CN105548315A - 聚合物微流控芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚合物微流控芯片及其制备方法。该制备方法包括：提供第一聚合物基底，其第一表面凸设有电极；采用UV-LIGA技术制备形成微流道模具，再利用该微流道模具，通过微注塑等方式制备出包含微流道的第二聚合物基体，所述微流道凹设于所述第二聚合物基体的第二表面；将该第一、第二表面相互封接，并使所述电极至少局部凸露于所述微流道内，实现所述聚合物微流控芯片的封装。本发明以UV-LIGA技术制备基于聚合物衬底的微流控检测芯片，可以实现高精度的高深宽比微流控芯片结构的高效制备，且工艺简单、成本低，易于批量化生产，具有极大的市场应用潜力，所获微流控芯片可用于检测微量物质，例如可用于检测水体中的微量重金属离子、抗原和抗体生物等。

Description

聚合物微流控芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种微流控芯片及其制备工艺，具体涉及一种适用于检测微量物质的聚合物微流控芯片及其制备方法，属于微纳加工技术领域。

背景技术

随着社会工业社会的快速发展，越来越多的微型器件尤其是微机电系统(Microelectromechanical Systems，MEMS)已经被广泛应用到各个领域中。

其中一种重要的微型器件，即微流控芯片以其独特的性能而得到了国内外专家的广泛关注。微流控芯片是在普通毛细管电泳的基本原理和技术的基础上，利用微纳米加工技术在硅、石英、玻璃或高分子聚合物基质材料上加工出各种微细结构，如管道、反应池、电极之类的功能单元，完成生物和化学等领域中所涉及的样品制备、生化反应、处理(混合、过滤、稀释)、分离检测等一系列任务，具有快速、高效、低耗、分析过程自动化和应用范围广等特点的微型分析实验装置。

目前，微流控芯片的制备方法主要刻蚀法，热压法，注塑法，浇铸法，激光烧蚀法等。刻蚀法一般分为干法刻蚀和湿法刻蚀，干法刻蚀采用等离子体或反应气体对衬底进行图形化刻蚀，湿法刻蚀采用化学溶液对衬底进行图形化刻蚀。刻蚀法对硅材质衬底和玻璃衬底较为适合，但是对聚合物衬底确难以实现图形化沟道制备。热压法采用基板和模板在一定的温度和压力下，控制一定时间后，在基板上就形成了与模板图形相反的微流沟道。但热压法对模板的要求比较高，而且对于沟道有交叉点的图形，会形成不均匀的形状。注塑法是先利用微细加工制备出微型模具，然后在注塑成型机上将聚合物在一定温度和压力下进行结构成型。虽然注塑法易于批量生产，但是其模具制造工序复杂，且周期较长。浇铸法类似于传统金属铸件的制备方法，利用一定结构的模具，将熔融状态的基体材质进行浇铸。此种方法易于操作，成本较低，但是脱气时间较长。激光烧蚀法是利用激光束对基底材质直接进行烧蚀，从而形成所需要的图形结构。此种方法可以形成较为良好的沟道深度，但是其对沟道的侧壁损伤较大，且设备基本昂贵。

近些年，随着半导体技术的飞速发展，在微流控芯片制备方面也开始运用半导体技术。如CN100344964C报道一种利用半导体技术中的光刻、刻蚀、溅射和热压的方法制备的电化学微流控芯片，其可用于生化分析中的糖类检测。此类微流控芯片的优点是精度较高、易于批量化生产。但是采用此种半导体技术制备的微流控芯片，通常是采用半导体技术在玻璃、硅或聚合物衬底上形成微流控沟道，然后再通过半导体工艺在上面沉积电极结构。但是这种结构下，在侧壁沉积电极金属时，难以控制金属层的均匀性和连续性，从而造成电极的断路而影响器件效果。又例如，CN103822961A虽然公开了利用微纳加工技术制备了电化学微流控芯片，但是基本还是典型的利用微纳加工制备的检测电极，而且也是传统注塑制备的直流沟道，难以实现微流控的精确检测。因此，需要一种简单易行、精度良好、可靠性高的制备方法制备出具有良好深宽比结构的微流控芯片。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种聚合物微流控芯片及其制备方法，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种聚合物微流控芯片的制备方法，其包括：

提供包含有电极的第一聚合物基底，所述电极凸设于所述第一聚合物基体的第一表面；

采用UV-LIGA技术(紫外光源曝光的光刻、电铸和注塑技术)制备形成微流道模具，再利用所述微流道模具，通过微注塑方式或旋涂、剥离方式制备出包含有微流道的第二聚合物基体，所述微流道凹设于所述第二聚合物基体的第二表面；

将所述第一聚合物基体的第一表面与第二聚合物基体的第二表面相互封接，并使所述电极至少局部凸露于所述微流道内，实现所述聚合物微流控芯片的封装。

在一些较为优选的实施方案之中，所述的制备方法包括：

提供第一聚合物基体，并在该第一聚合物基体的第一表面依次形成基底金属层和电极金属层，并在所述电极金属层上形成于所述微流控芯片结构对应的图形化掩膜，之后利用所述图形化掩膜，采用湿法刻蚀工艺依次对所述电极金属层、基底金属层进行刻蚀，形成包含有相互间隔设置的工作电极、对电极和参比电极的第一聚合物基底；

以及，将所述第一聚合物基体的第一表面与第二聚合物基体的第二表面相互封接，并使所述工作电极、对电极和参比电极至少局部凸露于所述微流控通道内，实现所述聚合物微流控芯片的封装。

本发明的一些实施例还提供了由前述任一种方法制备的聚合物基底微流控芯片。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：采用了基于UV-LIGA技术的用于制备第二聚合物的微流道模具制备工艺，进而实现了基于硬质、柔性聚合物衬底的高深宽比结构的微流控检测芯片的高精度、高效制备；而且电极在平面衬底上进行制备，避免了金属电极在侧壁沉积的不均匀和不连续方面的缺陷；通过UV-LIGA技术制备的金属微流道模具，具有较大的深宽比范围(1：1～50：1)，以形成不同范围的微流控通道来满足不同领域的微流控检测需求；另外，利用硬质衬底(硅、玻璃等)结合聚合物材质，可以通过剥离技术实现不同弯曲度的微流控芯片制备；总之，本发明工艺简单、成本低，易于批量化生产，具有极大的市场应用潜力，所获微流控芯片可用于检测微量物质，例如可用于检测水体中的微量重金属离子、抗原和抗体生物等。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明一典型实施方案中一种微流控芯片的结构示意图；

图2为本发明一典型实施方案中一种微流控芯片内检测电极的结构示意图；

图3为本发明一典型实施方案中一种微流控芯片内微流道的结构示意图；

附图标记说明：聚合物衬底1(第一聚合物)，金属Ti层2，工作电极层3，微流道4，聚合物上盖5(第二聚合物)，参比电极6，对电极7，对准标记8。

具体实施方式

如前所述，鉴于现有技术存在的诸多缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，其主要是利用UV-LIGA加工技术，高效、快捷地在聚合物衬底(如PDMS、COC、PMMA等)上制备出高精度、高深宽比结构的微流控检测芯片，藉此微流控检测芯片，能够灵敏、快速的检出微量物质，例如水体中的微量重金属离子、抗原和抗体等。

本发明实施例的一个方面提供了一种聚合物微流控芯片的制备方法，其包括：以UV-LIGA技术制备出微流道模具，然后以微注塑成型的方式或旋涂、剥离方式进行微流道的制备，形成微流道基体，最后利用粘接或热压等方式将微流道基体与带有电极的电极基体相连接，形成微流控检测芯片。

在一些实施方案中，所述聚合物微流控芯片的制备方法可以包括：

提供包含有电极的第一聚合物基底，所述电极凸设于所述第一聚合物基体的第一表面；

采用UV-LIGA技术制备形成微流道模具，再利用所述微流道模具，通过微注塑方式制备出包含有微流道的第二聚合物基体，所述微流道凹设于所述第二聚合物基体的第二表面；

将所述第一聚合物基体的第一表面与第二聚合物基体的第二表面相互封接，并使所述电极至少局部凸露于所述微流道内，实现所述聚合物微流控芯片的封装。

在一较佳实施方案中，所述的制备方法包括：

以金属镍为衬底，利用UV-LIGA技术中的旋涂、曝光、显影等步骤，图形化出微流道模具前体；

利用微电铸装置，在金属镍衬底上电铸形成微流道模具。

更为具体的，所述制备方法包括如下具体步骤：

(1)在金属镍基片上溅射厚度为的金属Ti层，并作氧化处理；

(2)在经步骤(1)处理过的金属镍基片上依次进行甩负性光刻胶、前烘、切片、曝光、中烘、显影处理，根据掩模版设计的微流道模具形状，实现微型沟道光刻胶结构的图形化，获得图形化导电层；

(3)在所述图形化导电层上电镀出具有高深宽比(1：1～50：1)结构的金属镍模具结构层；

(4)以平面加工技术对所述金属镍结构层进行平坦化加工；

(5)去除负胶、清洗，得到具有高深宽比(最高为50：1)、表面质量好的高精度微流道模具。

其中，根据微流道(微流控沟道)的整体设计要求，还可重复进行步骤(2)-步骤(4)的操作，获得不同厚度、不同形式的微流道模具。

在一较佳实施方案中，所述的制备方法包括：

提供第一聚合物基体，并在该第一聚合物基体的第一表面依次形成基底金属层和电极金属层，并在所述电极金属层上形成于所述微流控芯片结构对应的图形化掩膜，之后利用所述图形化掩膜，采用湿法刻蚀工艺依次对所述电极金属层、基底金属层进行刻蚀，形成包含有相互间隔设置的工作电极、对电极和参比电极的第一聚合物基底；

以及，将所述第一聚合物基体的第一表面与第二聚合物基体的第二表面相互封接，并使所述工作电极、对电极和参比电极至少局部凸露于所述微流控通道内，实现所述聚合物微流控芯片的封装。

在一些实施方案中，所述的制备方法包括：通过粘接或键合方式将所述第一聚合物基体与第二聚合物基体相互封接而形成所述聚合物微流控芯片。

本发明实施例的另一个方面提供了一种藉由前述方法制备的聚合物微流控芯片，其包括聚合物基体，所述聚合物基体内分布有微流道以及与所述微流道配合的电极，所述电极至少局部暴露于所述微流道内。

进一步的，所述微流道的深宽比为1:1～50:1，且所述微流道内壁的粗糙度在500nm以下，这样的设计可以实现液体流量的有效控制，以检测不同的目标物。

进一步的，所述聚合物基体包括具有第一表面的第一聚合物基体和具有第二表面的第二聚合物基体，所述微流道凹设于所述第二表面，所述电极凸设于所述第一表面，所述第一聚合物基体的第一表面与所述第二聚合物的第二表面相互封接，并且分布在与所述微流道相应位置处的所述电极的局部直接暴露在所述微流道内。

进一步的，所述电极包含工作电极、对电极和参比电极，所述工作电极、对电极和参比电极相互配合形成插齿式的三电极检测结构。

进一步的，所述电极包括厚度为20～50nm的电极金属层，所述电极金属层叠设在厚度为100～200nm的基底金属层上，所述基底金属层形成于所述第一表面。

较为优选的，所述基底金属层采用金属Ti层。藉由所述的金属Ti层，可以显著提高电极金属层与聚合物衬底的结合力。

较为优选的，所述聚合物基体的厚度为0.5～2mm，而所述微流道的深度为5～1000μm。

在本发明的一典型实施案例中，一种聚合物微流控芯片(亦称为电化学微流芯片)的制备方法包括以下步骤：

1)在聚合物基底上溅射基底金属层(优选为金属Ti层)、电极金属层(例如金属Au层)，依次进行甩胶、前烘、切片、曝光、中烘、显影处理，根据掩模版设计的微流控芯片结构，实现其光刻胶结构的图形化；

2)以溶液刻蚀的方法，在电极金属层中刻蚀出金属基础电极，即工作电极；

3)以溶液刻蚀的方法，刻蚀电极金属层下面的基底金属层；

4)重复步骤2)和步骤3)，以形成不同的对电极和参比电极，获得电极基体(其一种形态可参阅图3)；

5)以光刻、显影、电铸的方法，制备出微流控通道的模具；

6)以旋涂或注塑方法，利用微模具制造出聚合物材质的微流道，获得微流道基体(其一种形态可参阅图2)；

7)以粘接或键合的方式，对电极基体和微流道基体进行封装。

在前述制备方法中，为利于电极基体与微流道基体的准确结合，可以预先在作为该两者前体的聚合物基体上设置对准标记，或者在进行封装之前，于电极基体与微流道基体上分别制作形成对准标记等。

请参阅图1，在该典型实施案例中，一种微流控检测芯片包括检测电极和微流控通道(微流道，参阅图1及图2)，检测电极包括设置在基底上的金属Ti层，所述金属Ti层上分别设置有工作电极层(Au、Bi等)、对电极层(Pt、C等)和参比电极层(Ag/AgCl)，形成插齿式的三电极检测系统(参阅图3)，这种设计可以有效提高检测效率和精度。

下面将对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1PDMS(聚二甲基硅氧烷)材质的微流控芯片制备工艺包括如下步骤：

1)将PDMS材料混合均匀，用机械搅拌器进行充分搅拌，然后用真空烘箱进行抽气；

2)在玻璃衬底上，利用旋涂设备，将处理后的PDMS材料进行旋涂；

3)将旋涂在玻璃衬底上的PDMS进行固化处理，在80～200℃进行固化；

4)然后在衬底上先溅射一层厚度为20～50nm的金属Ti层1作为连接层；

5)在溅射的金属Ti层上，溅射一层100～200nm的金属Au；

6)在所述Au层上，甩一层约2um厚的胶，并进行前烘；

7)对金层上的光刻胶进行曝光、显影，图形化出Au测试电极

8)进行甩胶、光刻，露出对电极区域；

9)溅射100～200nm金属Pt，实现对电极金属的沉积，然后经过刻蚀实现其图形化，获得对电极；

10)再次进行甩胶、光刻，露出参比电极区域；

11)溅射金属100～200nm Ag，实现对电极金属的沉积，然后经过刻蚀实现其图形化，并经过氧化形成Ag/AgCl参比电极；

11)然后利用湿法刻蚀溶液，刻蚀出金电极图形，然后去除多余的光刻胶；

12)在金属镍基片上，溅射厚度为的金属Ti层，并作氧化处理；

13)在经步骤(12)处理的金属镍基片上依次进行甩负性光刻胶、前烘、切片、曝光、中烘、显影处理，根据掩模版设计的微流道模具形状，实现微型沟道光刻胶结构的图形化，获得图形化导电层；

14)在所述图形化导电层上，电镀出具有高深宽比(约10：1)结构的金属镍模具结构层；

15)以平面加工技术对所述金属镍结构层进行平坦化加工；

其中，根据微流控沟道的整体设计要求，可将步骤12)-步骤15)的操作重复一次以上；

16)最后去除负胶、清洗，得到具有高深宽比(约10：1)、表面质量好(粗糙度在500nm以下)的高精度微流控沟道模具；

17)用旋涂的方式，在具有微流道模具的金属衬底上旋涂处理好的PDMS材料；

18)将旋涂在微流道模具上的PDMS进行固化处理，在80-200℃进行固化；

19)将固化后的PDMS微流道从金属模具上进行剥离；

20)利用粘接或者热压的方法，将带有测试电极的PDMS基底与PDMS微流道进行封装，形成柔性聚合物微流控检测芯片。

实施例2PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)材质的微流控芯片制备工艺包括如下步骤：

1)以高透明度的PMMA为衬底，利用丙酮、乙醇、去离子水进行清洗，然后用氮气吹干，置放于超净环境；

2)然后在衬底上先溅射一层厚度约20～50nm的金属Ti层作为连接层；

3)在溅射的金属Ti层上，溅射一层厚约100～200nm的金属Au薄膜；

4)在溅射的Au薄膜上，利用旋涂、曝光、显影等工艺步骤，图形化出金电极；

5)然后利用湿法刻蚀溶液，刻蚀出金电极图形；

6)利用湿法刻蚀溶液，刻蚀多余的钛金属图形；

7)进行甩胶、光刻，露出对电极区域；

8)溅射厚约100～200nm的金属Pt，实现对电极金属的沉积，然后经过刻蚀实现其图形化；

9)再次进行甩胶、光刻，露出参比电极区域；

10)溅射金属厚约100～200nm的Ag，实现对电极金属的沉积，然后经过刻蚀实现其图形化，并经过氧化形成Ag/AgCl；

11)去除多余的光刻胶；

12)在金属镍基片上溅射厚度约的金属Ti层，并作氧化处理；

13)在经溅射、氧化处理的金属镍基片上，依次进行甩负性光刻胶、前烘、切片、曝光、中烘、显影处理，根据掩模版设计的微流道模具形状，实现微型沟道光刻胶结构的图形化，获得图形化导电层；

14)在图形化导电层上电镀出具有高深宽比(约20：1)结构的金属镍模具结构层；

15)以平面加工技术对所述金属镍结构层进行平坦化加工；

其中，根据微流控沟道的整体设计要求，可将步骤12)-步骤15)的操作重复一次以上；

16)最后去负胶、清洗，得到具有高深宽比(约20：1)、表面质量好(粗糙度在500nm以下)的高精度微流控沟道模具(即，微流道模具)。

17)利用注塑成型工艺及所述微流道模具，制备出PMMA微流沟道；

18)利用粘接或者热压的方法，将带有测试电极的PMMA基底与PMMA微流道进行封装，形成聚合物微流控检测芯片。

应用例：利用实施例1中所制备的微流控芯片对水中铅离子进行检测，通过浓度为0.1M的KCl溶液作为缓冲溶液，可测得10ppb以下浓度的铅离子，反应时间在5秒以下，完全具备水中重金属离子的实时、在线检测的需求。

应理解的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种聚合物微流控芯片的制备方法，其特征在于包括：

提供包含有电极的第一聚合物基底，所述电极凸设于所述第一聚合物基体的第一表面；

采用UV-LIGA技术制备形成微流道模具，再利用所述微流道模具，通过微注塑方式或旋涂、剥离方式制备出包含有微流道的第二聚合物基体，所述微流道凹设于所述第二聚合物基体的第二表面；

将所述第一聚合物基体的第一表面与第二聚合物基体的第二表面相互封接，并使所述电极至少局部凸露于所述微流道内，实现所述聚合物微流控芯片的封装。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述微流道模具的制备方法包括如下步骤：

（1）在金属镍基片上溅射厚度为800～1000Å的金属Ti层，并作氧化处理；

（2）在经过步骤（1）处理的金属镍基片上依次进行甩负性光刻胶、前烘、切片、曝光、中烘、显影处理，根据掩模版设计的微流道模具形状，实现微型沟道光刻胶结构的图形化，获得图形化导电层；

（3）在所述图形化导电层上电镀形成深宽比为1：1～50：1的金属镍模具结构层；

（4）以平面加工技术对所述金属镍模具结构层进行平坦化加工；

（5）去除负胶、清洗，得到所述微流道模具。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于包括：

提供第一聚合物基体，并在该第一聚合物基体的第一表面依次形成基底金属层和电极金属层，并在所述电极金属层上形成于所述微流控芯片结构对应的图形化掩膜，之后利用所述图形化掩膜，采用湿法刻蚀工艺依次对所述电极金属层、基底金属层进行刻蚀，形成包含有相互间隔设置的工作电极、对电极和参比电极的第一聚合物基底；

以及，将所述第一聚合物基体的第一表面与第二聚合物基体的第二表面相互封接，并使所述工作电极、对电极和参比电极至少局部凸露于所述微流控通道内，实现所述聚合物微流控芯片的封装。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于包括：通过粘接或键合方式将所述第一聚合物基体与第二聚合物基体相互封接而形成所述聚合物微流控芯片。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述微流道的深宽比为1:1~50:1，且所述微流道内壁的粗糙度在500nm以下。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述工作电极、对电极和参比电极相互配合形成插齿式的三电极检测结构。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述电极金属层的厚度为20～50nm，所述基底金属层的厚度为100～200nm。

8.根据权利要求3或7所述的制备方法，其特征在于：所述基底金属层采用金属Ti层。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述聚合物基体的厚度为0.5～2mm，而所述微流道的深度为5～1000μm。

10.由权利要求1-9中任一项所述方法制备的聚合物基底微流控芯片。