CN104959174A - 下壁面外凸的微通道的制作方法 - Google Patents

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Abstract

下壁面外凸的微通道的制作方法，本方法是一种以PDMS为材质，制作在下壁面指定位置实现指定长度外凸的微通道结构的方法。通过在模板上浇筑PDMS生成通道结构和凹槽基地结构，利用离心匀胶机在硅片上甩制获得PDMS薄膜，电晕机将三者键合，将凹槽内注入液态PDMS后，往通道内部持续注入恒压气体使薄膜向通道外部变形，并将部分液态PDMS挤出，将其加热逐渐凝固后生成下壁面外凸的微流控芯片，外凸结构的长度和位置可以通过凹槽的尺寸和键合位置来控制。本发明可以制作下壁面外凸的微尺度通道，所涉及的制作和处理方法成熟，可靠性可以得到保证，并且操作过程简单。

Description

下壁面外凸的微通道的制作方法
技术领域
本发明涉及一种基于PDMS(polydimethylsiloxane)材料加工的微尺度单面微米级薄膜通道的制作方法，利用PDMS材料由胶状液体通过烘烤逐渐凝固成为固体的特性，通过匀胶机制备PDMS材质的薄膜并将其键合于微通道主体结构之上，形成单面薄膜结构的微尺度通道。
背景技术
随着小尺度化学、医学或生物分析系统的大力发展，涉及微全分析系统(micro totalanalysis ayatems，μTAS)或芯片实验室(lab-on-a-chip)的各种类型的微流控设备和结构被广泛设计和研究，因而出现了各种应用于不同背景下的微流控芯片。微尺度制造技术的高度发展为微尺度流动的研究和应用提供了充分的技术支持，比如光刻以及激光刻蚀等技术能够实现微米级结构的制作等，表面处理技术的发展能够完成不同结构之间的键合，基于此各种新型的流动和控制结构可以从设计转化为成品制造。
PDMS材料以其较高的可塑性和适应性以及较低制作成本的优势，被广泛地应用于微流控芯片的制作中。PDMS的液态形式使其能够较好地填充于微结构模板，完整地复制微尺度结构的各个细节，凝固后的弹性软材料特质有助于将其从模板中完好地剖离，以得到微流控芯片结构，进而将其键合于基底上形成微流控芯片。利用离心原理的匀胶技术可以将液体涂覆于硅片上，较为简易地形成微米级薄膜，该方法在微流控芯片模板的光刻过程中被广泛应用。
基于微流控芯片的设计需要，以及现有PDMS加工技术在微流控芯片制作过程中的成熟应用，为制作得到特性效果的下壁面外凸的微流控芯片实验模型，尝试将各种加工方式有益结合。
发明内容
本发明是一种以PDMS为材质，制作在下壁面指定位置实现指定长度外凸的微通道结构的方法。通过在模板上浇筑PDMS生成通道结构和凹槽基地结构，利用离心匀胶机在硅片上甩制获得PDMS薄膜，电晕机将三者键合，将凹槽内注入液态PDMS后，往通道内部持续注入恒压气体使薄膜向通道外部(即凹槽一侧)变形，并将部分液态PDMS挤出，将其加热逐渐凝固后生成下壁面外凸的微流控芯片，外凸结构的长度和位置可以通过凹槽的尺寸和键合位置来控制。
本发明所述基于材质为PDMS(polydimethylsiloxane)来加工下壁面外凸的微尺度通道的制作方法，包括以下步骤：
1)制作微通道和凹槽结构：将PDMS预制试剂分别浇注于带有微通道结构和凹槽结构的模板上，然后放于烘箱中烘烤使PDMS凝固。将凝固后的PDMS揭下并切割获得单面开口的微通道固体结构和带凹槽结构的固体块。用打孔器在微通道设计的出入口处以及凹槽的对角(一个用作入口，另一个用作出口)分别打一个通孔，其中一个为凹槽入口1，另一个为凹槽出口2。
2)制备薄膜和键合：将PDMS试剂放于硅片上甩制形成薄层胶质膜并放于烘箱中使胶质膜凝固形成固体弹性膜。将切割好的单面开口的微流控芯片固体结构利用电晕机处理后键合于带有薄膜的硅片上，用刀片沿微流控芯片的边缘轻轻划开并取下，得到单面带薄膜的微通道。将带有凹槽结构的PDMS固体块键合在薄膜的另一面。
3)注入液态PDMS：将调好未凝固的液态PDMS从凹槽的入口缓慢注入到凹槽中，排空存留的空气，保证凹槽中填满PDMS。
4)加热凝固：将填充后的结构放置在温度约为90℃的热板上，同时从微通道结构的凹槽入口1持续通入一定压力的气体，凹槽出口2暂时堵住；保证薄膜向凹槽一侧突出变形，即通道下壁面向外凸。在这种状态下保持15分钟左右，凹槽中的PDMS逐渐凝固，最终生成下壁面外凸的微尺度通道。
本发明可以制作下壁面外凸的微尺度通道，所涉及的制作和处理方法成熟，可靠性可以得到保证，并且操作过程简单。
附图说明
图1是本发明下壁面外凸的微尺度通道的制作方法的操作步骤流程图。
图2是本发明下壁面外凸的微尺度通道制作过程的结构示意图。
图3是利用本发明下壁面外凸的微尺度通道的制作方法制得的某一芯片的横截面结构图。
图中：1、凹槽入口，2、凹槽出口。
具体实施方式
下面结合本发明的内容提供下壁面外凸的微尺度通道的具体制作过程，具体步骤为：
1)主体通道结构和凹槽结构的制备过程
将PDMS(聚二甲基硅氧烷)主剂和凝固剂按照10:1的比例混合均匀，然后将该试剂置于常温真空环境中约40～60分钟，直至气泡全部析出为止，将其分别浇筑到含有微通道结构凸模和含有凹槽结构凸模的硅片上，并放于温度为65℃的烘箱中1小时左右，使其凝固。待PDMS凝固之后，将其从硅片模板上揭下，并切割出带有完整微通道结构的微流控芯片的主体部分和带有凹槽结构的固体块部分。用打孔器在微通道设计的出入口处以及凹槽的对角(一个用作入口，另一个用作出口)分别打一个通孔。
2)薄膜制作过程
与上面步骤相同，配制PDMS混合试剂并置于常温真空环境中析出气泡。将干净的空白硅片置于离心匀胶机上，然后将PDMS混合试剂倒在硅片中央并开启匀胶机，使PDMS试剂被甩制形成液态膜附着于硅片上，将带有液膜的硅片放于烘箱中使PDMS液态膜凝固形成固体弹性膜。
3)薄膜与微通道结构的键合过程
由于薄膜厚度太小难以直接取用，利用电晕机处理器将芯片主体部分中含有通道结构的那面，以及硅片上的薄膜外表面各处理3～5秒，然后将两者键合并轻按以确保充分贴合。将键合好的硅片(其上带有芯片主体结构)置于约90℃的热板上加热约15分钟，然后用刀片沿芯片主体结构的边缘轻轻划开，将芯片主体结构取下，得到键合有单面薄膜的微通道结构。
4)凹槽与薄膜的键合过程
与上一步操作类同，利用电晕机处理器将薄膜另一面，和1)中制得的带凹槽结构的固体块上凹槽那一面各处理3～5秒，然后将两者键合并轻按以确保充分贴合。将键合好的整个固体结构置于约90℃的热板上加热15分钟左右。
5)外凸下壁面的制作过程
将调制的液态PDMS从凹槽的入口缓慢注入，逐渐排空存留的空气以保证PDMS填满整个凹槽。将整个固体结构放置于约90℃的热板上，同时通过FLOWELL微流体控制系统(可以提供压力为设定值的恒压流体)从微通道的一个入口持续通入一定压力的气体，同时稍微堵一下微通道的其余出入口(可以使微通道内部保持相对较高的压力)，使得与微通道相接触的薄膜向另一侧(即凹槽一侧，相当于微通道向外凸)鼓出变形，保持这种边通气体边加热的状态15分钟左右，待PDMS凝固后得到的固体结构就是下壁面外凸的微通道。

Claims (2)

1.下壁面外凸的微通道的制作方法，通过在模板上浇筑PDMS生成通道结构和凹槽基地结构，利用离心匀胶机在硅片上甩制获得PDMS薄膜，电晕机将三者键合，将凹槽内注入液态PDMS后，往通道内部持续注入恒压气体使薄膜向通道外部变形，并将部分液态PDMS挤出，将其加热逐渐凝固后生成下壁面外凸的微流控芯片，外凸结构的长度和位置可以通过凹槽的尺寸和键合位置来控制。
其特征在于：包括以下步骤，
1)制作微通道和凹槽结构：将PDMS预制试剂分别浇注于带有微通道结构和凹槽结构的模板上，然后放于烘箱中烘烤使PDMS凝固。将凝固后的PDMS揭下并切割获得单面开口的微通道固体结构和带凹槽结构的固体块。用打孔器在微通道设计的出入口处以及凹槽的对角分别打一个通孔，其中一个为凹槽入口(1)，另一个为凹槽出口(2)。
2)制备薄膜和键合：将PDMS试剂放于硅片上甩制形成薄层胶质膜并放于烘箱中使胶质膜凝固形成固体弹性膜。将切割好的单面开口的微流控芯片固体结构利用电晕机处理后键合于带有薄膜的硅片上，用刀片沿微流控芯片的边缘轻轻划开并取下，得到单面带薄膜的微通道。将带有凹槽结构的PDMS固体块键合在薄膜的另一面。
3)注入液态PDMS：将调好未凝固的液态PDMS从凹槽的入口缓慢注入到凹槽中，排空存留的空气，保证凹槽中填满PDMS。
4)加热凝固：将填充后的结构放置在温度约为90℃的热板上，同时从微通道结构的凹槽入口(1)持续通入一定压力的气体，凹槽出口(2)暂时堵住；保证薄膜向凹槽一侧突出变形，即通道下壁面向外凸。在这种状态下保持15分钟左右，凹槽中的PDMS逐渐凝固，最终生成下壁面外凸的微尺度通道。
2.根据权利要求1所述的下壁面外凸的微通道的制作方法，其特征在于：下壁面外凸的微尺度通道的具体制作过程，具体步骤为，
1)主体通道结构和凹槽结构的制备过程
将PDMS主剂和凝固剂按照10:1的比例混合均匀，然后将该试剂置于常温真空环境中约40～60分钟，直至气泡全部析出为止，将其分别浇筑到含有微通道结构凸模和含有凹槽结构凸模的硅片上，并放于温度为65℃的烘箱中1小时左右，使其凝固。待PDMS凝固之后，将其从硅片模板上揭下，并切割出带有完整微通道结构的微流控芯片的主体部分和带有凹槽结构的固体块部分。用打孔器在微通道设计的出入口处以及凹槽的对角(一个用作入口，另一个用作出口)分别打一个通孔。
2)薄膜制作过程
与上面步骤相同，配制PDMS混合试剂并置于常温真空环境中析出气泡。将干净的空白硅片置于离心匀胶机上，然后将PDMS混合试剂倒在硅片中央并开启匀胶机，使PDMS试剂被甩制形成液态膜附着于硅片上，将带有液膜的硅片放于烘箱中使PDMS液态膜凝固形成固体弹性膜。
3)薄膜与微通道结构的键合过程
由于薄膜厚度太小难以直接取用，利用电晕机处理器将芯片主体部分中含有通道结构的那面，以及硅片上的薄膜外表面各处理3～5秒，然后将两者键合并轻按以确保充分贴合。将键合好的硅片置于约90℃的热板上加热约15分钟，然后用刀片沿芯片主体结构的边缘轻轻划开，将芯片主体结构取下，得到键合有单面薄膜的微通道结构。
4)凹槽与薄膜的键合过程
与上一步操作类同，利用电晕机处理器将薄膜另一面，和1)中制得的带凹槽结构的固体块上凹槽那一面各处理3～5秒，然后将两者键合并轻按以确保充分贴合。将键合好的整个固体结构置于约90℃的热板上加热15分钟左右。
5)外凸下壁面的制作过程
将调制的液态PDMS从凹槽的入口缓慢注入，逐渐排空存留的空气以保证PDMS填满整个凹槽。将整个固体结构放置于约90℃的热板上，同时通过FLOWELL微流体控制系统(可以提供压力为设定值的恒压流体)从微通道的一个入口持续通入一定压力的气体，同时稍微堵一下微通道的其余出入口(可以使微通道内部保持相对较高的压力)，使得与微通道相接触的薄膜向另一侧鼓出变形，保持这种边通气体边加热的状态15分钟左右，待PDMS凝固后得到的固体结构就是下壁面外凸的微通道。
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