CN107519960A - 微通道及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了微流道及其制作方法，该制作微通道的方法包括：将平面展开结构进行折叠而获得微通道；其中，微通道的截面是边数为N的正多边形，平面展开结构包括N个截面为等腰梯形的亚结构。本发明所提出的制作微通道的方法，获得的微通道的截面形状可以是三角形、四边形、五边形、六边形等多边形，几何形状更丰富；并且该方法还可在微通道的内壁，即平面展开结构的上表面，进行多次或多种的局部表面修饰或局部表面加工，从而可对微通道内壁的每一个表面进行不同表面图案的设计，然后再将平面展开结构折叠闭合即可形成内壁三维图案化修饰的多边形微通道，进而可实现三维复杂内壁形貌的微通道设计。

Description

微通道及其制作方法

技术领域

本发明涉及微流控芯片制作技术领域，具体的，本发明涉及微流道及其制作方法。

背景技术

微流控芯片，在材料合成、生化分析以及生物医药等领域有广泛的应用，其中，微通 道是微流控芯片的重要组成部分。微通道内壁的表面润湿性、表面涂层、表面薄膜沉积、表面粗糙度以及表面结构，都对微流控芯片功能的实现有很重要的作用。例如，制作乳化液滴的微流控芯片中，微通道局部需要进行润湿性修饰；制作水包油乳化液滴，需要在流体交汇处进行局部亲水修饰；而制作油包水乳化液滴，需要在流体交汇处进行局部疏水修饰；其中，一些亲水或疏水修饰可以通过表面涂层来实现。又如，内壁疏水的微通道表面 经过表面粗糙度修饰后，可以增大滑移长度，减小流体阻力；微通道内壁的表面沟槽结构， 可以使流体形成混沌对流，有助于提高流体的混合效率；微通道底面的金属薄膜沉积，可 以在微通道内制作电极，在微通道内实现检测功能等。

现阶段制作微流控芯片的方法中，获得的微通道截面形状主要有圆形、矩形、正方形、 梯形或三角形，其中，包括玻璃毛细管微通道的圆形、矩形或正方形截面；硅-玻璃微通道 的矩形或正方形、梯形或三角形截面；软光刻或微机械加工的聚合物微通道的矩形或正方 形微通道。上述微通道截面尺寸微小，并远小于轴向长度，还具有透明的特点。

而对微通道内壁进行表面修饰的方法一般有以下几种：一、向微通道内注入化学试剂， 通过试剂与表面的化学反应进行表面修饰，但是该方法无法实现微通道中局部的表面修饰。 二、利用光敏聚合物结合掩模曝光进行表面修饰，这种方法能够在微通道的指定位置进行 局部表面修饰，但是曝光截面的全部表面都将具有同样的表面修饰，即曝光截面上无法进 行局部表面修饰。三、在微通道键合之前，对通道的底面或顶面先进行局部表面修饰，然 后再键合得到完整的微通道，这种方法只能在底面或顶面进行表面修饰，但是无法对通道 的侧壁进行表面修饰，因此无法使整个截面具有相同的表面修饰。

因此，对微通道内壁实现高分辨率的三维图案化表面修饰是一个巨大的挑战，尤其是 对多边形截面的各个内壁上进行不同的表面修饰。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

本发明是基于发明人的下列发现而完成的：

针对上述的技术问题，本申请的发明人提出一种方法，该方法通过将平面展开结构折 叠闭合而可制作出截面为多边形的微通道，且微通道截面形状可以是三角形、四边形、五 边形、六边形等多边形。这种方法还可在微通道的内壁，即平面展开结构的上表面，进行 多次或多种的局部表面修饰或局部表面加工，从而可对微通道内壁的每一个表面进行不同 表面图案的设计，然后再将平面展开结构折叠闭合即可形成内壁三维图案化修饰的多边形 微通道，进而使这种方法在微流控技术中有广泛的应用前景。

有鉴于此，本发明的一个目的在于提出一种制作几何形状更丰富、或内壁修饰内容更 丰富的微通道的方法。

在本发明的第一方面，本发明提出了一种制作微通道的方法。

根据本发明的实施例，所述微通道是通过将平面展开结构进行折叠而获得的；其中， 所述微通道的截面是边数为N的正多边形，所述平面展开结构包括N个截面为等腰梯形的 亚结构。

本申请的发明人经过长期研究发现，采用本发明实施例的制作方法，可获得的微通道 的截面形状可以是三角形、四边形、五边形、六边形等多边形，几何形状更丰富；并且该 方法还可在微通道的内壁，即平面展开结构的上表面，进行多次或多种的局部表面修饰或 局部表面加工，从而可对微通道内壁的每一个表面进行不同表面图案的设计，然后再将平 面展开结构折叠闭合即可形成内壁三维图案化修饰的多边形微通道，进而可实现三维复杂 内壁形貌的微通道设计。

另外，根据本发明上述实施例的制作方法，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的实施例，所述方法包括：(1)基于所述正多边形的边数N，确定所述平面 展开结构的设计参数；(2)基于所述平面展开结构的设计参数，制作相应的模具；(3)用所 述模具进行浇注，以便获得所述平面展开结构；(4)将所述平面展开结构进行折叠，以便获 得所述微通道。

根据本发明的实施例，步骤(3)之后、步骤(4)之前，进一步包括：(5)对所述平面展开 结构的上表面进行局部表面修饰。

根据本发明的实施例，所述局部表面修饰包括表面润湿性修饰、表面涂层和表面金属 薄膜沉积的至少一种。

根据本发明的实施例，所述平面展开结构的设计参数进一步包括其上表面局部表面加 工的参数。

根据本发明的实施例，所述上表面局部表面加工包括沟槽条纹、凸起条纹、微凸点阵 列、微凹坑阵列部台阶、凹槽和表面粗糙度修饰的至少一种。

根据本发明的实施例，步骤(1)进一步包括：(1-1)基于所述正多边形的边数N，确定所 述等腰梯形的参数；(1-2)基于所述正多边形的边数N和所述等腰梯形的参数，确定所述 平面展开结构的设计参数。

根据本发明的实施例，步骤(2)中，制作所述模具的方法包括3D打印、微铣削、激光加工和微硅加工中的至少一种。

根据本发明的实施例，步骤(4)进一步包括：将所述平面展开结构进行折叠并键合，以 便获得所述微通道；其中，所述键合包括胶粘、化学键合和热压的至少一种。

在本发明的第二方面，本发明提出了一种用于制作微流控器件的微通道。

根据本发明的实施例，所述微通道是通过上述的方法制作的。

本申请的发明人经过长期研究发现，本发明实施例的微通道，其截面形状可以是三角 形、四边形、五边形、六边形等多边形，几何形状更丰富；并且还可在微通道的内壁形成 三维图案化局部修饰，进而可实现三维复杂内壁形貌的微通道设计。本领域技术人员能够 理解的是，前面针对制作微通道的方法所描述的特征和优点，仍适用于该微通道，在此不 再赘述。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明 显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显 和容易理解，其中：

图1是本发明三个实施例的微通道的三维示意图；

图2a～图2h是本发明一个实施例的制作正方形截面微通道的过程图，其中，

图2a是待制作的正方形截面微通道的三维透视图，

图2b是待制作的正方形截面微通道的截面结构图，

图2c是该正方形截面微通道的平面展开结构的截面结构图，

图2d是制作正方形截面微通道的平面展开结构的模具的截面结构图，

图2e是制作好的平面展开结构的三维示意图，

图2f是局部表面修饰后的平面展开结构的俯视结构图，

图2g是制作图2f所示产品的局部表面修饰所采用的掩膜，

图2h是局部表面修饰后的平面展开结构的三维示意图；

图3a～图3e是本发明一个实施例的制作正三角形截面微通道的过程图，其中，

图3a是待制作的正三角形截面微通道的三维透视图，

图3b是正三角形截面微通道的平面展开结构的截面结构图，

图3c是制作正三角形截面微通道的平面展开结构的模具的截面结构图，

图3d是局部表面修饰后的平面展开结构的俯视结构图，

图3e是制作图3d所示产品的局部表面修饰所采用的掩膜；

图4a～图4f是本发明另一个实施例的制作正方形截面微通道的过程图，其中，

图4a是待制作的内壁具有螺旋沟槽的正方形截面微通道的三维透视图，

图4b是该正方形截面微通道的平面展开结构的截面结构图，

图4c是该正方形截面微通道的平面展开结构的俯视结构图，

图4d是带有沟槽的平面展开结构的模具的截面结构图，

图4e是带有沟槽的平面展开结构的模具的俯视结构图，

图4f是制作好的平面展开结构的三维示意图；

图5是对正方形截面微通道内壁表面进行局部表面亲水涂层修饰所使用的掩膜；

图6a～图6f是本发明一个实施例的制作正六边形截面微通道的过程图，其中，

图6a是待制作的不同内壁不同表面处理的正六边形截面微通道的三维透视图，

图6b是该正六边形截面微通道的平面展开结构的截面结构图，

图6c是该正六边形截面微通道的平面展开结构的俯视结构图，

图6d是制作正六边形截面微通道的平面展开结构的模具的截面结构图，

图6e是制作图6c所示产品的局部沉积金属薄膜的掩膜，

图6f是制作图6c所示产品的局部亲水涂层的掩膜；

图7是本发明一个实施例的制作微通道的方法流程示意图；

图8是本发明另一个实施例的制作微通道的方法流程示意图；

图9是本发明另一个实施例的制作微通道的方法流程示意图；

图10a是本发明一个实施例的微流控器件的截面结构示意图；

图10b是本发明一个实施例的微流控器件工作过程中的实物照片；

图11a是本发明另一个实施例的微流控器件的截面结构示意图；

图11b是本发明另一个实施例的微流控器件工作过程中的实物照片；

图11c是本发明另一个实施例的微流控器件制造的海藻酸钙凝胶微球。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，本技术领域人员会理解，下面实施例旨在用于解释本 发明，而不应视为对本发明的限制。除非特别说明，在下面实施例中没有明确描述具体技 术或条件的，本领域技术人员可以按照本领域内的常用的技术或条件或按照产品说明书进 行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过市购到的常规产品。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种制作微通道的方法。参照图1～9，对本发明 的制作方法进行详细的描述。

根据本发明的实施例，在该制作方法中，微通道是通过将平面展开结构进行折叠而获 得的；其中，微通道的截面是边数为N的正多边形，例如图1的正三角形、正方形或者正六边形等，而微通道的平面展开结构包括N个截面为等腰梯形的亚结构，该等腰梯形的亚结构参照图2c、图3b和图6b。需要说明的是，正多边形的边数N为3～10中的任一整数， 则将该正多边形截面的微通道展开后的N个等腰梯形截面的亚结构，每个亚结构的等腰梯 形截面的底角为θ＝(180°–360°/N)/2。

根据本发明的实施例，参照图7，该方法具体包括：

S100：基于正多边形的边数N，确定平面展开结构的设计参数。

在该步骤中，根据微通道的正多边形截面的边数N以及边长a和壁厚h，可设计出一组N个等腰梯形构成的平面展开结构。

根据本发明的实施例，参考图8和图9，步骤S100可进一步包括：S110，基于正多边形的边数N以及边长a和壁厚h，可确定出等腰梯形的参数，该参数包括上底长为a、高为 h底角为θ＝(180°–360°/N)/2；S120，基于正多边形的边数N和等腰梯形的上述参数，从而 可确定平面展开结构的设计参数，该步骤获得的平面展开结构及其设计参数可参考图2b和 图2c。如此，可根据待制作的正多边形截面微通道的尺寸，来设计出待折叠的平面展开结 构的图形设计。

根据本发明的实施例，正多边形截面的及边长a和壁厚h都不受特别的限制，本领域 技术人员可根据该微通道的设计要求进行调整。在本发明的一些实施例中，正多边形截面 的边长a可以为50微米～5毫米、壁厚h可以为1～5毫米，如此，在上述尺寸范围内的边长和壁厚，可使该微通道的使用功能性和尺寸稳定性均好。

S200：基于平面展开结构的设计参数，制作相应的模具。

在该步骤中，根据上述获得的平面展开结构的图形设计，相应地设计其浇注模具的形 状，其中，该模具的底面对应微通道内壁的梯形上表面。该步骤获得的产品，可参考图2d、 图3c、图4d、图4e和图6d。

根据本发明的实施例，参考图8，平面展开结构的设计参数还可以包括其上表面局部 表面加工的参数，如此，可使微通道侧壁沟槽不局限于现阶段的垂直方向的直线沟槽，还 可加工斜向或曲线形状的沟槽，并通过控制微通道内壁各表面之间沟槽的空间相对位置， 可以实现三维复杂形状微通道的制作。在本发明的一些实施例中，参考图4b和图4c，内壁 具有螺旋沟槽的正方形截面微通道的平面展开结构的上表面还有分段的沟槽条纹312，相 应地设计出的模具就要有对应位置的凸起条纹332，如此，获得的模具请参考图4d和图4e。

根据本发明的实施例，局部表面加工的具体类型不受特别的限制，本领域内常见的局 部表面加工均可，本领域技术人员可根据该微通道的功能要求进行设计。在本发明的一些 实施例中，局部表面加工可包括沟槽条纹、凸起条纹、微凸点阵列、微凹坑阵列部台阶、 凹槽和表面粗糙度修饰中的至少一种。如此，采用上述类型的局部表面加工，可对微流控 芯片功能的实现有很重要的作用，具体例如，表面粗糙度修饰可增大滑移长度、减小流体 阻力，而表面沟槽结构可使流体形成混沌对流、有助于提高流体的混合效率，等等。

根据本发明的实施例，制作模具的方法也不受特别的限制，本领域技术人员可根据该 模具的具体材料和尺寸精度进行选择。在本发明的一些实施例中，制作模具的方法可包括 3D打印、微铣削、激光加工和微硅加工中的至少一种，如此，可获得形状和尺寸精度都好 的模具。在一些具体示例中，可通过3D打印的方法打印出尺寸精度非常高且表面形貌更复杂的浇注模具。

S300：用模具进行浇注，获得平面展开结构。

在该步骤中，借助上述设计并制作好的模具，浇注出平面展开结构。该步骤获得的平 面展开结构，可参考图2e和图4f。

根据本发明的实施例，平面展开结构和微通道选择的基材种类不受特别的限制，只要 该种类的材料通过浇注形成的平面展开结构可折叠、可表面修饰且满足微通道的使用要求 即可，本领域技术人员可根据该微通道的具体应用环境进行选择。在本发明的一些实施例 中，平面展开结构的基材可选择光固化或热固化的聚合物，如此，方便浇注的初成型和进 一步的固化成型。在本发明的一些实施例中，光固化或热固化的聚合物，可选自聚二甲基 硅氧烷(PDMS)、紫外光固化(NOA)光敏树脂、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PS)、 聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯(PETG)、聚碳酸酯(PC)或环烯烃类共聚物 (COC))，如此，采用上述具体种类的聚合物，可更好地浇注成型和后续固化定型。

根据本发明的实施例，浇注方法的具体工艺参数，具体例如模具温度、反应时间或固 化温度等，本领域技术人员可根据该平面展开结构的具体材料进行选择和调整。在本发明 的一些实施例中，平面展开结构的材料可选用PDMS等热固化聚合物，则可将液态的聚合物预聚物与其引发剂按适当比例均匀混合，再将混合后的预聚物溶液浇入到模具中并除气， 根据聚合物的固化要求对浇入预聚物并除气的模具进行固化，等固化后脱模即可得到聚合 物平面展开结构。在本发明的另一些实施例中，聚合物材料还可选用光敏固化的聚合物， 则相应地根据光敏固化聚合物的性能设计浇注的具体工艺参数，在此不再赘述。

根据本发明的实施例，参考图9，步骤S300之后和S400之前可进一步包括：

S500：对平面展开结构的上表面进行局部表面修饰。

在该步骤中，在上述获得的平面展开结构的上表面，进行二维的局部表面修饰，从而 可获得经过设计的局部表面修饰的微通道内壁。该步骤获得的平面展开结构，可参考图2h、 图3d和图6c。

本申请的发明人发现，将对微通道内壁的表面修饰转化为开放表面的二维表面修饰， 克服了微通道受限空间对表面修饰方法应用的限制，并且常用的二维表面修饰方法都可以 在制作过程应用，使现阶段只能在底面或顶面进行修饰的薄膜沉积和表面形貌修饰等，可 在微通道内壁所有表面实现，丰富了微通道内壁的表面修饰内容。并且，还可克服对表面 修饰材料的使用限制，使用的材料不局限于现阶段的聚合物，也可以是金属、半导体和绝 缘体等多种材料，有助于电场、磁场驱动以及检测的功能在微流控芯片上集成。

根据本发明的实施例，局部表面修饰的具体种类不受特别的限制，本领域内常用的表 面图案化修饰方法均可，本领域技术人员可根据该微通道的功能设计而进行选择。在本发 明的一些实施例中，局部表面修饰可包括表面润湿性修饰、表面涂层和表面金属薄膜沉积 的至少一种。如此，采用上述种类的局部表面修饰，可对微流控芯片功能的实现有很重要 的作用，具体例如，局部润湿性修饰过的微通道可用于制作乳化液滴的微流控芯片，局部 亲水修饰过的微通道可作为制作水包油乳化液滴的流体交汇处，而局部疏水修饰的微通道 可作为制作油包水乳化液滴的流体交汇处。

S400：将平面展开结构进行折叠，以便获得微通道。

在该步骤中，将上述获得平面展开结构进行折叠，将各个相邻的亚结构的两腰处贴合， 即可获得微通道。在本发明的一些实施例中，参考图2c，将由4个等腰梯形截面的亚结构 组成的平面展开结构，从左至右依次以相邻两个亚结构的交界处为轴进行折叠，从而使4 个亚结构中相邻的两个亚结构的斜面21完全对齐，从而可获得图2a所示的微通道。该步 骤获得的微通道，可参考图2a、图3a、图4a和图6a。

根据本发明的实施例，折叠的具体方法不受特别的限制，本领域技术人员可根据该平 面展开结构的具体材料和具体尺寸进行选择，具体例如徒手操作，等等，在此不再赘述。

根据本发明的实施例，参考图8，将平面展开结构进行折叠之后进一步进行键合的处 理，从而实现封闭的微通道。在本发明的一些实施例中，对折叠键合后的微通道可以加以 固定，并在各边施加一定的压力，保持1小时以上，有助于提高微通道的键合强度。根据本发明的实施例，键合的具体方法不受特别的限制，本领域技术人员根据该平面展开结构的具体材料和具体尺寸进行选择。在本发明的一些实施例中，键合的具体方法可包括胶粘、化学键合和热压的至少一种，其中，化学键合具体是指在待键合表面进行表面离子处理。如此，采用上述种类的键合方法，折叠后的平面展开结构即可构成壁面封闭的微通道。

综上所述，根据本发明的实施例，本发明提出了一种制作方法，可获得的微通道的截 面形状可以是三角形、四边形、五边形、六边形等多边形，几何形状更丰富；并且该方法还可在微通道的内壁，即平面展开结构的上表面，进行多次或多种的局部表面修饰或局部表面加工，从而可对微通道内壁的每一个表面进行不同表面图案的设计，然后再将平面展开结构折叠闭合即可形成内壁三维图案化修饰的多边形微通道，进而可实现三维复杂内壁形貌的微通道设计。

具体的，本发明的制作微通道的方法具有以下优点及突出的技术效果：

(1)将对微通道内壁的表面修饰转化为开放表面的表面修饰，克服了微通道受限空间 对表面修饰方法应用的限制，二维的表面修饰方法都可以在制作过程应用，使现阶段只能 在底面或顶面进行修饰的薄膜沉积和表面形貌修饰等，可在微通道内壁所有表面实现，丰 富了微通道内壁的表面修饰内容。

(2)在微通道内壁同一个表面上可以进行多次或多种表面修饰，克服了现阶段微通道 受限空间对表面修饰方法种类和修饰次数的限制，可使微通道的内壁表面从单一的表面修 饰发展到多种表面修饰组合，表面润湿性、表面粗糙度、表面形貌、表面涂层和表面结构 等修饰方法，均可以组合运用于内壁表面同一区域或不同区域，有助于实现微流控芯片拓 展新的功能。

(3)还克服了对表面修饰材料的使用限制，使用的材料不局限于现阶段的聚合物，也 可以是金属、半导体和绝缘体等多种材料，有助于电场、磁场驱动以及检测的功能在微流 控芯片上集成。

(4)微通道侧壁沟槽不局限于现阶段的垂直方向的直线沟槽，还可加工斜向或曲线形 状的沟槽，通过控制微通道内壁各表面之间沟槽的空间相对位置，可以实现三维复杂形状 微通道的制作。

(5)通过平面展开结构的折叠成形代替一次浇铸成形的微通道成形方法，克服了浇铸 模具几何形状对微通道截面形状的限制，可以用来制作各种多边形截面的微通道。

由于上述优点，本发明的制作方法可以制作几何形状更丰富、且内壁修饰内容更丰富 的微通道，有助于利用微流控芯片实现新的功能，拓展微流控芯片的应用领域。

在本发明的另一个方面，本发明提出了一种用于制作微流控器件的微通道。

根据本发明的实施例，该微通道是通过上述的方法制作的。

综上所述，根据本发明的实施例，本发明提出了一种微通道，其截面形状可以是三角 形、四边形、五边形、六边形等多边形，几何形状更丰富；并且还可在微通道的内壁形成三维图案化局部修饰，进而可实现三维复杂内壁形貌的微通道设计。本领域技术人员能够理解的是，前面针对制作微通道的方法所描述的特征和优点，仍适用于该微通道，在此不再赘述。

下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅是描述性的， 而不以任何方式限制本发明。

实施例1

在该实施例中，利用平面折叠技术制作正方形截面的PDMS的微通道(100)。其中，参 考图2a，微通道为正方形截面(10)，内壁表面(11)局部需要制作亲水涂层(12)；参考图2b， 而该微通道的边长a为1毫米，壁厚h为2毫米。具体的制作过程如下：

(1)参考图2c，将微通道(100)的正方形截面(10)可分解成由N＝4个等腰梯形(20)构成 的展开图形(30)；其中，等腰梯形的上底边a＝1毫米，高为h＝2毫米，底角θ＝(180°–360 °/N)/2＝45°；等腰梯形的上底对应微通道内壁表面(11)，等腰梯形的腰对应折叠微通道的键 合表面(21)。

(2)根据微通道展开图形(30)设计浇铸模具(40)，参考图2d，模具的底面(41)对应梯形 的上底面，即微通道内壁表面(11)；并利用3D打印机，打印出浇铸模具(40)。

(3)将PDMS预聚物与引发剂按10：1比例均匀混合；将混合后的预聚物溶液(42)浇铸 到模具(40)中，并除气；浇入预聚物溶液(42)并除气的模具(40)在70℃恒温箱中保温1.5小 时，固化得到如图2e所示的PDMS平面展开结构(50)。

(4)根据图2f待表面修饰的区域设计掩模(60)，参考图2g，掩模上不透光区域(61)覆盖 的表面受到保护，而透光区域(62)与待加工的图案一致；在开放的微通道内壁(11)表面悬涂 一层光敏聚合物聚丙烯酸(PAA)，然后利用掩模(60)控制紫外曝光的区域，掩模上透光区域 (62)覆盖的表面经过紫外曝光，PAA紫外接枝聚合，在微通道内壁(11)表面的待修饰区域(12) 上形成亲水涂层，从而获得如图2h所示的待折叠的平面展开结构。

(5)对经过表面修饰的聚合物平面展开结构(70)进行折叠，将相邻等腰梯形的邻边(21) 对齐并键合，使平面展开结构闭合，形成相应的内壁局部修饰的微通道(100)。

实施例2

在该实施例中，利用平面折叠技术制作三角形截面PDMS微通道(200)。参考图3a，微 通道为正三角形截面(110)，内壁表面(111)制作有金属薄膜螺旋线圈(112)；微通道边长a为 1毫米，壁厚h为2毫米，金属薄膜基底为10纳米厚的铬膜，金属薄膜表层为50纳米厚的金膜。具体的制作过程如下：

(1)参考图3b，将三角形截面(110)分解成由N＝3个等腰梯形(113)构成的平面展开图 形(120)，等腰梯形(113)的上底边a＝1毫米，高为h＝2毫米，底角θ＝(180–360/N)/2＝30°。

(2)根据平面展开图形(120)设计如图3c所示的浇铸模具(130)，并使用3D打印制作模 具(130)。

(3)将PDMS预聚物与引发剂按10：1比例均匀混合；将混合后的预聚物溶液(131)浇铸到模具(130)中并除气；浇入预聚物溶液(131)并除气的模具(130)70℃恒温箱中保温1.5小 时，固化得到PDMS平面展开结构(120)。

(4)根据图3d所示的待图案化修饰的区域(112)设计掩模(140)，参考图3e，需要保护的 不修饰的区域对应掩模(140)上不透光的区域(141)，待修饰的区域对应掩模(140)上透光的区 域(142)。利用掩模(140)在微通道内壁(111)表面通过掩模光刻，在不需要修饰的区域形成光 刻胶保护层。

(5)利用镀膜机在待修饰区域首先沉积10纳米厚的铬膜，然后沉积50纳米厚的金膜， 完成金属薄膜沉积的表面修饰，然后去除表面光刻胶保护层。

(6)参考图3b，在键合表面(114)涂敷树脂粘结剂，并将平面展开结构(120)折叠闭合， 得到内壁有金属薄膜螺旋线圈的三角形截面微通道(200)。

实施例3

在该实施例中，按照与实施例2基本相同的方法和条件，利用平面折叠技术制作正三 角形截面(NOA)光敏树脂微通道。区别在于，在该实施例中，

(a)按实施例2的步骤(1)-(2)执行，得到浇铸模具(130)。

(b)将NOA光敏树脂预聚物和引发剂均匀混合，混合溶液浇入模具(130)中并除气，随 后在紫外曝光下固化，浇铸得到聚合物平面展开结构。

(c)在键合表面涂敷树脂粘结剂，并将平面展开结构折叠闭合，得到正三角形截面微通 道。

实施例4

在该实施例中，利用平面折叠技术制作三维螺旋沟槽的正方形截面PDMS微通道(300)。 参考图4a，该微通道为正方形截面(310)，其内壁表面(311)制作沟槽(312)，正方形截面的边 长a为500微米、壁厚h为2毫米，螺旋沟槽的宽度为400微米、螺距为2毫米、深度200 微米。具体的制作过程如下：

(1)参考图4b，将正方形截面(310)分解成由N＝4个等腰梯形(313)构成的平面展开图 形(320)，等腰梯形(313)的上底边a＝500微米，高为h＝2毫米，底角θ＝(180–360/N)/2＝45°。

(2)根据图4c所示的平面展开图形(320)设计浇铸模具(330)，并使用微铣削加工制作模 具(330)。参考图4d，模具底面(331)对应微通道内壁表面(311)，模具上高出模具底面(331) 的凸起条纹(332)对应微通道沟槽条纹(312)的位置。

(3)将PDMS预聚物与引发剂按10：1比例均匀混合；将混合后的预聚物溶液(333)浇铸到模具(330)中，并除气；浇入预聚物溶液(333)并除气的模具(330)在70℃恒温箱中保温1.5小时，固化得到如图4f所示的PDMS平面展开结构(320)。

(4)对键合表面(314)进行等离子清洗后，将键合表面对齐，使平面展开结构(320)折 叠闭合，得到内壁有螺旋沟槽的正方形截面微通道(300)。

实施例5

在该实施例中，按照与实施例4基本相同的方法和条件，制作三维螺旋沟槽的正方形 截面PDMS微通道(300)。区别在于，在该实施例中，微通道内壁表面亲水涂层修饰，螺旋沟槽内表面不修饰，以及：

(a)按实施例4步骤(1)-(3)执行，制作得到带有沟槽的PDMS平面展开结构(320)。

(2)根据亲水涂层的修饰位置，设计掩模(340)。参考图5，不需要修饰的沟槽内壁和键 合表面对应掩模(340)不透光的区域(341),需要修饰的微通道内壁表面对应掩模(340)上透光 的区域(342)。

(3)在PDMS平面展开结构(320)表面悬涂一层光敏聚合物聚丙烯酸(PAA)，然后利用掩 模(340)控制紫外曝光的区域，掩模上透光区域(62)覆盖的表面经过紫外曝光，PAA紫外接 枝聚合，在微通道内壁(311)表面的待修饰区域(342)上形成亲水涂层。

(4)对键合表面(314)进行等离子清洗后，将键合面对齐，使通道折叠闭合，得到内壁有 螺旋沟槽的正方形截面微通道(300)，且微通道内壁经过亲水涂层修饰。

实施例6

在该实施例中，利用平面折叠技术制作正六边形微通道(400)，并在内壁做依次做图案 化金属薄膜沉积以及图案化表面亲水涂层。参考图6a，微通道为正六边形截面(410)，内壁 表面(411)的局部(420)进行表面修饰；正六边形截面边长500微米，壁厚2毫米；表面修饰 包括沉积金属薄膜(421)、纵向亲水条纹(422)和横向亲水条纹(423)；亲水条纹由亲水涂层(424)和原始表面(425)交替组成；金属薄膜基底为20纳米铬膜，金属薄膜表层为100纳米 金膜。具体的制作过程如下：

(1)参考图6b，将正六边形截面(410)分解成由N＝6个等腰梯形(412)构成的平面展开 结构(430)，等腰梯形(412)的上底边长a＝500微米，高为h＝2毫米，底角θ＝(180–360/N)/2＝ 60°。

(2)根据图6c所示的平面展开结构(430)设计浇铸模具(440)，参考图6d，浇铸模具(440) 的底面(441)为平面；并使用3D打印制作模具(430)。

(3)将PDMS预聚物与引发剂按10：1比例均匀混合；将混合后的预聚物溶液(442)浇铸到模具(440)中，并除气；浇入预聚物溶液(442)并除气的模具(340)在70℃恒温箱中保温1.5小时，固化得到PDMS平面展开结构(430)。

(4)根据需要沉积金属薄膜的位置(421)设计掩模(450)，需要保护的不修饰的区域对应 掩模(450)上不透光的区域(451)，待修饰的区域对应掩模(450)上透光的区域(452)。利用掩模 (450)在微通道内壁(411)表面通过掩模光刻，在不需要修饰的区域形成光刻胶保护层。

(5)利用镀膜机在待修饰区域首先沉积10纳米铬膜，然后沉积50纳米金膜，完成金属 薄膜沉积的表面修饰(421)，然后去除表面光刻胶保护层。

(6)根据亲水涂层的修饰位置，设计掩模(460)，不需要修饰的沟槽内壁和键合表面对应 掩模(460)不透光的区域(461),需要修饰的微通道内壁表面对应掩模(460)上透光的区域 (462)。

(7)在PDMS平面展开结构(430)表面悬涂一层光敏聚合物聚丙烯酸(PAA)，然后利用掩 模(460)控制紫外曝光的区域，掩模上透光区域(462)覆盖的表面经过紫外曝光，PAA紫外接 枝聚合，在微通道内壁(411)表面的待修饰区域(424)上形成亲水涂层。

(8)对键合表面(413)进行等离子清洗后，将键合表面对齐，使平面展开结构(430)折 叠闭合，得到内壁有表面涂层和金属薄膜图案化修饰的正六边形截面微通道(400)。

实施例7

在该实施例中，按照与实施例1基本相同的方法和条件，制作局部具有亲水涂层的正 方形截面PDMS微通道(100)，再进一步制作出单乳化液生成与反相的微流控器件(500)，用 来生成油包水液滴，并利用表面亲水涂层将液滴反相得到水包油液滴。具体步骤如下：

(a)按实施例1步骤(1)-(6)执行，得到局部具有亲水涂层的平面展开结构(50)。

(b)平面展开结构(50)的其中一个内壁表面(11)上，靠近端点的位置用直径1毫米的打 孔器垂直底面打一个通孔，作为水相流体入口(501)。

(c)对键合表面进行等离子清洗后，对经过表面修饰并打孔的展开结构(70)进行折叠， 将相邻等腰梯形的邻边(21)对齐并键合，使平面展开结构闭合，形成相应的内壁局部修饰的 微通道(100)。

(d)参考图10a，将1毫米外径的导管(502)插入水相入口(501)，以靠近水相入口的微通 道一端作为油相入口(503)，将另一根1毫米外径的导管(504)插入油相入口。由于PDMS材 料表面本身具有疏水性，该器件(500)可以用来制作油包水乳化液滴。

(e)从导管(502)向水相入口(501)通入染成蓝色的去离子水，从导管(504)向油相入口 (503)通入含有1％SPAN 80表面活性剂的石蜡油溶液，调解水相和油相的流量比，就可以 在微通道中形成油包水液滴。参考图10b，在进入亲水涂层的位置，观察到液滴反相变为 水包油液滴，在亲水涂层下游观察到水包油液滴反相变为油包水液滴。

实施例8

在该实施例中，按照与实施例4基本相同的方法和条件，制作三维螺旋沟槽PDMS微通道(300)，并利用该微通道实现海藻酸钠凝胶微球制造的微流控器件(600)。具体步骤如下：

(a)按实施例4步骤(1)-(3)执行，得到具有三维螺旋沟槽的PDMS微通道的平面展开结 构(320)。

(b)在平面展开结构(320)的其中一个内壁表面上，靠近端点的位置用直径1毫米的打孔 器垂直底面打一个通孔，作为水相I的流体入口(601)。在另一个内壁表面上，靠近端点的 位置用直径1毫米的打孔器垂直底面打一个通孔，作为水相II的流体入口(603)。

(c)对键合表面进行等离子清洗后，将键合表面对齐，使平面展开结构(320)折叠闭合， 得到内壁有螺旋沟槽的正方形截面微通道。

(d)参考图11a，将一根1毫米外径的导管(602)插入水相I入口(601)，一根1毫米外径 的导管(604)插入水相II入口(603)，以靠近水相入口的微通道一端作为油相入口(605)，将另 一根1毫米外径的导管(606)插入油相入口(605)。

(e)从导管(602)向水相I入口(601)通入染成蓝色的0.5％海藻酸钠水溶液，从导管(604) 向水相II入口(603)通入染成红色的1％氯化钙水溶液，从导管(606)向油相入口(605)通入含 有1％SPAN 80表面活性剂的石蜡油溶液，调解水相I、II和油相的流量比，就可以在微通 道中形成油相包裹海藻酸钠和氯化钙水溶液的液滴，液滴中的海藻酸钠和氯化钙随着液滴 在三维螺旋通道内的运动而混合，如图11b所示，并反应形成海藻酸钙凝胶微球，如图11c 所示。其中，图11b和图11c的标尺长度为500微米。

总结

综合实施例1～8可得出，本发明所提出的制作方法，可获得的微通道的截面形状可以 是三角形、四边形、五边形、六边形等多边形，几何形状更丰富；并且该方法还可在微通 道的内壁，即平面展开结构的上表面，进行多次或多种的局部表面修饰或局部表面加工， 从而可对微通道内壁的每一个表面进行不同表面图案的设计，然后再将平面展开结构折叠 闭合即可形成内壁三维图案化修饰的多边形微通道，进而可实现三维复杂内壁形貌的微通 道设计。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、 “顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的 方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或 元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、 或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包 含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须 针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一 个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技 术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合 和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的， 不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例 进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种制作微通道的方法，其特征在于，所述微通道是通过将平面展开结构进行折叠而获得的；其中，所述微通道的截面是边数为N的正多边形，所述平面展开结构包括N个截面为等腰梯形的亚结构。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：

(1)基于所述正多边形的边数N，确定所述平面展开结构的设计参数；

(2)基于所述平面展开结构的设计参数，制作相应的模具；

(3)用所述模具进行浇注，以便获得所述平面展开结构；

(4)将所述平面展开结构进行折叠，以便获得所述微通道。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(3)之后、步骤(4)之前，进一步包括：

(5)对所述平面展开结构的上表面进行局部表面修饰。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述局部表面修饰包括表面润湿性修饰、表面涂层和表面金属薄膜沉积的至少一种。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述平面展开结构的设计参数进一步包括其上表面局部表面加工的参数。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述上表面局部表面加工包括沟槽条纹、凸起条纹、微凸点阵列、微凹坑阵列部台阶、凹槽和表面粗糙度修饰中的至少一种。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)进一步包括：

(1-1)基于所述正多边形的边数N，确定所述等腰梯形的参数；

(1-2)基于所述正多边形的边数N和所述等腰梯形的参数，确定所述平面展开结构的设计参数。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，制作所述模具的方法包括3D打印、微铣削、激光加工和微硅加工中的至少一种。

9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(4)进一步包括：

将所述平面展开结构进行折叠并键合，以便获得所述微通道；

其中，所述键合包括胶粘、化学键合和热压的至少一种。

10.一种用于制作微流控器件的微通道，其特征在于，通过权利要求1～9任一项所述方法制作的。