃/分钟)升温，加热到PMMA材料维卡软化点(Vicatsoftening temperature，简称VST)附近，加压，继续升到合适的温度(约170℃)，控制升温速度在0.01～1℃/分钟范围。取出冷却到自然温度，热合温度控制在100℃～300℃范围，热合压力在100～200kPa范围，热合升温时间在15～600分钟范围。

4.对权利要求书3所述的微流控芯片检测需要布设的电极金属和电路部分，用热源(如电烙铁等)接触的方式加热到一定温度，排除微流控芯片受热半熔软化的部分，移除热源后，迅速冷却，致使电极和金属电路嵌入微流控芯片体，固定。特征是不需要额外的固定配件，利用金属电极和线路的良好导热性，金属元件自身熔融微流控芯片材料，软化后嵌入芯片体，再冷却，从而起固定金属电极和线路的作用，并可以使其在微流控芯片表面上达到非常贴近微通道，却不接触的效果。

5.在权利要求书4所述的固定了金属电极和线路的微流控芯片的一侧设置固定接触电极，特征是在微流控芯片的一侧安置若干半圆帽螺钉或嵌入接触弹片，将微流控芯片表面需要布设的与外部设备连接的金属导线固定在上面，依靠接触式(非连线)与外接设备连通，完成微流控芯片上的电路部分与外接设备之间的电信号传输。

6.为权利要求书中5所述的微流控芯片设计固定卡座。其特征是固定卡座的一端开口、上侧敞开，起固定微流控芯片、设置接触式电极的作用，或者也可以用来方便地固定其它生物实验多孔板。固定卡座的内部尺寸与权利要求书5所述微流控芯片外部尺寸一致，微流控芯片可以从开口一端平置插入、取出；在微流控芯片固定卡座与微流控芯片设有电极一端对应的位置，也安置若干个半圆帽螺钉或嵌入接触弹片，螺钉帽或弹片方向朝内，正好与微流控芯片上的半圆帽螺钉或嵌入接触弹片可以接触上；在螺钉或弹片朝外一端连接金属引线，与外部设备相连。

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