CN104998704A - 一种基于压电薄膜泵的集成液滴生成芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明所述的一种基于压电薄膜泵的集成液滴生成芯片及其制作方法，包括盖板、压电膜、通道层及基板，盖板、压电膜、通道层及基板自上到下依次相连接；所述压电膜的上表面及下表面均设有镀膜区，所述镀膜区由水相压电薄膜泵的工作区电极、油相压电薄膜泵的工作区电极及导通区域；通道层包括液滴通道、水相压电薄膜泵工作区通孔、油相压电薄膜泵工作区通孔、两个储液池通孔、收液池通孔及第一通道槽孔、第二通道槽孔、第三通道槽孔、第四通道槽孔及若干电极引出孔；所述盖板上开设有两个第一通孔、两个第二通孔、第三通孔及若干个第四通孔；该芯片的控制精度高，并且制备方法简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种液滴生成芯片及其制作方法，具体涉及一种基于压电薄膜泵的集成液滴生成芯片及其制作方法。
背景技术
自20世纪90年代初，Manz首次提出微全分析系(micro-tota1-analysis system，μTAS)或芯片实验室(Lab-on-chip，LOC)概念以来，以微通道网络为结构特征，以化学、生物学和微机电学等学科为基础的微流控芯片技术得到了迅猛发展。近年来对离散化微液滴的研究成为国际上研究的重点。与传统连续流系统相比，离散化微液滴系统有一系列潜在优势：如消耗样品和试剂量更少，混合速度更快，装置简单，重复性好以及易于精确操控等。所以它已被成功应用于聚合酶链反应，蛋白质结晶，酶活性分析，细胞包封，化学分析、合成等领域。
关于液滴生成的驱动方式有以下几种：水动力法，利用两通道交叉处的结构特点使分散相液体在连续相剪切力的作用下以液滴形式分散在连续相中，其中最常用的提供驱动的方式为注射泵、蠕动泵或者压力；气动法是通过外部施加的气体压力作为剪切力和驱动力来生成液滴，但是，气体在通道中的泄漏是这种方法的一大缺陷；光控法是通过激光脉冲的光场来生成液滴，这种方法的控制精度稍低，同时制备方法复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于压电薄膜泵的集成液滴生成芯片及其制作方法，该芯片的控制精度高，并且制备方法简单。
为达到上述目的，本发明所述的基于压电薄膜泵的集成液滴生成芯片包括盖板、压电膜、通道层及基板，盖板、压电膜、通道层及基板自上到下依次相连接；
所述压电膜的上表面及下表面均设有镀膜区，所述镀膜区包括水相压电薄膜泵的工作区电极、油相压电薄膜泵的工作区电极及导通区域，导通区域与水相压电薄膜泵的工作区电极及油相压电薄膜泵的工作区电极相连接，压电膜上表面的水相压电薄膜泵的工作区电极正对压电膜下表面的水相压电薄膜泵的工作区电极，压电膜上表面的油相压电薄膜泵的工作区电极正对压电膜下表面的油相压电薄膜泵的工作区电极，压电膜上表面的导通区域与压电膜下表面的导通区域错开；
通道层包括液滴通道、水相压电薄膜泵工作区通孔、油相压电薄膜泵工作区通孔、两个储液池通孔、收液池通孔及第一通道槽孔、第二通道槽孔、第三通道槽孔、第四通道槽孔及若干电极引出孔；
油相压电薄膜泵工作区通孔与一个储液池通孔通过第三通道槽孔相连通，另一个储液池通孔与水相压电薄膜泵工作区通孔通过第一通道槽孔相连通，油相压电薄膜泵工作区通孔与第四通道槽孔相连通，水相压电薄膜泵工作区通孔与第二通道槽孔相连通，收液池通孔通过液滴通道与第二通道槽孔及第四通道槽孔相连通；
所述盖板上开设有两个第一通孔、两个第二通孔、第三通孔及若干个第四通孔；
两个第二通孔分别正对两个储液池通孔；
其中一个第一通孔正对油相压电薄膜泵工作区通孔及油相压电薄膜泵的工作区电极，另一个第一通孔正对水相压电薄膜泵工作区通孔及水相压电薄膜泵的工作区电极；
第三通孔正对收液池通孔；
各第四通孔正对导通区域及电极引出孔。
所述压电膜为已经极化且不带电极层的具有压电效应的压电薄膜。
所述盖板、通道层及基板所用材料为若干种具有支撑作用、不会发生流体渗漏现象的绝缘材料中的一种、其改性或几种复合而成的材料。
经第一通道槽孔及第二通道槽孔向水相压电薄膜泵工作区通孔流入或流出介质的过程中介质受到的阻力不同；
经第三通道槽孔及第四通道槽孔向油相压电薄膜泵工作区通孔流入或流出介质的过程中介质受到的阻力不同。
所述第一通道槽孔、第二通道槽孔、第三通道槽孔及第四通道槽孔为梯形结构或Y型结构。
本发明所述的基于压电薄膜泵的集成液滴生成芯片的制作方法包括以下步骤：
1)取压电膜，将压电膜按照其极化方向固定在夹具上，并在压电膜的上表面及下表面分别形成镀膜区，压电膜上表面的镀膜区及下表面的镀膜区均包括水相压电薄膜泵的工作区电极、油相压电薄膜泵的工作区电极及导通区域，且压电膜上表面的镀膜区中的水相压电薄膜泵的工作区电极正对压电膜下表面的镀膜区中水相压电薄膜泵的工作区电极，压电膜上表面的镀膜区中的油相压电薄膜泵的工作区电极正对压电膜下表面的镀膜区中油相压电薄膜泵的工作区电极，压电膜上表面的导通区域与压电膜下表面的导通区域错开；
2)取盖板、通道层及基板，在通道层上开设有液滴通道、水相压电薄膜泵工作区通孔、油相压电薄膜泵工作区通孔、两个储液池通孔、收液池通孔、第一通道槽孔、第二通道槽孔、第三通道槽孔、第四通道槽孔及若干电极引出孔，其中，油相压电薄膜泵工作区通孔与一个储液池通孔通过第三通道槽孔相连通，另一个储液池通孔与水相压电薄膜泵工作区通孔通过第一通道槽孔相连通，油相压电薄膜泵工作区通孔与第四通道槽孔相连通，水相压电薄膜泵工作区通孔与第二通道槽孔相连通，收液池通孔通过液滴通道与第二通道槽孔及第四通道槽孔相连通；在盖板上开设两个第一通孔、两个第二通孔、第三通孔及若干第四通孔，其中，一个第一通孔正对油相压电薄膜泵工作区通孔及油相压电薄膜泵的工作区电极，另一个第一通孔正对水相压电薄膜泵工作区通孔及水相压电薄膜泵的工作区电极；两个第二通孔分别正对两个储液池通孔；第三通孔均正对收液池通孔；各第四通孔正对导通区域及电极引出孔；
3)将盖板、压电膜、通道层及基板自上到下依次固定连接，再通过第四通孔引出上电极及下电极，然后在上电极及下电极上接测试引线，得基于压电薄膜泵的集成液滴生成芯片。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于压电薄膜泵的集成液滴生成芯片包括盖板、通道层及压电膜，盖板上的一个第一通孔正对通道层上的油相压电薄膜泵工作区通孔及压电膜上的油相压电薄膜泵的工作区电极，盖板上的另一个第一通孔正对通道层上的水相压电薄膜泵工作区通孔及压电膜上的水相压电薄膜泵的工作区电极，控制的精度较高。同时，在制备过程中，只需在压电膜的上表面及下表面制作镀膜区，再在盖板上开设若干通孔，并在通道层上开设若干通孔、通道槽孔及滴液通道，然后将盖板、压电膜、通道层及基板固定连接，然后引出上电极及下电极，再接测试引线，即可完成基于压电薄膜泵的集成液滴生成芯片，制作方法简单方便，在整个制作过程中可以不需要昂贵的设备及材料，完全可以广泛推广，实用性强，另外，在实际应用时，通过调节通道的尺寸和驱动电压的条件可以改变所生成液滴的尺寸。
附图说明
图1为本发明中盖板2的结构示意图；
图2为本发明中压电膜1的结构示意图；
图3为本发明中通道层3的结构示意图；
图4为本发明中实施例1的芯片生成液滴尺寸与电压幅值的关系图。
其中，1为压电膜、2为盖板、3为通道层、41为油相压电薄膜泵的工作区电极、42为水相压电薄膜泵的工作区电极、5为导通区域、6为第一通孔、7为第二通孔、8为第三通孔、9为液滴通道、101为油相压电薄膜泵工作区通孔、102为水相压电薄膜泵工作区通孔、11为储液池通孔、12为收液池通孔、131为第一通道槽孔、132为第二通道槽孔、133为第三通道槽孔、134为第四通道槽孔、14为第四通孔、15为电极引出孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1、图2及图3，本发明所述的基于压电薄膜泵的集成液滴生成芯片包括盖板2、压电膜1、通道层3及基板，盖板2、压电膜1、通道层3及基板自上到下依次相连接；所述压电膜1的上表面及下表面均设有镀膜区，所述镀膜区包括水相压电薄膜泵的工作区电极42、油相压电薄膜泵的工作区电极41及导通区域5，导通区域5与水相压电薄膜泵的工作区电极42及油相压电薄膜泵的工作区电极41相连接，压电膜1上表面的水相压电薄膜泵的工作区电极42正对压电膜1下表面的水相压电薄膜泵的工作区电极42，压电膜1上表面的油相压电薄膜泵的工作区电极41正对压电膜1下表面的油相压电薄膜泵的工作区电极41，压电膜1上表面的导通区域5与压电膜1下表面的导通区域5错开；通道层3包括液滴通道9、水相压电薄膜泵工作区通孔102、油相压电薄膜泵工作区通孔101、两个储液池通孔11、收液池通孔12及第一通道槽孔131、第二通道槽孔132、第三通道槽孔133、第四通道槽孔134及若干电极引出孔15；油相压电薄膜泵工作区通孔101与一个储液池通孔11通过第三通道槽孔133相连通，另一个储液池通孔11与水相压电薄膜泵工作区通孔102通过第一通道槽孔131相连通，油相压电薄膜泵工作区通孔101与第四通道槽孔134相连通，水相压电薄膜泵工作区通孔102与第二通道槽孔132相连通，收液池通孔12通过液滴通道9与第二通道槽孔132及第四通道槽孔134相连通；所述盖板2上开设有两个第一通孔6、两个第二通孔7、第三通孔8及若干个第四通孔14；两个第二通孔7分别正对两个储液池通孔11；其中一个第一通孔6正对油相压电薄膜泵工作区通孔101及油相压电薄膜泵的工作区电极41，另一个第一通孔6正对水相压电薄膜泵工作区通孔102及水相压电薄膜泵的工作区电极42；第三通孔8正对收液池通孔12；各第四通孔14正对导通区域5及电极引出孔15。
所述压电膜1为已经极化且不带电极层的具有压电效应的压电薄膜；盖板2、通道层3及基板所用材料为若干种具有支撑作用、不会发生流体渗漏现象的绝缘材料中的一种、其改性或几种复合而成的材料。；经第一通道槽孔131及第二通道槽孔132向水相压电薄膜泵工作区通孔102流入或流出介质的过程中介质受到的阻力不同；经第三通道槽孔133及第四通道槽孔134向油相压电薄膜泵工作区通孔101流入或流出介质的过程中介质受到的阻力不同；第一通道槽孔131、第二通道槽孔132、第三通道槽孔133及第四通道槽孔134为梯形结构或Y型结构。
本发明所述的基于压电薄膜泵的集成液滴生成芯片的制作方法包括以下步骤：
1)取压电膜1，将压电膜1按照其极化方向固定在夹具上，并在压电膜1的上表面及下表面分别形成镀膜区，压电膜1上表面的镀膜区及下表面的镀膜区均包括水相压电薄膜泵的工作区电极42、油相压电薄膜泵的工作区电极41及导通区域5，且压电膜1上表面的镀膜区中的水相压电薄膜泵的工作区电极42正对压电膜1下表面的镀膜区中水相压电薄膜泵的工作区电极42，压电膜1上表面的镀膜区中的油相压电薄膜泵的工作区电极41正对压电膜1下表面的镀膜区中油相压电薄膜泵的工作区电极41，压电膜1上表面的导通区域5与压电膜1下表面的导通区域5错开；
2)取盖板2、通道层3及基板，在通道层3上开设有液滴通道9、水相压电薄膜泵工作区通孔102、油相压电薄膜泵工作区通孔101、两个储液池通孔11、收液池通孔12、第一通道槽孔131、第二通道槽孔132、第三通道槽孔133、第四通道槽孔134及若干电极引出孔15，其中，油相压电薄膜泵工作区通孔101与一个储液池通孔11通过第三通道槽孔133相连通，另一个储液池通孔11与水相压电薄膜泵工作区通孔102通过第一通道槽孔131相连通，油相压电薄膜泵工作区通孔101与第四通道槽孔134相连通，水相压电薄膜泵工作区通孔102与第二通道槽孔132相连通，收液池通孔12通过液滴通道9与第二通道槽孔132及第四通道槽孔134相连通；在盖板2上开设两个第一通孔6、两个第二通孔7、第三通孔8及若干第四通孔14，其中，两个第二通孔7分别正对两个储液池通孔11；一个第一通孔6正对油相压电薄膜泵工作区通孔101及油相压电薄膜泵的工作区电极41，另一个第一通孔6正对水相压电薄膜泵工作区通孔102及水相压电薄膜泵的工作区电极42；第三通孔8均正对收液池通孔12；各第四通孔14正对导通区域5及电极引出孔15；
3)将盖板2、压电膜1、通道层3及基板自上到下依次固定连接，再通过第四通孔14引出上电极及下电极，然后在上电极及下电极上粘接测试引线，得基于压电薄膜泵的集成液滴生成芯片。
实施例一
本发明所述的基于压电薄膜泵的集成液滴生成芯片的制作方法包括以下步骤：
1)用锋利的刀片将厚度为28微米的已极化且不带电极的PVDF压电薄膜按照其极化方向裁剪成50×90毫米的矩形，将其沿着极化方向固定在夹具上，安装制作图形化电极的掩膜板，该掩膜板是使用0.5毫米厚的有机玻璃板采用激光切割制成，掩膜板上的油相压电薄膜泵的工作区电极41及水相压电薄膜泵工作区电极42均为孔径分别为8毫米和5毫米的圆形；
2)利用直流溅射仪在压电薄膜上表面及下表面分别镀黄金电极，设置溅射电流为10毫安，时间为25分钟，在PVDF压电薄膜上表面及下表面各沉积一层厚度约为100纳米的图形化的黄金电极，结束后，拆掉掩膜板；
3)使用激光切割机将厚度为1毫米的有机玻璃切成一块50×90毫米的矩形，并有直径与隔膜直径相同、位置也与其对应的圆形通孔，以及对应于导通区域5的直径为3毫米的圆形通孔，此外，还有用于加样的直径为3毫米的圆形通孔；将厚度为150微米的双面胶切成一块50×90毫米的矩形，并刻有角度为15°的梯形通道，储液池开口口径d约为0.5毫米，工作区的开口口径D约为2毫米，液滴通道9宽度为1毫米长度为15毫米，水相、油相通道交叉处的缩口为0.5毫米；PVDF薄膜及有机玻璃之间用厚度为50微米的双面胶粘结；最后在对应于导通区域5的通孔里注入液体金属，并用导电铜箔封口并引出作为测试导线，至此，整个器件制作完成。
实施例二
本发明所述基于压电薄膜泵的集成液滴生成芯片的制作方法包括以下步骤：
用锋利的刀片将厚度为28微米的已极化且不带电极的PVDF压电薄膜按照其极化方向裁剪成50×90毫米的矩形，将其沿着极化方向固定在夹具上，安装制作图形化电极的掩膜板，该掩膜板是使用0.5毫米厚的有机玻璃板采用激光切割制成，掩膜板上的一油相压电薄膜泵的工作区电极41为直径8毫米的圆形，三个水相压电薄膜泵工作区电极42为孔径为5毫米的圆形；
利用直流溅射仪在压电薄膜上表面及下表面分别镀黄金电极，设置溅射电流为10毫安，时间为25分钟，在PVDF压电薄膜上表面及下表面各沉积一层厚度约为100纳米的图形化的黄金电极，结束后，拆掉掩膜板；
使用激光切割机将厚度为1毫米的有机玻璃切成一块50×90毫米的矩形，并有直径与隔膜直径相同、位置也与其对应的圆形通孔，以及对应于导通区域5的直径为3毫米的圆形通孔，此外，还有用于加样的直径为3毫米的圆形通孔；将厚度为150微米的双面胶切成一块50×90毫米的矩形，并刻有角度为15°的梯形通道，储液池开口口径d约为0.5毫米，工作区的开口口径D约为2毫米，液滴通道9宽度为1毫米长度为20毫米，两相通道交叉处的缩口为0.5毫米；PVDF薄膜及有机玻璃之间用厚度为50微米的双面胶粘结；最后在对应于导通区域5的通孔里注入液体金属，并用导电铜箔封口并引出作为测试导线，至此，整个器件制作完成。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种基于压电薄膜泵的集成液滴生成芯片，其特征在于，包括盖板(2)、压电膜(1)、通道层(3)及基板，盖板(2)、压电膜(1)、通道层(3)及基板自上到下依次相连接；
所述压电膜(1)的上表面及下表面均设有镀膜区，所述镀膜区包括水相压电薄膜泵的工作区电极(42)、油相压电薄膜泵的工作区电极(41)及导通区域(5)，导通区域(5)与水相压电薄膜泵的工作区电极(42)及油相压电薄膜泵的工作区电极(41)相连接，压电膜(1)上表面的水相压电薄膜泵的工作区电极(42)正对压电膜(1)下表面的水相压电薄膜泵的工作区电极(42)，压电膜(1)上表面的油相压电薄膜泵的工作区电极(41)正对压电膜(1)下表面的油相压电薄膜泵的工作区电极(41)，压电膜(1)上表面的导通区域(5)与压电膜(1)下表面的导通区域(5)错开；
通道层(3)包括液滴通道(9)、水相压电薄膜泵工作区通孔(102)、油相压电薄膜泵工作区通孔(101)、两个储液池通孔(11)、收液池通孔(12)及第一通道槽孔(131)、第二通道槽孔(132)、第三通道槽孔(133)、第四通道槽孔(134)及若干电极引出孔(15)；
油相压电薄膜泵工作区通孔(101)与一个储液池通孔(11)通过第三通道槽孔(133)相连通，另一个储液池通孔(11)与水相压电薄膜泵工作区通孔(102)通过第一通道槽孔(131)相连通，油相压电薄膜泵工作区通孔(101)与第四通道槽孔(134)相连通，水相压电薄膜泵工作区通孔(102)与第二通道槽孔(132)相连通，收液池通孔(12)通过液滴通道(9)与第二通道槽孔(132)及第四通道槽孔(134)相连通；
所述盖板(2)上开设有两个第一通孔(6)、两个第二通孔(7)、第三通孔(8)及若干个第四通孔(14)；
两个第二通孔(7)分别正对两个储液池通孔(11)；
其中一个第一通孔(6)正对油相压电薄膜泵工作区通孔(101)及油相压电薄膜泵的工作区电极(41)，另一个第一通孔(6)正对水相压电薄膜泵工作区通孔(102)及水相压电薄膜泵的工作区电极(42)；
第三通孔(8)正对收液池通孔(12)；
各第四通孔(14)正对导通区域(5)及电极引出孔(15)。
2.根据权利要求1所述的基于压电薄膜泵的集成液滴生成芯片，其特征在于，所述压电膜(1)为已经极化且不带电极层的具有压电效应的压电薄膜。
3.根据权利要求1所述的基于压电薄膜泵的集成液滴生成芯片，其特征在于，所述盖板(2)、通道层(3)及基板所用材料为若干种具有支撑作用、不会发生流体渗漏现象的绝缘材料中的一种、其改性或几种复合而成的材料。
4.根据权利要求1所述的基于压电薄膜泵的集成液滴生成芯片，其特征在于，经第一通道槽孔(131)及第二通道槽孔(132)向水相压电薄膜泵工作区通孔(102)流入或流出介质的过程中介质受到的阻力不同；
经第三通道槽孔(133)及第四通道槽孔(134)向油相压电薄膜泵工作区通孔(101)流入或流出介质的过程中介质受到的阻力不同。
5.根据权利要求1所述的基于压电薄膜泵的集成液滴生成芯片，其特征在于，所述第一通道槽孔(131)、第二通道槽孔(132)、第三通道槽孔(133)及第四通道槽孔(134)为梯形结构或Y型结构。
6.一种基于压电薄膜泵的集成液滴生成芯片的制作方法，其特征在于，基于权利要求1所述的基于压电薄膜泵的集成液滴生成芯片，包括以下步骤：
1)取压电膜(1)，将压电膜(1)按照其极化方向固定在夹具上，并在压电膜(1)的上表面及下表面分别形成镀膜区，压电膜(1)上表面的镀膜区及下表面的镀膜区均包括水相压电薄膜泵的工作区电极(42)、油相压电薄膜泵的工作区电极(41)及导通区域(5)，且压电膜(1)上表面的镀膜区中的水相压电薄膜泵的工作区电极(42)正对压电膜(1)下表面的镀膜区中水相压电薄膜泵的工作区电极(42)，压电膜(1)上表面的镀膜区中的油相压电薄膜泵的工作区电极(41)正对压电膜(1)下表面的镀膜区中油相压电薄膜泵的工作区电极(41)，压电膜(1)上表面的导通区域(5)与压电膜(1)下表面的导通区域(5)错开；
2)取盖板(2)、通道层(3)及基板，在通道层(3)上开设有液滴通道(9)、水相压电薄膜泵工作区通孔(102)、油相压电薄膜泵工作区通孔(101)、两个储液池通孔(11)、收液池通孔(12)、第一通道槽孔(131)、第二通道槽孔(132)、第三通道槽孔(133)、第四通道槽孔(134)及若干电极引出孔(15)，其中，油相压电薄膜泵工作区通孔(101)与一个储液池通孔(11)通过第三通道槽孔(133)相连通，另一个储液池通孔(11)与水相压电薄膜泵工作区通孔(102)通过第一通道槽孔(131)相连通，油相压电薄膜泵工作区通孔(101)与第四通道槽孔(134)相连通，水相压电薄膜泵工作区通孔(102)与第二通道槽孔(132)相连通，收液池通孔(12)通过液滴通道(9)与第二通道槽孔(132)及第四通道槽孔(134)相连通；在盖板(2)上开设两个第一通孔(6)、两个第二通孔(7)、第三通孔(8)及若干第四通孔(14)，其中，两个第二通孔(7)分别正对两个储液池通孔(11)；一个第一通孔(6)正对油相压电薄膜泵工作区通孔(101)及油相压电薄膜泵的工作区电极(41)，另一个第一通孔(6)正对水相压电薄膜泵工作区通孔(102)及水相压电薄膜泵的工作区电极(42)；第三通孔(8)均正对收液池通孔(12)；各第四通孔(14)正对导通区域(5)及电极引出孔(15)；
3)将盖板(2)、压电膜(1)、通道层(3)及基板自上到下依次固定连接，再通过第四通孔(14)引出上电极及下电极，然后在上电极及下电极上接测试引线，得基于压电薄膜泵的集成液滴生成芯片。
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