CN105032509A - 一种基于聚合物基板的微流控芯片的制备方法 - Google Patents

Abstract

本案公开了一种基于聚合物基板的微流控芯片的制备方法，包括1)在聚合物基板表面上覆第一保护膜；2)在基板表面开挖流道；3)在基板表面和流道表面覆第二保护膜；4)除去基板上的第一保护膜和第二保护膜；5)将基板依次叠放，在间隙之间填充辅助溶剂进行亲润；6)对基板施加压力，随后除去流道内多余的辅助溶剂；7)除去流道表面的第二保护膜。本案可以实现更为复杂的流路和更多流体功能的集成，对于满足目前生物医学检测领域对高通量、多指标和并行检测的要求具有重要意义。同时，该方法制备简单，流道形貌标准、光洁度高，键合强度强，便于批量化生产，对于提高整个医疗行业检测仪器检测性能以及仪器的微型化具有重要意义。

Description

一种基于聚合物基板的微流控芯片的制备方法

技术领域

本发明涉及微流控芯片加工领域，特别涉及一种基于聚合物基板的微流控芯片的制备方法。

背景技术

微流控技术又称为芯片实验室技术，是指利用微管道处理或操控微小流体的科学和技术，是一门涉及化学、流体物理、微电子、新材料、生物学和医学工程的新型交叉学科。因其通常表现为一块集成有各种功能模块的微小卡片样子，微流控装置也通常被称为微流控芯片，或称为芯片实验室(labonachip)和微全分析系统(uTAS).

微流控技术的典型特征是微管道(尺寸为数十到数百微米)和微流体体积操控(纳升级甚至皮升级操控)，以及由之带来的高度集成化和微型化。微型化和集成化是微流控技术的一个杰出优点。譬如，最常见的血常规检测，传统的全自动生化分析仪具有庞大的体积(如130cm×85cm×130cm)以及近5ml的抽血量，然而，采用微流控技术的全自动生化分析仪，在测试精度与传统生化分析仪等同的情况下，其体积仅为25cm×15cm×25cm，所需血液量降低至0.1ml，全部指标测试时间仅需15min。

微流控技术的另一个优势是可靠性高，其原因是微流控技术舍弃了传统的软管、管接头以及泵阀形式，而是在芯片内部集成管路、泵、阀等。例如，并行化搅拌式生物反应器(parallelminiaturizedstirredtankbioreactor)通常具有较高的通量，例如数十个乃至数百个、数千个生物反应器。而每个反应器都需要流量精确可调的输入各种营养液、缓冲液、氧气等，导致整个系统具有数百乃至数千个管路及管接头、泵、阀等等，采用传统软管、管接头方式将导致整个系统非常庞大与繁杂，非常混乱及容易出错。而最新的采用微流控技术则可以将所有的管路、阀、泵集成到一块几百厘米平方的微流控芯片内部，使得整个仪器的装配和维护非常简单，可靠性高，简洁紧凑。

近年来，微流控技术在各类疾病诊断、生命科学、环境检测等技术领域有着广泛的应用。采用微流控芯片进行自动化分析检测，不仅可以提高分析的效率和性能精度，还能降低样品、试剂的需求量，降低或消除人为误差和交叉污染，实现仪器的微型化，因而越来越受到人们的重视。

目前最常用的单层流道的微流控芯片，是由一块带有流道沟槽的基板和一块盖板键合而成，原因是其制作简单。单层流道的芯片能够实现的功能也非常有限，无法实现三维分布的流路结构。随着各类检测分析仪仪器对高通量、多指标和并行检测的要求，其所需要的流路和微泵、微阀系统越来越复杂，单层微流控芯片越来越难以满足需要。

解决办法是使用多层微流控芯片，也就是采用多块带有流路沟道的基板逐次键合，形成层状分布的多层三维流路微流控芯片。但事实上，当微流控芯片超过两层后，其制作过程会变得非常困难，且制作的流道横截面会变形，形貌也会变粗糙，同时键合强度不足易开裂。

譬如，热压键合法是最常用的一种键合方式，其原理是在接近基板材料软化温度环境下，给结合面施加一定的压力(通常为Mpa级别)使得两面通过分子力结合的一种方式。事实上，热压键合所需的正压力随着流道层数的增加而成倍数增加，由于是在接近材料软化温度下进行的键合，这个正压力的增加将导致沟道的型变量急剧增大，沟道被“压扁”了。同时，热压键合的键合强度较小(几十psi)，意味着芯片不“结实”，当流经芯片的液体压力超过这个值后芯片将损坏。

再譬如，超声键合法是另一种常用的键合方式，它采用超声在两层基板接触位置产生局部高温，使结合面熔融而键合在一起。超声键合的主要问题在于其穿透力不足，当键合厚度超过一定值时(例如，5mm)，超声能量将因材料的阻挡而锐减，导致键合不上。加大超声能量则会导致键合部位变形，甚至整个微流控芯片的变形，使得其难以构建多层微流控芯片。

再譬如，胶粘法是一种采用液体胶对微流控芯片进行键合的方式，其键合过程是在微流控芯片层层之间充满胶后压合。事实上这种键合方式用的不多，原因是残留的胶容易流入微流控通道致使流道壁粗糙、流道直径变小甚至堵塞，不适合批量生产。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于聚合物基板的微流控芯片的制备方法，其能够在保证沟道形貌、光洁度以及键合强度的前提下，实现对多层微流控芯片的制备。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于聚合物基板的微流控芯片的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)覆膜：在聚合物基板的至少一个表面上覆上第一保护膜；

步骤2)流道加工：在已覆膜的聚合物基板表面开挖流道；

步骤3)再覆膜：在已完成流道加工的聚合物基板表面和流道表面覆上第二保护膜；

步骤4)去膜：除去聚合物基板上的第一保护膜和第二保护膜，保留流道表面的第二保护膜；

步骤5)辅助溶剂亲润：将经步骤1)～4)得到的两块或多块聚合物基板依次叠放并固定，同时保持待键合的两个表面之间的间隙为50μm～600μm，随后在所述间隙之间均匀填充辅助溶剂来对聚合物基板表面进行亲润，亲润时间为10min；

步骤6)键合：对叠放的聚合物基板施加压力，使得聚合物基板之间的结合面压力为0.05～0.1MPa，并保持10～30min；随后除去流道内多余的辅助溶剂；

步骤7)再去膜：采用洗液流洗溶解的方式除去流道表面的第二保护膜，且所述洗液不能溶解所述聚合物基板。

优选的是，所述的基于聚合物基板的微流控芯片的制备方法，其中，所述第一保护膜是聚酰亚胺薄膜胶带。

优选的是，所述的基于聚合物基板的微流控芯片的制备方法，其中，所述聚合物基板的材质为聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯或聚碳酸酯中的一种。

优选的是，所述的基于聚合物基板的微流控芯片的制备方法，其中，所述第二保护膜为铝膜、铬膜、钛膜或二氧化硅膜中的一种。

优选的是，所述的基于聚合物基板的微流控芯片的制备方法，其中，所述辅助溶剂为：

丙酮与异丙醇混合液，丙酮与异丙醇体积比为1∶20～1∶10；或

丙酮与乙醇混合液，丙酮与乙醇体积比为1∶20～1∶10；或

丁酮与异丙醇混合液，丙酮与异丙醇体积比为1∶40～1∶20；或

丁酮与乙醇混合液，丁酮与乙醇体积比为1∶40～1∶20。

优选的是，所述的基于聚合物基板的微流控芯片的制备方法，其中，当所述第二保护膜为铝膜、铬膜、钛膜时，采用磁控溅射法进行覆膜；当所述第二保护膜为二氧化硅膜时，采用等离子体增强化学气相沉积法进行覆膜。

优选的是，所述的基于聚合物基板的微流控芯片的制备方法，其中，当所述第二保护膜为铝膜或铬膜时，所述洗液为5～30wt％的无机酸。

优选的是，所述的基于聚合物基板的微流控芯片的制备方法，其中，当所述第二保护膜为钛膜时，所述洗液为1～5wt％的氢氟酸。

优选的是，所述的基于聚合物基板的微流控芯片的制备方法，其中，当所述第二保护膜为二氧化硅膜时，所述洗液为1～5wt％的氢氟酸。

本发明的有益效果是：本案可以实现更为复杂的流路和更多流体功能的集成，对于满足目前生物医学检测领域对高通量、多指标和并行检测的要求具有重要意义。同时，该方法制备简单，流道形貌标准、光洁度高，键合强度强，便于批量化生产，对于提高整个医疗行业检测仪器检测性能以及仪器的微型化具有重要意义。

附图说明

图1为基于聚合物基板的微流控芯片的制备方法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本案提出一实施例的基于聚合物基板的微流控芯片的制备方法，此方法在常温、低压力下即可实现高强度的流道网络制作。同时，其独特的沟道保护薄膜技术可以实现沟道质量在整个制作过程中的无损保护。具体步骤如下：

步骤1)覆膜：在聚合物基板的至少一个表面上覆上第一保护膜；当需要制作多层微流控芯片时，一般需要在聚合物基板的两面均覆上第一保护膜；第一保护膜具有易除去的特点。第一保护膜可以是一种薄膜胶带，或是用甩胶机制作的一层薄胶。

步骤2)流道加工：在已覆膜的聚合物基板表面开挖流道；开挖流道的方法不受限制，可以是常规的微纳加工工艺，如MEMS工艺制作的微流道，也可以通过机械加工的方法制作，可以根据加工沟道的径向尺寸选择加工方法。

步骤3)再覆膜：在已完成流道加工的聚合物基板表面和流道表面覆上第二保护膜，它的作用是在流道表面形成保护层，第二保护膜的厚度为1～10μm左右。如果直接在聚合物基板表面和流道表面覆上第二保护膜，不覆上第一保护膜的话，则将导致聚合物基板表面的第二保护膜很难被除去，从而使得两层聚合物基板的结合面无法键合，因为键合用的辅助溶剂无法亲润第二保护膜。而如果没有第二保护膜保护流道表面的话，键合用的辅助溶剂在亲润时，会腐蚀流道表面。

步骤4)去膜：除去聚合物基板上的第一保护膜和第二保护膜，保留流道表面的第二保护膜；由于第二保护膜贴合在第一保护膜上，因此，在除去聚合物基板上的第一保护膜的时候，第二保护膜也一起被除去。由于第一保护膜具有易撕除的特点，因此，第一保护膜可采用直接撕除、刮除等方法除去。

步骤5)辅助溶剂亲润：将经步骤1)～4)得到的两块或多块聚合物基板依次叠放并固定，同时保持待键合的两个表面之间的间隙为50μm～600μm，随后在间隙之间均匀填充辅助溶剂来对聚合物基板表面进行亲润，亲润时间为10min；辅助溶剂在亲润后，可使得聚合物基板表面产生一定的粘性。

步骤6)键合：对叠放的聚合物基板施加压力，使得聚合物基板之间的结合面压力为0.05～0.1MPa，并保持10～30min；随后除去流道内多余的辅助溶剂；除去的方式不受限制，可以是负压吸出或是正压气体压出。

步骤7)再去膜：采用洗液流洗溶解的方式除去流道表面的第二保护膜，且洗液不具备溶解所述聚合物基板的能力，若洗液具备溶解能力，则将对流道表面造成腐蚀。

作为本案另一实施例，其中，第一保护膜优选是聚酰亚胺薄膜胶带，它不残胶，易撕易贴，操作十分方便。

作为本案又一实施例，其中，聚合物基板的材质为聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯或聚碳酸酯中的一种，更优选的是聚甲基丙烯酸甲酯。这些材料作为基板，都具有易加工、易亲润、易键合、键合条件温和、键合强度高等优点。

作为本案又一实施例，其中，第二保护膜为铝膜、铬膜、钛膜或二氧化硅膜中的一种。这些材质的膜可以保护流道表面免受辅助试剂的亲润，从而避免流道表面被腐蚀。

作为本案又一实施例，其中，辅助溶剂为：

丙酮与异丙醇混合液，丙酮与异丙醇体积比为1∶20～1∶10；或

丙酮与乙醇混合液，丙酮与乙醇体积比为1∶20～1∶10；或

丁酮与异丙醇混合液，丙酮与异丙醇体积比为1∶40～1∶20；或

丁酮与乙醇混合液，丁酮与乙醇体积比为1∶40～1∶20。

上述4种辅助溶剂的具体成分和配比应被限制，当辅助溶剂的成分和配比偏离上述限定的范围时，会严重影响辅助溶剂对聚合物基板的亲润效果，从而导致聚合物基板的键合强度下降。

作为本案又一实施例，其中，当第二保护膜为铝膜、铬膜、钛膜时，采用磁控溅射法进行覆膜；当第二保护膜为二氧化硅膜时，采用等离子体增强化学气相沉积法进行覆膜。磁控溅射法的技术参数为：功率400～600W，溅射时间10～15min，衬底温度60～65℃，氩气保护，真空度优于1.0×10^-7Torr，所得膜厚度约为1μm。等离子体增强化学气相沉积法的技术参数为：功率800～900W，沉积时间30～40min，温度80～90℃，反应气体为硅烷和氧气，真空度优于1.0×10^-7Torr，所得膜的厚度约为10μm。

作为本案又一实施例，其中，当第二保护膜为铝膜或铬膜时，洗液为5～30wt％的无机酸，优选的是盐酸或硫酸，无机酸廉价易得，且洗脱效果好，自身不易残留，易提高流道表面的光洁度。

作为本案又一实施例，其中，当第二保护膜为钛膜时，洗液为1～5wt％的氢氟酸。

作为本案又一实施例，其中，当第二保护膜为二氧化硅膜时，洗液为1～5wt％的氢氟酸。

实施例1

以下将以用于水质检测的微流控芯片流路模块为例，该微流控芯片模块具有三维尺寸110×30×50(mm)，包含四层基板，沟道尺寸为直径1mm，所用基板材质为聚甲基丙烯酸甲酯(简称PMMA)。

1)覆膜：使用聚酰亚胺胶带完全覆盖所需加工的PMMA基板上。

2)流道加工：考虑到沟道尺寸较大，采用机械加工的方法开挖流道。

3)再覆膜：采用磁控溅射法制作一层1μm厚度的铝膜。磁控溅射法的技术参数为：功率400W，溅射时间10min，衬底温度60℃，氩气保护，真空度优于1.0×10^-7Torr。

4)去膜：撕掉胶带，顺便也带走了胶带上的铝膜，但流道中的金属膜依然存在。

5)辅助溶剂亲润：辅助溶剂为丙酮与乙醇混合液，丙酮与乙醇体积比为1∶15。基板与基板结合面之间的间隙为300μm，亲润时间为10min。

6)键合：采用压力机并施加键合压力0.1MPa，并保持10min。随后采用真空负压吸出沟道中残留的辅助溶剂。

7)再去膜：采用5wt％的HCl溶液去除铝膜，从而完成整个微流控芯片的制作。

表一列出辅助溶剂对键合强度的影响，其中，以PMMA为聚合物基板，基板结合面之间的间隙为300μm，亲润时间10min，施加的键合压力为0.1MPa，键合维持时间为10min。

表一

	辅助溶剂成分	成分比例	键合强度/MPa
				实施例2	丙酮/异丙醇	1∶20	3.07
实施例3	丙酮/异丙醇	1∶10	3.12
				实施例4	丙酮/乙醇	1∶20	3.04
实施例5	丙酮/乙醇	1∶10	3.09

实施例6	丁酮/异丙醇	1∶40	3.00
				实施例7	丁酮/异丙醇	1∶20	3.03
实施例8	丁酮/乙醇	1∶40	3.01
				实施例9	丁酮/乙醇	1∶20	3.08
对比例1	丙酮/异丙醇	1∶21	2.83
				对比例2	丙酮/异丙醇	1∶9	2.88
对比例3	丙酮/乙醇	1∶21	2.81
				对比例4	丙酮/乙醇	1∶9	2.89
对比例5	丁酮/异丙醇	1∶41	2.75
				对比例6	丁酮/异丙醇	1∶19	2.86
对比例7	丁酮/乙醇	1∶41	2.80
				对比例8	丁酮/乙醇	1∶19	2.84

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种基于聚合物基板的微流控芯片的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)覆膜：在聚合物基板的至少一个表面上覆上第一保护膜；

步骤2)流道加工：在已覆膜的聚合物基板表面开挖流道；

步骤3)再覆膜：在已完成流道加工的聚合物基板表面和流道表面覆上第二保护膜；

步骤4)去膜：除去聚合物基板上的第一保护膜和第二保护膜，保留流道表面的第二保护膜；

步骤5)辅助溶剂亲润：将经步骤1)～4)得到的两块或多块聚合物基板依次叠放并固定，同时保持待键合的两个表面之间的间隙为50μm～600μm，随后在所述间隙之间均匀填充辅助溶剂来对聚合物基板表面进行亲润，亲润时间为10min；

步骤6)键合：对叠放的聚合物基板施加压力，使得聚合物基板之间的结合面压力为0.05～0.1MPa，并保持10～30min；随后除去流道内多余的辅助溶剂；

步骤7)再去膜：采用洗液流洗溶解的方式除去流道表面的第二保护膜，且所述洗液不能溶解所述聚合物基板。

2.根据权利要求1所述的基于聚合物基板的微流控芯片的制备方法，其特征在于，所述第一保护膜是聚酰亚胺薄膜胶带。

3.根据权利要求1所述的基于聚合物基板的微流控芯片的制备方法，其特征在于，所述聚合物基板的材质为聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯或聚碳酸酯中的一种。

4.根据权利要求1所述的基于聚合物基板的微流控芯片的制备方法，其特征在于，所述第二保护膜为铝膜、铬膜、钛膜或二氧化硅膜中的一种。

5.根据权利要求1所述的基于聚合物基板的微流控芯片的制备方法，其特征在于，所述辅助溶剂为：

丙酮与异丙醇混合液，丙酮与异丙醇体积比为1∶20～1∶10；或

丙酮与乙醇混合液，丙酮与乙醇体积比为1∶20～1∶10；或

丁酮与异丙醇混合液，丙酮与异丙醇体积比为1∶40～1∶20；或

丁酮与乙醇混合液，丁酮与乙醇体积比为1∶40～1∶20。

6.根据权利要求4所述的基于聚合物基板的微流控芯片的制备方法，其特征在于，当所述第二保护膜为铝膜、铬膜、钛膜时，采用磁控溅射法进行覆膜；当所述第二保护膜为二氧化硅膜时，采用等离子体增强化学气相沉积法进行覆膜。

7.根据权利要求4所述的基于聚合物基板的微流控芯片的制备方法，其特征在于，当所述第二保护膜为铝膜或铬膜时，所述洗液为5～30wt％的无机酸。

8.根据权利要求4所述的基于聚合物基板的微流控芯片的制备方法，其特征在于，当所述第二保护膜为钛膜时，所述洗液为1～5wt％的氢氟酸。

9.根据权利要求4所述的基于聚合物基板的微流控芯片的制备方法，其特征在于，当所述第二保护膜为二氧化硅膜时，所述洗液为1～5wt％的氢氟酸。