CN105080408A

CN105080408A - 一种基于自组装纹路的微混合器

Info

Publication number: CN105080408A
Application number: CN201510339108.8A
Authority: CN
Inventors: 彭倍; 李迪; 张遒姝; 范娜; 郭剑
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2015-06-17
Filing date: 2015-06-17
Publication date: 2015-11-25

Abstract

本发明公开了一种基于自组装纹路的微混合器，包括一微混合器模块和一基底模块，所述的微混合器模块上设有流道以及自组装纹路。本发明同时还提供了一种在流道底部制作自组装纹路的方法。本发明针对现有被动式微混合器效率低下的问题，通过在微混合器流道的底部制作大面积自组装纹路，破坏层流效应，促进流体的混合。本发明中制作微纹路的方法不仅用于单一微混合器中流道表面改进，还可以方便地集成到更为复杂的微流控系统制作过程中。

Description

一种基于自组装纹路的微混合器

技术领域

本发明涉及用于不同物质混合的微流控芯片，属于化学合成和微流体控制领域。

背景技术

微流控芯片是指利用微流控期间，包括微泵、微阀等控制体在微流道中运动，并实现特定功能的芯片。与传统的分析测试方法相比，微流控芯片在化学和生物分析、检测以及合成过程中有非常显著的优势。首先，微流控芯片可将传统的分析预处理过程，包括样品采集和运输、所需的化学反应以及反应物质的分离提取等步骤全部转换为自动化操作，大大简化人工投入以及可能带入的污染，提高分析精度。其次，微流控芯片可以有效降低样品的消耗，还可以减少废液的产生。这对于生物领域中制样困难的情况非常适用。再次，集成后的微流控芯片可以做成便携器件，为家庭保健或落后地区的医疗服务提供新的解决办法。最后，微流控芯片在保证了上述优势外，由于分析样品少，分析容器小等因素，可以明显提高分析效率。

然而，流道尺寸减小也带来了一些问题。由于流道尺寸变小，表征惯性力与黏性力之比的雷诺数也相应减小。根据流体力学知识，当雷诺数高于2300时才会在管道内发生湍流，促进混合作用。而一般来讲，微流控芯片中的雷诺数量级在0.1～100之间，流体中层流起主导作用。此外，在宏观流道中还会出现有浮力所产生的不规则流动现象，在微米尺度的流道中也不会产生。因此，在有限的空间里，微观流道内很难取得快速完全的混合效果。

目前微混合器主要分为两大类，即主动式微混合器和被动式微混合器。主动式微混合器是利用所施加的外部力增加不同流体间的扩散效应来实现混合。如声波式微混合器是利用声波传递的机械能促进流体间混合；激光式微混合器利用高功率脉冲激光在流体中引入压力变化从而在微流道中产生气泡，利用气泡的产生和破裂来破坏层流效应；交流电渗式微混合器可以通过设计特殊的非对称电极，通过施加交流电使管道内的流体在电渗力的作用下产生扰动。可知主动式微混合器工作时需要通过输入外部能量实现不同液体间充分混合。被动式微混合器则是通过特定的流道形状增加不同混合液体的接触面积。例如多管道式微混合器是将接触后的两种样品沿着流动的垂直方向分隔成两股流体，然后将分开的两股流体聚合，以此达到扩散时间和混合路径加倍的目的；混沌对流式微混合器是在流体中引入垂直于流体流动方向的对流，如设计独特的流道结构或者在流道底部设置障碍物达到扰乱层流产生混沌对流的效果。

被动式微混合器可以在不消耗外部能量的情况下完成液体的混合，在便携式设备中可以有效节约电能。同时被动式微混合器的结构一般比主动式简单，能够有效减低生产成本。但是被动式微混合器要达到较高的混合效率需要依赖混合路径的延长，而微系统的尺寸要求往往限制了混合路径的长度，使得被动式微混合器的混合效率一般比主动式低。因此，开发出一种制作步骤简单、成本低廉且混合效率高的被动式微混合器非常有必要。

发明内容

本发明针对被动式微混合器混合效率低的技术瓶颈提供一种基于流道表面自组装纹路的被动式微混合芯片。

本发明技术方案如下：

针对现有的被动式微混合器效率较低的问题，本发明通过在微混合器流道的底部制作大面积自组装微米级纹路，当流体流经带有微纹路的流道时会产生垂直于流动方向的横向二次流动，破坏层流效应，促进流体的混合。传统的利用软光刻制作纹路的方法，不仅需要运用复杂精确的光刻步骤而且制作大面积纹路较为困难。本发明所运用的在预拉伸的弹性基底上沉积金属薄膜的方法省去了光刻步骤且可以达到一次性制备大规模有序纹路的目的，为高效微混合器的大规模制造提供新的思路。应当注意的是，本发明中制作微纹路的方法不仅适用于单一微混合器中流道表面的改进，还可以方便地集成到更为复杂的微流控系统制作过程中作为流道改进的一个步骤。

附图说明：

图1所示是本发明中微混合器模块流道形状图；

图2所示是本发明中微混合器模块拉伸示意图；

图3所示是本发明中需去除和保留的纹路部分示意图；

图4所示是本发明中多余纹路去除步骤示意图。

下面结合附图对基于自组装纹路的微混合器制作步骤作详细说明：

1.制作PDMS模具。使用绘图软件绘制微混合器流道的形状图(如图1所示)，并用高分辨率的打印机制作光刻用的掩模版。最后通过光刻法在硅片上制作用于PDMS浇铸的微混合器模具。

2.制作微混合器模块。将PDMS(DowCorningSYLGRAD184)基液和固化剂按10：1的质量比进行混合，充分搅拌后在超声波震荡仪中震荡5分钟做进一步混合。然后放入真空干燥箱中真空去泡20分钟。去泡过后浇铸在步骤1中微混合器模具上。在电热干燥箱中90℃烘烤2小时。PDMS微混合器模块的尺寸为40×40×2mm³。

3.制作自组装纹路。将步骤2得到的微混合器模块(带有流道的一面朝上)放置在特殊设计的预应力夹具上固定(如图2所示)。利用夹具将微混合器模块的四边分别拉伸5mm。将整个夹具用绝缘胶布固定在电子束蒸发与电阻蒸发复合镀膜机(中科院沈阳科学仪器研制中心)的硅片盘上，然后将硅片盘放置在镀膜机的半球形支架上。镀膜机的参数设置如表1。缓慢释放镀好铝膜后的PDMS微混合器模块，此时PDMS模块的上表面会形成大面积有序微纹路。

表1镀膜工艺参数

镀膜方式	电子束蒸发镀膜
		蒸发源	99.4％Al靶材
背底真空	1×10^-4Pa
		惰性气氛	Ar
基底	聚二甲基硅氧烷(PDMS)
		镀膜厚度	20nm

4.去除多余纹路。由于微混合器键合时要求键合表面平整，微纹路的存在会导致键合质量下降，当流道内通入过高压力的流体时甚至会产生漏液，因此必须出去多余的纹路(如图3所示)。直接用规格为19mm×32.9m透明胶带(Scotch)贴在整个键合表面上，粘贴时注意不要引入气泡，然后用力撕下透明胶带。由于金属薄膜只是覆盖在PDMS表面，可以通过此方法去除与透明胶带接触部分的微纹路(示意图如图4)。可多重复几次上述步骤保证键合表面金属薄膜完全去除干净。

5.微混合器键合。在10000级无尘室中将去除了多余微纹路的微混合器模块放入无水酒精中震荡清洗2分钟。然后将微混合器模块与平整的PDMS基底放置在深槽反应离子刻蚀机(Trion,Minilock-PhantomIII)中，用氧离子活化键合表面，刻蚀机参数如表2所示。将照射完的两片PDMS活性表面紧贴在一起，并压上重物放置24小时。此时基于自组装纹路的微混合器制作完成。

表2键合时深槽反应离子刻蚀机参数

ICP功率	1000W
		RIE功率	100W
反应仓压力	40mTorr
		氧气流量	100sccm
照射时间	120s

Claims

1.基于自组装纹路的微混合器，其特征在于，包括一基底模块和一微混合器模块，所述微混合器模块上设有液体混合流道及自组装纹路，且所述微混合器流道及微纹路的起点和终点设有微流控芯片进样口和出样口。

2.根据权利要求1所述的基于自组装纹路的微混合器，其特征在于，所述微混合器模块尺寸为40×40×1mm³，基底模块尺寸为40×40×2mm³。

3.根据权利要求1所述的基于自组装纹路的微混合器，其特征在于，自组装纹路的制作步骤如下：

(1)将制作好的微混合器模块(带有流道的一面朝上)放置在特殊设计的预应力夹具上固定，利用夹具将微混合器模块的四边分别拉伸5mm，将整个夹具用绝缘胶布固定在电子束蒸发与电阻蒸发复合镀膜机的硅片盘上，然后将硅片盘放置在镀膜机的半球形支架上，镀膜机的参数设置为蒸发源99.4％铝靶材，背底真空1×10^-4，惰性气氛为Ar，基底为聚二甲基硅氧烷，镀膜厚度20nm，镀膜完成后缓慢释放镀好铝膜后的微混合器模块，此时微混合器模块的上表面会形成大面积有序微纹路；

(2)用规格为19mm×32.9m透明胶带贴在整个键合表面上，粘贴时注意不要引入气泡，然后用力撕下透明胶带，此时键合表面的微纹路可除去；

(3)重复步骤(2)多次保证键合表面金属薄膜完全去除干净。