CN105214747A - 一种夹片式微流控器件及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种夹片式微流控器件及制造方法，包括：盖板、密封垫、微流控芯片总成和底板。其中，盖板上设有样品入口和盖板密封垫槽；微流控芯片总成由塑封膜和带有微流道的微流控芯片组成，且微流控芯片总成上设置有进、出液孔和定位孔；底板上设有样品出口、底板密封垫槽和定位柱；盖板和底板上的密封垫槽中设有密封垫。制造方法包括：盖板和底板的注塑加工方法；微流控芯片的激光直写方法；微流控芯片总成的塑封键合方法；微流控器件的热压装配方法。本发明涉及的微流控器件结构和制造方法简单、成本低廉、成品率高，不仅适用于实验室科研用单件制作，亦可应用于商业用批量生产制造。
Description
技术领域
本发明涉及一种夹片式微流控器件及其制造工艺，属于集成微芯片实验室领域，特别涉及一种低成本的微流控器件及其快速、批量制造工艺。
背景技术
微流控芯片实验室是指把生化领域中涉及的样品制备、反应、检测等宏观分析操作集成到一块芯片上，通过对微观的样品对象进行操控和分析，来实现常规生化实验室中各种功能的一种技术。目前，微流控技术在生物、化学、医学等领域已经得到了广泛的应用。
微流控芯片实验室的核心在于芯片的制作，根据芯片材质的不同，一般需要采用不同的加工工艺。如对于硅、玻璃和石英芯片的制作，主要采用光刻和蚀刻方法。对于高分子聚合物芯片的制作，则主要采用软光刻法、热压法、注塑法等。另外，微机加工、3D打印、激光烧蚀等方法也常用于各类聚合物芯片的制作。其中，光刻法的工艺流程较为复杂，芯片制作过程可靠度不高；蚀刻法制作的芯片尺寸精度较差，且加工效比较低；软光刻法在目前的应用最为广泛，它可以制造复杂的三维结构，制得的微流道尺寸可以达到亚微米级。但由于软光刻法采用聚二甲基硅氧烷来制作芯片，二甲基硅氧烷的弹性使得微流道在受力状态下易产生变形，从而制约了二甲基硅氧烷芯片的实际应用；热压法、注塑法常用于制作热塑性聚合物芯片的制作，效率较高，可以实现工业化批量的芯片制造。但是，这两种方法均需要制作高精密的微流道模具，当芯片结构需要优化时，模具得重新制作。因此，制造成本较高，且耗费工时较长；微机加工和3D打印方法的优势在于可以根据客户的需求进行芯片结构定制，加工周期较快。但是，前者所加工的流道的毛刺较多，粗糙度较差，而后者的加工精度较差，且两种方法的加工通量均较低；目前报道的激光烧蚀法加工芯片灵活性较高，精度也较好，但由于激光直接在工件表面刻盲槽加工，所加工的微流道的深度不易控制。因此，微流控芯片最终成品的尺寸公差难以保证。除了芯片的微流道加工工艺外，芯片的键合工艺也对芯片的制造产生较大影响。目前常用的芯片键合工艺主要有粘接键合、热压键合、溶剂辅助键合、焊接键合、表面处理与修饰键合等。这些键合工艺各有优劣，具体应用需根据芯片材质、结构、精度需求来进行选择。
就目前而言，现有的微流控芯片及其制作工艺仍局限于实验室科研用途，尚未有大规模用于商业应用的报道。究其原因，主要在于现有的微制造工艺限制了微流控芯片的结构设计，使得芯片的结构尺寸和制作稳定性得不到保障，从而导致芯片很难稳定、可靠的批量生产制造。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种夹片式微流控器件及制造方法。该微流控器件结构和制造工艺简单、成本低廉、成品率高，不仅适用于实验室科研用单件试制，亦可应用于商业用批量生产制造。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种夹片式微流控器件，包括由上到下依次设置的盖板(1)、一个以上的微流控芯片总成(3)以及底板(4)；
所述盖板(1)上设置有样品入口(12)；
所述微流控芯片总成(3)包括上到下依次设置的第一塑封膜(311)、微流控芯片(32)以及第二塑封膜(312)；所述微流控芯片(32)上设置有微流道(321)和定位孔(322)；所述微流道(321)一端设置有进液孔(3211)，另一端设置有出液孔(3212)；所述第一塑封膜(311)上设置有上导向孔(3111)和上通孔(3112)；所述第二塑封膜(312)上设置有下导向孔(3121)和下通孔(3122)；
所述底板(4)上设置有导向柱(41)和样品出口(43)；
所述微流控芯片总成(3)通过上导向孔(3111)、定位孔(322)以及下导向孔(3121)由上到下依次通过导向柱(41)对齐装配在底板(4)上，且微流控芯片总成(3)位于盖板(1)和底板(4)之间；所述盖板(1)的样品入口(12)通过上通孔(3112)与进液孔(3211)相连通；而样品出口(43)通过下通孔(3122)与出液孔(3212)相连通。
优选的：所述盖板(1)上设置有盖板密封垫槽(11)，所述底板(4)上设置有底板密封垫槽(42)；所述盖板密封垫槽(11)和底板密封垫槽(42)中均设置有密封垫(2)。
优选的：所述盖板(1)和底板(4)的材质为塑料；所述微流控芯片(32)为聚合物或纸张，其对应的厚度为十几到几百微米。
优选的：所述微流道(321)为通槽，定位孔(322)为通孔。
优选的：微流道(321)为带有双入口和双出口的螺旋形流道，流道宽度为200-1000微米，相邻流道间隔为0.5-5毫米。
优选的：微流控芯片总成(3)之间采用注胶或薄密封垫来进行密封。
一种夹片式微流控器件制造方法，包括以下步骤：
(1)绘制预加工的微流道和定位孔图案(101)，并将微流道和定位孔图案(101)输入至激光机控制系统中；
(2)通过激光机控制系统利用激光直写方法在聚合物或纸张上对步骤1中绘制的微流道和定位孔图案(101)进行刻通槽加工，得到微流控芯片半成品(102)；
(3)使用第一塑封膜(311)和第二塑封膜(312)对微流控芯片半成品(102)进行上下塑封，使塑封膜上的胶层(103)与微流控芯片半成品(102)紧密粘合；
(4)对步骤(3)塑封后的微流控芯片半成品(102)进行裁剪，得到微流控芯片总成半成品(104)；
(5)在微流控芯片总成半成品(104)上冲裁加工出上导向孔(3111)、上通孔(3112)、下导向孔(3121)以及下通孔(3122)，使得上通孔(3112)与进液孔(3211)相通，下通孔(3122)与出液孔(3212)相通，而后得到微流控芯片总成(3)；
(6)利用注塑方法加工出盖板(1)和底板(4)，并在盖板密封垫槽(11)和底板密封垫槽(42)中装配密封垫(2)；
(7)将微流控芯片总成(3)通过导向柱(41)装配到底板(4)上，各个微流控芯片总成(3)的上通孔(3112)和下通孔(3122)之间采用注胶或薄密封垫来进行密封；
(8)将盖板(1)、密封垫(2)、微流控芯片总成(3)和底板(4)上下压紧；
(9)对盖板(1)和底板(4)的周向接缝处(105)加热，使它们通过热压粘合在一起，冷却后得到夹片式微流控器件。
优选的：所述激光机控制系统为紫外或者飞秒激光控制系统。
优选的：所述激光机控制系统的激光平均能量为8-30W，激光直写的速度范围为200-1000mm/s。
优选的：所述塑封温度为90-160℃，滚轮转速为0.5-2.5m/min。
有益效果：本发明提供的一种夹片式微流控器件及制造方法，相比现有技术，具有以下有益效果：
1.本发明提出的夹片式微流控器件中微流控芯片的原材料采用市场上常用的聚合物或纸张片材，该材料在市场上有多种厚度规格，厚度从十几到几百微米，原材料采购便捷，且成本低廉。
2.采用激光直写加工，可以在厚度为几百微米以内的片材上直接加工出微流道的通槽结构。加工出的微流道不仅垂直度较好，而且具有较高的精度。此外，由于加工的微流道为通槽，激光只需加工微流道结构的外部边缘，无需加工整个微流道平面，因而大大缩短了加工时间。
3.利用塑封机来实现微流控芯片和塑封膜的粘合，即可得到封闭的微流道图案，微流道的高度即为聚合物片材的厚度，便于后期芯片结构的尺寸检测。
4.将微流控芯片总成热压夹紧在盖板和底板之间，防止塑封膜由于流道内流体压力过高使得薄膜变形而导致芯片泄漏。这种芯片的夹紧工艺使得微流控芯片总成的键合强度进一步增大，从而提高微流控器件后期的应用稳定性。
综上所述，相比现有的微流控器件，本发明提出的夹片式微流控器件在原材料采购、零部件制造、检验、装配等各个环节质量都可控，制得的微流控器件精度好、成品率高，可以满足商业用批量生产制造，具有很好的应用前景。
附图说明
图1是夹片式微流控器件的结构示意图；
图2是盖板的结构示意图；
图3是微流控芯片总成的结构示意图；
图4是微流控芯片的结构示意图；
图5是底板的结构示意图；
图6是夹片式微流控器件的制作工艺流程图；
图7是微流控芯片总成实物截面图；
图8是利用夹片式微流控器件从人体血液中分选乳腺癌肿瘤细胞的实验效果图。
其中，1为盖板，11为盖板密封垫槽，12为样品入口，2为密封垫，3为微流控芯片总成，311为第一塑封膜，312为第二塑封膜，3111为上导向孔，3121为下导向孔，3112为上通孔，3122为下通孔，32为微流控芯片，321为微流道，3211为进液孔，3212为出液孔，322为定位孔，4为底板，41为导向柱，42为底板密封垫槽，43为样品出口，101为预加工的微流道和定位孔图案，102为微流控芯片半成品，103为胶层，104为微流控芯片半成品，105为盖板1和底板4的接缝。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
一种夹片式微流控器件，可用于循环肿瘤细胞高通量分选器件，如图1-5所示：包括由上到下依次设置的盖板1、一个以上的微流控芯片总成(3)以及底板4。
所述盖板1上设置有样品入口12；所述盖板1上设置有盖板密封垫槽11，所述底板4上设置有底板密封垫槽42；所述盖板密封垫槽11和底板密封垫槽42中均设置有密封垫2。
所述微流控芯片总成3包括上到下依次设置的第一塑封膜311、微流控芯片32以及第二塑封膜312；所述微流控芯片32上设置有微流道321和定位孔322；所述微流道321一端设置有进液孔3211，另一端设置有出液孔3212；所述第一塑封膜311上设置有上导向孔3111和上通孔3112；所述第二塑封膜312上设置有下导向孔3121和下通孔3122；所述微流控芯片32为聚合物或纸张，其对应的厚度为十几到几百微米。
所述微流道321为通槽，定位孔322为通孔。微流道321为带有双入口和双出口的螺旋形流道，流道宽度为200-1000微米，相邻流道间隔为0.5-5毫米。微流控芯片总成(3)之间采用注胶或薄密封垫来进行密封。
所述底板4上设置有导向柱41和样品出口43。
所述微流控芯片总成3通过上导向孔3111、定位孔322以及下导向孔3121由上到下依次通过导向柱41对齐装配在底板4上，且微流控芯片总成3位于盖板1和底板4之间；所述盖板1的样品入口12通过第上通孔3112与进液孔3211相连通；而样品出口43通过下通孔3122与出液孔3212相连通。
所述盖板1和底板4的材质为无色透明PVC塑料；微流控芯片32为无色透明PVC片材，厚度为155±10微米；塑封膜为常用的办公用品，材质为PET，塑封膜上还带有EVA热熔胶。
所述微流道321为通槽，定位孔322为通孔。微流道321为带有双入口和双出口的螺旋形流道，优选的流道宽度为500微米，优选的相邻流道间隔为2毫米。
所述微流控芯片总成3之间采用注胶进行密封，密封垫2为硅胶O形圈。
为实现循环肿瘤细胞的高通量分选，本实施例中堆叠了四块微流控芯片总成3。
一种夹片式微流控器件制造方法，如图6所示，包括以下步骤：
1、绘制预加工的微流道和定位孔图案101，并微流道和定位孔图案101输入至激光机控制系统中，采用的激光机控制系统为紫外激光控制系统，激光波长为355nm；
2、设置激光功率为15W，激光直写的速度范围为200-1000mm/s，激光束连续对PVC硬质片材的封闭图案边线进行加工，使图案中间的材料完全脱落，得到微流控芯片半成品102；
3、设置塑封机温度为90-160℃，滚轮转速为0.5-2.5m/min。使用第一塑封膜311和第二塑封膜312对微流控芯片半成品102进行上下塑封，塑封后，塑封膜上的EVA热熔胶层103与微流控芯片半成品102紧密粘合；
4、对步骤3塑封后的微流控芯片半成品102进行裁剪，得到微流控芯片总成半成品104；
5、在微流控芯片总成半成品104上冲裁加工出上导向孔3111、上通孔3112、下导向孔3121以及下通孔3122，使得上通孔3112与进液孔3211相通，下通孔3122与出液孔3212相通；得到微流控芯片总成3；
6利用注塑方法加工出盖板1和底板4，并在盖板密封垫槽11和底板密封垫槽42中装配O形圈2；
7、将微流控芯片总成3通过导向柱41装配到底板4上，各个微流控芯片总成3的上通孔3112和下通孔3122之间采用注胶或薄密封垫来进行密封；
8、将盖板1、O形圈2、微流控芯片总成3和底板4上下压紧；
9、对盖板1和底板4的周向接缝处105加热，使该区域温度达到材料的熔化温度，然后利用压力机使它们通过热压迅速粘合在一起，之后对器件进行冷却，得到循环肿瘤细胞高通量分选器件。
图7为微流控芯片总成实物截面图，可以看到经热塑封后的微流控芯片总成实物的截面很平整，且紫外激光切割PVC片材的边缘的垂直度也较好，实际测得的截面的宽度尺寸为500±10微米。
循环肿瘤细胞分选过程如下：
血样采用健康的人体血液，循环肿瘤细胞采用人体乳腺癌肿瘤细胞MCF-7，并将肿瘤细胞按一定的浓度与血样进行配比，以满足实验条件。将带有循环肿瘤细胞的血样和生理盐水缓冲液利用两台精密注射泵同时注入两个样品入口12。其中，血样注入外侧的样品入口，缓冲液注入内侧的样品入口。根据血样对象稀释层度的不同，血样的流量设置范围为(0.2-0.8)ml/min，缓冲液的流量设置范围为(3.5-6)ml/min。当血样和缓冲液进入微流控芯片总成3的螺旋形微流道321内后，血样中的循环肿瘤细胞由于体积尺寸较大，受较强的惯性升力作用而迅速的聚焦至靠近微流道321的内壁面，且在整个流道中均稳定在流道的内壁面处。血细胞由于体积尺寸较小，因而受较强的迪恩拽力作用而随迪恩流进行有规律的迁移。迁移过程为：首先，入口处的血细胞会迅速地朝着微流道321的内壁面扩散，直至聚集在内壁面处；然后，血细胞再次朝着流道的外壁面扩展，直至聚集在外壁面处。最后，循环肿瘤细胞和血细胞分别经由内侧和外侧的样品出口43流出，实现分选。如图8所示是利用夹片式微流控器件从人体血液中分选乳腺癌肿瘤细胞的实验效果图，利用该循环肿瘤细胞高通量分选器件可以在10分钟内快速地分选出7.5ml全血中的循环肿瘤细胞，且具有较高的分选精度。
本实施例中循环肿瘤细胞高通量分选器件成本低廉，结构和制造工艺简单，过程可控，器件精度高，且具有较高的成品率。此外，在实验室内，单个器件的制造用时可以低至20分钟以内。可以想象，本发明提出的微流控器件的制造工艺应用于工业生产时，芯片的生产效率将进一步提高，满足批量生产的需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种夹片式微流控器件，其特征在于：包括由上到下依次设置的盖板(1)、一个以上的微流控芯片总成(3)以及底板(4)；
所述盖板(1)上设置有样品入口(12)；
所述微流控芯片总成(3)包括上到下依次设置的第一塑封膜(311)、微流控芯片(32)以及第二塑封膜(312)；所述微流控芯片(32)上设置有微流道(321)和定位孔(322)；所述微流道(321)一端设置有进液孔(3211)，另一端设置有出液孔(3212)；所述第一塑封膜(311)上设置有上导向孔(3111)和上通孔(3112)；所述第二塑封膜(312)上设置有下导向孔(3121)和下通孔(3122)；
所述底板(4)上设置有导向柱(41)和样品出口(43)；
所述微流控芯片总成(3)通过上导向孔(3111)、定位孔(322)以及下导向孔(3121)由上到下依次通过导向柱(41)对齐装配在底板(4)上，且微流控芯片总成(3)位于盖板(1)和底板(4)之间；所述盖板(1)的样品入口(12)通过上通孔(3112)与进液孔(3211)相连通；而样品出口(43)通过下通孔(3122)与出液孔(3212)相连通。
2.根据权利要求1所述的夹片式微流控器件，其特征在于：所述盖板(1)上设置有盖板密封垫槽(11)，所述底板(4)上设置有底板密封垫槽(42)；所述盖板密封垫槽(11)和底板密封垫槽(42)中均设置有密封垫(2)。
3.根据权利要求1所述的夹片式微流控器件，其特征在于：所述盖板(1)和底板(4)的材质为塑料；所述微流控芯片(32)为聚合物或纸张，其对应的厚度为十几到几百微米。
4.根据权利要求1所述的夹片式微流控器件，其特征在于：所述微流道(321)为通槽，定位孔(322)为通孔。
5.根据权利要求1所述的夹片式微流控器件，其特征在于：微流道(321)为带有双入口和双出口的螺旋形流道，流道宽度为200-1000微米，相邻流道间隔为0.5-5毫米。
6.根据权利要求1所述的夹片式微流控器件，其特征在于：微流控芯片总成(3)之间采用注胶或薄密封垫来进行密封。
7.一种基于权利要求1-6任一所述的夹片式微流控器件制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)绘制预加工的微流道和定位孔图案(101)，并将微流道和定位孔图案(101)输入至激光机控制系统中；
(2)通过激光机控制系统利用激光直写方法在聚合物或纸张上对步骤1中绘制的微流道和定位孔图案(101)进行刻通槽加工，得到微流控芯片半成品(102)；
(3)使用第一塑封膜(311)和第二塑封膜(312)对微流控芯片半成品(102)进行上下塑封，使塑封膜上的胶层(103)与微流控芯片半成品(102)紧密粘合；
(4)对步骤(3)塑封后的微流控芯片半成品(102)进行裁剪，得到微流控芯片总成半成品(104)；
(5)在微流控芯片总成半成品(104)上冲裁加工出上导向孔(3111)、上通孔(3112)、下导向孔(3121)以及下通孔(3122)，使得上通孔(3112)与进液孔(3211)相通，下通孔(3122)与出液孔(3212)相通，而后得到微流控芯片总成(3)；
(6)利用注塑方法加工出盖板(1)和底板(4)，并在盖板密封垫槽(11)和底板密封垫槽(42)中装配密封垫(2)；
(7)将微流控芯片总成(3)通过导向柱(41)装配到底板(4)上，各个微流控芯片总成(3)的上通孔(3112)和下通孔(3122)之间采用注胶或薄密封垫来进行密封；
(8)将盖板(1)、密封垫(2)、微流控芯片总成(3)和底板(4)上下压紧；
(9)对盖板(1)和底板(4)的周向接缝处(105)加热，使它们通过热压粘合在一起，冷却后得到夹片式微流控器件。
8.根据权利要求7所述的夹片式微流控器件制造方法，其特征在于：所述激光机控制系统为紫外或者飞秒激光控制系统。
9.根据权利要求7所述的夹片式微流控器件制造方法，其特征在于：所述激光机控制系统的激光平均能量为8-30W，激光直写的速度范围为200-1000mm/s。
10.根据权利要求7所述的夹片式微流控器件制造方法，其特征在于：所述塑封温度为90-160℃，滚轮转速为0.5-2.5m/min。
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