CN103611586A - 一种高平整度、低形变的聚合物微流控光学芯片的制备方法 - Google Patents

一种高平整度、低形变的聚合物微流控光学芯片的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高平整度、低形变的聚合物微流控光学芯片的制备方法，本发明经过合理搭配使用机械加工制备微流控芯片、氯仿蒸汽辅助平整化、水相变牺牲层溶剂辅助键合三种工艺技术并优化特征的使用条件参数，从而达到自由设计制备具有高通道内壁平整度，低形变的适用于芯片光学传感器应用的聚合物微流控芯片。本发明技术工艺简单，对芯片微通道损伤小，无形变，能够满足后续高精度的配件耦合要求，同时由于水在通道表面没有粘附，无需后续清洁处理。

Description

一种高平整度、低形变的聚合物微流控光学芯片的制备方法
技术领域
本发明属于微流控芯片制备领域，具体涉及一种高平整度、低形变聚合物微流控光学芯片的制备方法。
背景技术
微流控技术自上个世纪90年代由Manz等人提出以来，在短短的二十多年间已经发展成为当今世界最前沿的科研领域之一。由于其高效、快捷，试剂用量少，低成本和高集成度等优点，已经在环境监测、基因诊断，药物分析等领域展示了良好的应用前景，受到了国内外分析和生命领域专家的广泛关注，各种类型的电学、光学微传感器及体系被不断开发同时促进了目前分析仪器向微型化、集成化便携化发展。
微流控芯片光学传感器更是研究的重点，随着技术的发展，光学检测元件及配套电路系统的不断小、微型化，已经为微流控芯片光学传感器提供足够的开发基础。配合微流控芯片通道高度的流体可控性，微流控芯片光学检测器为实时连续分析检测技术的发展提供了新的动力。由于技术的限制，直接在芯片结构上整体一次构建光学检测体系并不现实，目前所有的微流控芯片光学传感器还都是基于外部光学器件和微流控芯片的有机耦合实现。但由于需要在芯片结构上预留光学及电子元器件的安置空间，常规的实验室芯片制备工艺在尺度和灵活性上也很难满足需要。同时出于精密度考虑，光学元件与微通道间的高效耦合也要求芯片光学结构部分在键合耦合过程中不能发生大的形变。常规的热压和溶剂辅助键合工艺在面对具有复杂结构的微流控芯片键合封装时，形变量以及残余辅助溶剂对通道的腐蚀让其无法有效的应用于芯片光学结构的键合封装。
发明内容
本发明的目的在于提出一种高平整度、低形变的聚合物微流控光学芯片的制备方法，所要解决的技术问题是解决通过机械加工方式制备的具有直接耦合光电子元件的结构的聚合物微流控光学芯片上微通道的平整度以及整体低形变的键合封装问题。本发明经过合理搭配使用机械加工制备微流控芯片、氯仿蒸汽辅助平整化、水相变牺牲层溶剂辅助键合三种工艺技术并优化特征的使用条件参数，从而达到自由设计制备具有高通道内壁平整度，低形变的适用于芯片光学传感器应用的聚合物微流控芯片。
为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：
一种高平整度、低形变的聚合物微流控光学芯片的制备方法，它包括以下依次步骤：
(1) 在聚合物芯片本体上机械加工出微通道，所述微通道两端都设有溶液进口，所述芯片本体上具有直接耦合光电子元件的耦合结构，芯片在不触及微通道以及耦合结构的区域设置提供立体支撑的支撑件；
(2) 将所述芯片本体进行洁净处理；
(3) 洁净处理后的芯片的通道面朝下放置，芯片的通道表面接近并置于氯仿溶液液面之上，控制氯仿溶液的温度、距离芯片通道表面的距离以及平整化时间，对所述微通道内壁进行氯仿蒸汽平整处理；
(4) 芯片在氯仿蒸汽平整后迅速取出置于无水乙醇溶液中清洗，以去除残余的氯仿蒸汽残留；
(5) 以聚二甲基硅氧烷基板作为基底，将步骤(4)制得的芯片同基底进行可逆键合；
(6) 通过所述溶液进口将芯片的微通道充满二次水；
(7) 将充满二次水的芯片缓慢降温，待水完全结成冰后，再降至-10~ -20摄氏度，形成微通道被冰层保护的芯片；
(8) 在将步骤(7)得到的芯片的通道面和聚合物芯片键合基片中间滴加辅助键合溶剂，对齐，在零摄氏度以下施加压力使之键和牢固；
(9) 将键合牢固的芯片至于常温下，待冰溶解成水后，将液态的水抽出微芯片通道并放置一段时间，即可得到聚合物微流控光学芯片的成品。
对上述技术方案的进一步改进：所述步骤(1)中聚合物芯片本体所用的聚合物材料为有机玻璃或染色有机玻璃。
对上述技术方案的进一步改进：所述步骤(3)中控制氯仿溶液液面同芯片的通道表面的空间距离为0.5~1.0 cm，氯仿溶液温度为10~30摄氏度，平整化时间为20~200秒。
对上述技术方案的进一步改进：所述步骤(8)中辅助键合试剂为乙腈或氯仿，使用前需冷却至零摄氏度以下。
对上述技术方案的进一步改进：所述步骤(8)中微通道被冰层保护的芯片同对应的聚合物芯片键合基片对齐，在二者界面间滴加辅助键合试剂，并施加1~25 kPa，维持5~20分钟进行键合，键合时环境温度需维持在零摄氏度以下。
对上述技术方案的进一步改进：通过机械铣刀通过程序控制制备微通道以及耦合结构。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明采用微机械加工来制备微流控光学芯片，后通过蒸汽腐蚀法来调整芯片通道的平整度，并利用水作为相转变的牺牲层，保护被平整化的通道，通过低温溶剂辅助键合方式构建微流控芯片光学结构。
本发明通过机械系统程序加工的方式制备微流控芯片能够更自由、合理、快速的设计具有直接耦合光电子元件的结构的微流控光学芯片的整体结构；针对采用机械加工制备引起的通道内壁平整度无法满足高精度光学检测需求的缺点，本发明通过工艺中溶剂蒸汽辅助方式进行平滑；水作为相转变牺牲层配合溶剂辅助键合有效的保护平整化后的通道，并在不造成物理形变的条件下完成微流控光学芯片的整体键合。
附图说明
图1 为本发明涉及的微流控光学芯片的整体制备流程图。
图2为本发明涉及的水相转变牺牲层溶剂辅助键合流程示意图。
图中：1、PDMS基板；2、芯片上的溶液进口；3、聚合物芯片本体；4、冰层保护的微通道；5、充满水的微通道；6、盖片；7、聚合物芯片键合基片；8、重物；9、微流控芯片成品。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
实施例1
本发明提供的高平整度、低形变的聚合物微流控光学芯片的制备方法包括以下步骤：
1、通过机械铣刀微加工的方式在聚合物芯片本体3上加工出微通道，确保微通道两端都连接有溶液进口2，所述芯片本体上具有直接耦合光电子元件的耦合结构，同时在不触及芯片通道以及耦合结构的前提下，制备2个以上能够提供立体支撑的通孔结构；也可以在芯片上直接设置固定的支撑件。所述聚合物芯片本体所用的聚合物材料为有机玻璃或染色有机玻璃。
2、将所述芯片本体进行洁净处理后，通过均一化的锥状实体配合预留的通孔结构，形成立体支撑。
3、洁净处理后的芯片的通道面朝下放置，向容器中加入氯仿溶液，芯片的通道表面接近并置于氯仿溶液液面之上，控制氯仿溶液的温度为10~30摄氏度，氯仿溶液表面距离芯片通道表面的距离为0.5~1.0 cm，平整化时间为20~200秒，利用氯仿蒸汽对通道内壁进行平整；使得通道内壁在高浓度的氯仿蒸汽下发生表层熔融，将机械加工制备的通道内壁进行二次平整。
4、芯片在氯仿蒸汽平整后迅速取出置于无水乙醇溶液中清洗，并放置数小时以去除残余的氯仿蒸汽残留。
5、以聚二甲基硅氧烷PDMS基板1作为基底，将步骤4制备好的芯片同基底进行可逆键合。
6、通过芯片预留的所述溶液进口将芯片微通道充满二次水，形成充满水的微通道5。
7、将充满二次水的芯片缓慢降温到0摄氏度，待水完全结成冰后，降至-10~ -20摄氏度，形成冰层保护的微通道4的芯片。
8、在将步骤7得到的芯片的通道面和聚合物芯片键合基片7中间滴加辅助键合溶剂（乙腈，氯仿等以及含有其成分的有机试剂，使用前冷却至零摄氏度以下），对齐，外面加盖盖片6，于零摄氏度以下环境施加1~25 kPa的重物8并维持5~20分钟进行键合，键合环境温度需维持在零摄氏度以下。
9、将键合牢的聚合物微流控芯片至于常温下，待冰溶解成水后，将液态的水抽出微芯片通道并放置一段时间，即可得到聚合物微流控芯片成品9。
所述支撑件可以为设于芯片上的一体式结构，也可以为分体式结构，及在芯片上设有通孔，通过与通孔配合的锥状实体提供立体支撑。
本发明选择的相转变牺牲层预填充物为水（熔点约为0摄氏度），对大部分聚合物芯片材质没有溶解性，易通过简单升温的程序从聚合物芯片上通过物理方法去除。本发明方法通过在常温条件下在微通道中预先填充水，并在键合成型后再通过升温去除的方法，通过在微通道表面形成冰的物理阻隔层避免了辅助溶剂对微流控芯片通道的腐蚀，避免了芯片通道的损伤甚至通道堵塞的现象，从而无需使用低溶解度的有机溶剂避免微通道堵塞，采用高溶解性的乙腈、氯仿等试剂进行快速高效的键合。该聚合物微芯片的溶剂辅助键合技术工艺简单，对芯片微通道损伤小，无形变，能够满足后续高精度的配件耦合要求，同时由于水在通道表面没有粘附，无需后续清洁处理。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种高平整度、低形变的聚合物微流控光学芯片的制备方法，其特征在于它包括以下依次步骤：
(1) 在聚合物芯片本体上机械加工出微通道，所述微通道两端都设有溶液进口，所述芯片本体上具有直接耦合光电子元件的耦合结构，芯片在不触及微通道以及耦合结构的区域设置提供立体支撑的支撑件；
(2) 将所述芯片本体进行洁净处理；
(3) 洁净处理后的芯片的通道面朝下放置，芯片的通道表面接近并置于氯仿溶液液面之上，控制氯仿溶液的温度、距离芯片通道表面的距离以及平整化时间，对所述微通道内壁进行氯仿蒸汽平整处理；
(4) 芯片在氯仿蒸汽平整后迅速取出置于无水乙醇溶液中清洗，以去除残余的氯仿蒸汽残留；
(5) 以聚二甲基硅氧烷基板作为基底，将步骤(4)制得的芯片同基底进行可逆键合；
(6) 通过所述溶液进口将芯片的微通道充满二次水；
(7) 将充满二次水的芯片缓慢降温，待水完全结成冰后，再降至-10~ -20摄氏度，形成微通道被冰层保护的芯片；
(8) 在将步骤(7)得到的芯片的通道面和聚合物芯片键合基片中间滴加辅助键合溶剂，对齐，在零摄氏度以下施加压力使之键和牢固；
(9) 将键合牢固的芯片至于常温下，待冰溶解成水后，将液态的水抽出微芯片通道并放置一段时间，即可得到聚合物微流控光学芯片的成品。
2.根据权利要求1所述的高平整度、低形变的聚合物微流控光学芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中聚合物芯片本体所用的聚合物材料为有机玻璃或染色有机玻璃。
3.根据权利要求1所述的高平整度、低形变的聚合物微流控光学芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中控制氯仿溶液液面同芯片的通道表面的空间距离为0.5~1.0 cm，氯仿溶液温度为10~30摄氏度，平整化时间为20~200秒。
4.根据权利要求1所述的高平整度、低形变的聚合物微流控光学芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤(8)中辅助键合试剂为乙腈或氯仿，使用前需冷却至零摄氏度以下。
5.根据权利要求1或4所述的高平整度、低形变的聚合物微流控光学芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤(8)中微通道被冰层保护的芯片同对应的聚合物芯片键合基片对齐，在二者界面间滴加辅助键合试剂，并施加1~25 kPa，维持5~20分钟进行键合，键合时环境温度需维持在零摄氏度以下。
6.根据权利要求1所述的高平整度、低形变的聚合物微流控光学芯片的制备方法，其特征在于：通过机械铣刀通过程序控制制备微通道以及耦合结构。
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