CN105833924A - 超声波键合微流控芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波键合微流控芯片及其制备方法，所述方法包括：制备具有沟槽的基片；制备盖片，所述盖片除中间部分具有与所述基片沟槽相同结构的导能筋外，盖片四周也具有导能筋；利用所述基片上的沟槽和所述盖片上的导能筋进行超声波键合，得到所述微流控芯片。本发明根据基片的特征尺寸，设计针对性的盖片结构，大大简化了芯片注塑模具的制作工艺，提高了生产效率；在封装过程中不需胶黏剂等介质，无污染；并且在连接面为熔融连接，封接强度高；超声波键合前，不需要前序处理，缩短了制备时间，且在键合工艺参数上降低了键合时间，封装速度快，可连续自动化生产，从而实现聚合物芯片的规模化生产。

Description

超声波键合微流控芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物科学微全分析系统(Micro Total Analysis System，μ-TAS)技术领域，尤其涉及一种超声波键合微流控芯片及其制备方法。

背景技术

微流控芯片是当前微全分析系统发展的热点领域。它的目标是把生物、化学、医学等领域的实验室功能微缩集成到一块很小的芯片上，可以在几分钟甚至更短的时候内进行上百个样品的同时分析，并且可以在线实现样品的预处理及分析全过程，用以实现常规实验室的各种功能。

在微流控器件的制作中，聚合物已经逐渐取代玻璃、石英、硅等材料，用聚合物制作的微流控器件具有质量轻、体积小、耐腐蚀、绝缘性好、尺寸一致性好和成型效率高等优点。

目前热塑性聚合物的微流控芯片制作中使用最广泛的键合方法是直接热键合法，直接热键合法不改变微结构表面的特性，也不引入其他的物质，所以微结构表面均匀一致。然而，在热压过程中，聚合物芯片受热和压力的耦合作用而变形，会使得芯片出现微流道塌陷，从而影响微流控芯片的键合效果，并且在直接热键合过程中，加热及保压过程的时间较长，不利于批量生产，另外在热压键合之后，微流控芯片上的有机物会附着在加热块或者垫片上，不易清洗。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，通过超声波键合的方式直接键合热塑性微流控芯片，不需要前序处理，缩短了制备时间；且封装中不需胶黏剂等介质，无污染；并且在连接面是熔融连接，封接强度高；封装速度快，可连续自动化生产，从而实现聚合物芯片的规模化生产。

第一方面，本发明提供了一种超声波键合微流控芯片的制备方法，所述方法包括：通过光刻掩膜技术制备微注塑模板，注塑出具有沟槽的基片；通过光刻掩膜技术制备微注塑模板，注塑出盖片，所述盖片除具中间部分有与所述基片沟槽相同结构的导能筋外，盖片四周也具有导能筋；利用所述基片上的沟槽和所述盖片上的导能筋进行超声波键合，得到所述微流控芯片。

优选地，所述基片和盖片的材料均为热塑性聚合物。

优选地，所述超声波键合的参数为：超声波振幅为10-30μm，触发力为150-300N，键合压力为200-400N，保压压力为400N，键合时间为0.2-0.3s。

优选地，所述利用所述基片上的沟槽和所述盖片上的导能筋进行超声波键合具体为：将所述基片和所述盖片利用夹具固定，并将所述基片上的沟槽和所述盖片上的导能筋对准；利用超声波封接设备，在预设时间内施加压力，从而实现所述基片和所述盖片的键合。

优选地，在所述超声波键合后，所述基片和所述盖片之间，通过所述沟槽形成微通道。

第二方面，本发明提供了一种如上述第一方面所述的超声波键合微流控芯片的制备方法制备的微流控芯片。

本发明提供了一种超声波键合微流控芯片及其制备方法，在微流控芯片键合前不需预处理环节，而是在基片和盖片设计阶段，根据基片的特征尺寸，设计针对性的盖片结构，大大简化了芯片注塑模具的制作工艺，提高了生产效率；且在封装过程中不需胶黏剂等介质，无污染，并且在连接面是熔融连接，封接强度高；在键合工艺参数上降低了键合时间，封装速度快，可连续自动化生产，从而实现聚合物芯片的规模化生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简要地介绍。显而易见地，下面附图中反映的仅仅是本发明的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得本发明的其他实施例。而所有这些实施例或实施方式都在本发明的保护范围之内。

图1为本发明实施例一提供的超声波键合微流控芯片的制备方法流程图；

图2(a)为本发明实施例二提供的基片结构示意图；

图2(b)为本发明实施例二提供的盖片结构示意图；

图2(c)为图2(a)基片和图2(b)盖片组成的芯片整体剖面图；

图3(a)为本发明实施例三提供的基片结构示意图；

图3(b)为本发明实施例三提供的盖片结构示意图；

图3(c)为图3(a)基片和图3(b)盖片组成的芯片整体剖面图；

图4(a)为本发明实施例四提供的基片结构示意图；

图4(b)为本发明实施例四提供的盖片结构示意图；

图4(c)为图4(a)基片和图4(b)盖片组成的芯片整体剖面图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明进行进一步的说明，但应当理解为这些实施例仅仅是用于更详细说明之用，而不应理解为用以任何形式限制本发明，即并不意于限制本发明的保护范围。

本部分对本发明实验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的超声波键合微流控芯片的制备方法流程图，如图1所示，所述方法包括：

S110,制备具有沟槽的基片。

具体的，设计所需基片的特征尺寸及结构，采用光刻掩膜技术制作相应基片，即通过SU-8光刻胶光刻制作具有所需沟槽的光刻母模，在母模上磁控溅射一层导电层后，再通过电铸工艺制作镍简述注塑模具，最后通过光盘注塑机进行基片的注塑。

具体的，所述基片的材料为热塑性聚合物。例如，聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、环烯烃聚合物(Cyclo-olefin polymer，COP)等。

S120，制备盖片，所述盖片除中间部分具有与所述基片沟槽相同结构的导能筋外，盖片四周也具有导能筋。

具体的，根据基片的特征尺寸，设计针对性的盖片结构，然后采用光刻掩膜技术制备微注塑模板，通过光盘注塑机进行盖片注塑。注塑得到的盖片，在盖片中间部分，与对应基片相同位置处，盖片具有与对应基片沟槽结构相同的导能筋，除此之外，盖片的四周也设计有导能筋，作为平衡结构，用于封接基片和盖片的四周。需要说明的是，在实际操作过程中，与对应基片相同位置处，盖片上的导能筋的宽度要大于对应基片上的沟槽宽度，用于封接与基片上对应的沟槽，形成微通道。

具体的，所述盖片的材料与基片的相同，为热塑性聚合物。例如，聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、环烯烃聚合物(Cyclo-olefin polymer，COP)等。

S130,利用所述基片上的沟槽和所述盖片上的导能筋进行超声波键合，得到所述微流控芯片。

具体的，将基片和盖片利用夹具固定，并将所述基片上的沟槽和所述盖片上导能筋对准，然后在超声波封接设备调平板之上调平，调整超声波参数设定，利用超声波封装设备，在预设时间内施加压力，从而实现所述基片和所述盖片的键合，得到所述微流控芯片。在封装过程中，导能筋与基片熔融连接，位于盖片中间部分的导能筋，用于封接与基片上对应的沟槽，形成微通道。位于盖片四周的导能筋作为平衡结构，用于封接盖片与基片四周。

需要说明的是，超声波封键合封装的键合时间仅为0.2-0.3s，封装速度快，大大缩短了微流控芯片的制作时间。

本实施例提供的超声波键合微流控芯片的制备方法，在微流控芯片键合前不需预处理环节，而是在基片和盖片设计阶段，根据基片的特征尺寸，设计针对性的盖片结构，采用光刻掩膜技术分别制作聚合物芯片的基片和盖片，使其在超声波设备中进行进场熔融封接，其优点如下：

(1)本发明中的导能筋的结构设计，相比与其他导能筋位于沟槽两侧的结构设计，大大简化了芯片注塑模具的制作工艺，提供了生产效率。

(2)相比于其他微流控键合方法，超声波键合封接工艺在封接过程中不需要胶黏剂等介质，无污染；并且因为连接面是熔融连接，所以封接强度高；在超声波键合前，不需要前序处理，缩短了制作时间，另外在键合工艺参数上降低了键合时间，封接速度快，可连续自动化生产，从而实现聚合物芯片的规模化生产。

为更好的理解本发明提供的技术方案，下述以多个具体实例分别说明应用本发明上述实施例提供的制备方法制备微流控芯片的具体过程。

实施例二

一种PMMA超声波键合微流控芯片的制备方法，步骤如下：

1、PMMA基片的规格为37.5*25*0.6mm，采用光刻掩膜技术，制作具有十字型沟槽的基片，如图2(a)所示。其中，该沟槽宽度和深度均为100μm。

2、PMMA盖片的规格为37.5*25*0.6mm，采用光刻掩膜技术，制作具有十字型导能筋的盖片，如图2(b)所示。该十字型导能筋与图2(a)中的十字型沟槽位置对应，该十字型导能筋宽度为200μm，厚度为50μm。除此之外，盖片的四周也具有导能筋，该盖片四周的导能筋的宽度为100μm。

3、将基片和盖片利用夹具固定，并将所述基片上的沟槽和所述盖片上导能筋对准，然后在超声波封接设备调平板之上调平，设置超声波键合封装参数为：振幅10μm，触发力150N，键合压力200N，保压压力400N，键合时间0.2s，最后得到微流控芯片。图2(c)为本发明实施例制备的微流控芯片剖面图，如图2(c)所示，所述微流控芯片包括：盖片1、基片2。盖片1和基片2在超声波封装设备中进行进场熔融封接，键合在一起，形成微流控芯片。基片2上设置有沟槽，盖片1的中间部分和四周均设置有导能筋3，盖片1与基片2间，通过沟槽形成微通道4。

实施例三

一种PC超声波键合微流控芯片的制备方法，步骤如下：

1、PC基片的规格为45*37*0.6mm，采用光刻掩膜技术，制作具有Y字型沟槽的基片，如图3(a)所示。其中，该沟槽宽度和深度均为150μm。

2、PC盖片的规格为45*37*0.6mm，采用光刻掩膜技术，制作具有Y字型导能筋的盖片，如图3(b)所示。该Y字型导能筋与图3(a)中的Y字型沟槽位置对应，该十字型导能筋宽度为250um，厚度为50μm。除此之外，盖片的四周也具有导能筋，该盖片四周的导能筋的宽度为100μm。

3、将基片和盖片利用夹具固定，并将所述基片上的沟槽和所述盖片上导能筋对准，然后在超声波封接设备调平板之上调平，设置超声波键合封装参数为：振幅20um，触发力200N，键合压力300N，保压压力400N，键合时间0.25s，最后得到微流控芯片。图3(c)为本发明实施例制备的微流控芯片剖面图，如图3(c)所示，所述微流控芯片包括：盖片1、基片2。盖片1和基片2在超声波封装设备中进行进场熔融封接，键合在一起，形成微流控芯片。基片2上设置有沟槽，盖片1的中间部分和四周均设置有导能筋3，盖片1与基片2间，通过沟槽形成微通道4。

实施例四

一种COP超声波键合微流控芯片的制备方法，步骤如下：

1、COP基片的规格为50*37*0.6mm，采用光刻掩膜技术，制作具有一字型沟槽的基片，如图4(a)所示。其中，该沟槽宽度和深度均为200μm。

2、COP盖片的规格为50*37*0.6mm，采用光刻掩膜技术，制作具有一字型导能筋的盖片，如图4(b)所示。该一字型导能筋与图4(a)中的一字型沟槽位置对应，该一字型导能筋宽度为300μm，厚度为50μm。除此之外，盖片的四周也具有导能筋，该盖片四周的导能筋的宽度为100μm。

3、将基片和盖片利用夹具固定，并将所述基片上的沟槽和所述盖片上导能筋对准，然后在超声波封接设备调平板之上调平，设置超声波键合封装参数为：振幅30um，触发力300N，键合压力400N，保压压力400N，键合时间0.3s，最后得到微流控芯片。图4(c)为本发明实施例制备的微流控芯片剖面图，如图3(c)所示，所述微流控芯片包括：盖片1、基片2。盖片1和基片2在超声波封装设备中进行进场熔融封接，键合在一起，形成微流控芯片。基片2上设置有沟槽，盖片1的中间部分和四周均设置有导能筋3，盖片1与基片2间，通过沟槽形成微通道4。

需要说明的是，尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解为本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超声波键合微流控芯片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

通过光刻掩膜技术制备微注塑模板，注塑出具有沟槽的基片；

通过光刻掩膜技术制备微注塑模板，注塑出盖片，所述盖片除中间部分具有与所述基片沟槽相同结构的导能筋外，盖片四周也具有导能筋；

利用所述基片上的沟槽和所述盖片上的导能筋进行超声波键合，得到所述微流控芯片。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基片和盖片的材料均为热塑性聚合物。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述超声波键合的参数为：超声波振幅为10-30μm，触发力为150-300N，键合压力为200-400N，保压压力为400N，键合时间为0.2-0.3s。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述利用所述基片上的沟槽和所述盖片上的导能筋进行超声波键合具体为：

将所述基片和所述盖片利用夹具固定，并将所述基片上的沟槽和所述盖片上的导能筋对准；

利用超声波封接设备，在预设时间内施加压力，从而实现所述基片和所述盖片的键合。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述超声波键合后，所述基片和所述盖片之间，通过所述沟槽形成微通道。

6.一种如上述权利要求1-5任一权项所述的制备方法制备的微流控芯片。