CN108654709A

CN108654709A - 一种微流控芯片及其制造工艺方法

Info

Publication number: CN108654709A
Application number: CN201810429978.8A
Authority: CN
Inventors: 马汉彬
Original assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Priority date: 2018-05-08
Filing date: 2018-05-08
Publication date: 2018-10-16

Abstract

本发明公开了一种采用纤维丝构成微流体通道的微流控芯片以及其集成、制造工艺方法，属于微流控芯片制造技术领域。其特征是至少包含一层由经线和纬线交织的编织物或纺织物构成，所述的经线和纬线，各由亲水性纤维和疏水性纤维组成，亲水性纤维形成微流体沟道，疏水性纤维形成微流体沟道壁。所述的经线、纬线的亲水性纤维和疏水性纤维可以是整体的，也可以是部分的，还可以是间断性分布的。本发明的特点是材料成本低制造容易，兼容现有纺织生产工艺设备；使用方便，可以根据需要直接剪裁组合，方便实现微流体与微电子系统的连接集成。

Description

一种微流控芯片及其制造工艺方法

技术领域

本发明公开了一种采用纤维丝构成微流体通道的微流控芯片以及其集成、制造工艺方法，属于微流控芯片制造技术领域。

背景技术

随着微流控芯片在快速检测、在场医疗等领域应用范围的不断扩展，市场对其技术的低成本化及高集成化有较高的需求。

现有微流控芯片主要包括：

1.传统刚性微流控芯片，主要利用硅基、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，或俗称亚克力)等材料，利用光刻、软光刻、倒模、压印、微机加工等手段制备；加工周期长，生产需要专业设备及环境，成本相对较高。

2.美国哈佛大学，Whiteside研究组，近年来开发了一种利用滤纸为基底的低成本微流控芯片，主要利用打印、丝网印刷、拓印等方式，实现输水材料(蜡或其他输水有机墨水)在纸质基底上的图形化，从而实现对微流沟道的定义。

同时由于生产工艺的不兼容性，传统微流控系统很难实现与微电子系统的集成，从而很难实现对微流体内样品的电学、电化学测试，在电极与微流控系统集成技术方面，对应以上两种微流控技术。

总之，现有无论工艺或技术都无法满足相应器件、系统在快速制造及技术使用上对于低成本、灵活性以及可扩展性的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本、具备使用的灵活性以及可扩展性的微流控芯片以及其制造工艺方法。

本发明的技术方案表现为以下几点：

A:利用丝、线或类似材料作为微流体器件的载体，并通过编织、纺织等工艺进行系统的集成。丝、线材料直径一般在0.1um–5mm间；切面一般为圆形、椭圆形、或其他多边形；包括实心及空心；包括单匝或多匝。

材料包括但不限制于：(包含丝蛋白的)生物丝(蜘蛛丝，蚕丝等)、植物丝(棉纤维、麻纤维等)、合成纤维(腈纶、尼龙、涤纶等)、纸纤维、金属纤维(金属丝)、化合物纤维等(包含玻璃纤维等各种氧化物、氮化物等。)

B:通过将不同亲疏水性的丝线编织成网络，从而定义微流体沟道---亲水为沟道，疏水为沟道壁。

丝线亲、疏水性可以通过物理、化学、生物等方法进行修饰或改变，其包含但不限于：物理方法：等离子体处理、热处理、电处理、微波等；改变纤维表面物理形态，或改变表面化学键；化学方法：通过不同化学材料对纤维表面进行腐蚀处理；生物方法：通过在丝、线材料表面或内部修饰或填充不同属性的生物大分子，糖原等以达到改变材料亲疏水性。

未定义区域，或无功能编织区域为亲水性、疏水性或丝线材料本征属性。

此编制类微流体器件不少于一层编织结构。当微流体沟道仅为一层时，上下可以直接裸露在外，或根据具体实现需求用其他编织材料(全疏水、全亲水，或根据具体需求局部定义亲疏水性)进行上下封装；封装材料也可以是其他常见基底材料(玻璃、硅基、塑料等)。此类编织微流体器件也可以利用表面涂层进行封装。封装涂层可以采用真空蒸镀法、磁控溅射，或旋涂、喷涂等溶液法。

当多层结构时，利用不同层间定义不同的微流沟道网络，可以实现三维微流体系统。

C:利用导电丝线作为电极，从而通过编织、纺织的方式与微流控器件实现无缝集成。

导电丝可以利用本身导电性能较好的金属丝，化合物丝，有机物丝，也可以利用在其他丝线材料上磁控溅射，蒸镀，化学沉积、浸泡、析出，导电薄膜、导电颗粒等方法实现。

D:导电丝可以作为电化学分析电极，实时对微流体沟道内液体进行电化学检测(电流法、电压法、阻抗法等)

E:导电丝作为导线，将微流体器件与不少于一个的外部测试、控制电子器件、芯片或系统相连。

导电丝可直接与独立电子器件相连，利用编织体作为载体实现微流体、微电子系统集成。

F:利用电润湿效应，导电电极通过电压信号可以改变微流沟道部分的亲疏水性，从而作为微流控的控制开关。

综上所述，一种微流控芯片，其特征是至少包含一层由经线和纬线交织的编织物或纺织物构成，所述的经线和纬线，各由亲水性纤维和疏水性纤维组成，亲水性纤维形成微流体沟道，疏水性纤维形成微流体沟道壁。

所述的经线、纬线的亲水性纤维和疏水性纤维可以是整体的，也可以是部分的，还可以是间断性分布的。

所述的经线和纬线材料直径在0.1um–5mm之间；剖面为圆形、椭圆形、或其他多边形，包括实心及空心、单匝或多匝组成。

经线和纬线材料包括但不限制于：包含丝蛋白的生物丝(蜘蛛丝，蚕丝等)、植物丝(棉纤维、麻纤维等)、合成纤维(腈纶、尼龙、涤纶等)、纸纤维、金属纤维(金属丝)、化合物纤维等(包含玻璃纤维等各种氧化物、氮化物等。)

所述的经线、纬线还可以采用导电材料组成，由不相邻的两条经线或者纬线或者经纬混合搭接构成导电电极。

所述的导电材料为金属导电材质、非金属导电材料、化合物导电材料、有机物导电材料等。

所述的导电电极连接微电子芯片构成检测和控制回路。

同样，一种微流控芯片的制造工艺方法，其特征是由经线和纬线交织而成，所述的经线和纬线，各由亲水性纤维和疏水性纤维组成：

经线和纬线的亲疏水性，可以通过物理、化学、生物等方法进行修饰或改变，其包含但不限于：物理方法：等离子体处理、热处理、电处理、微波等；改变纤维表面物理形态，或改变表面化学键；化学方法：通过不同化学材料对纤维表面进行腐蚀处理；生物方法：通过在丝、线材料表面或内部修饰或填充不同属性的生物大分子，糖原等以达到改变材料亲疏水性。

经线和纬线可以通过物理、化学、生物等方法进行修饰或改变以到达导电的目的，并实现作为导电电极的功能。其包含但不限于：真空生长、化学或溶液法沉积导电颗粒或材料；或改变纤维化学键；生物方法：通过在丝、线材料表面或内部修饰或填充不同属性的生物大分子，糖原等以达到改变材料导电性。

经线、纬线的性质的修饰和改变，可以在编织过程之前进行，也可以在形成纺织物微流体器件之后进行。

经线、纬线的性质的修饰和改变，可以只针对少量或单根特定经线或纬线进行；也可以针对纺织物大面积区域进行，以实现不同功能。

基于以上所述的内容，可以衍生出新的类似技术方案，一种微流控芯片，其特征是至少包含一层由经线和纬线交织的编织物或纺织物构成，所述的经线和纬线由亲水性纤维组成，在所述的由经线和纬线交织的编织物或纺织物上，印制或涂覆有隔水涂层组成的疏水性微流体沟道壁，相邻的两道疏水性微流体沟道壁之间的亲水性纤维形成微流体沟道。

所述的印制可采用丝网漏版印刷的现有工艺方法。所述的隔水涂层包括油墨、树脂、油漆或高分子材料。

使用时，根据需要将上述织物剪裁成所需的形状，置于带有电子芯片的底板之上，将微流体沟道对准标定位置，将导电电极接入控制回路，即可进行试验检测

本发明的特点是材料成本低制造容易，兼容现有纺织生产工艺设备；使用方便，可以根据需要直接剪裁组合，方便实现微流体与微电子系统的连接集成。

附图说明

以下借助说明书附图，对本发明的具体实施例做如下披露，以期进一步公开本发明的细节，而不是对发明构思的限制性解释。

附图1是本发明的三维结构分解图；

附图2是中间微流控层平面图；

附图3是附图2中A-A横截面图；

附图4是附图2中B-B横截面图；

附图5多层微流控芯片结构分解图；

附图6是微流控上层平面图；

附图7是微流控下层平面图；

附图8是微流控双层组装图；

附图9是附图8中C-C处的横截面图；

附图10是本发明的电极连接结构示意图；

附图11是包含其他电子器件的系统集成示意图；

附图12是通过丝网印刷而成的微流体结构图；

附图13是实施例三的结构示意图。

图中：1-编织微流控系统、2-微流控层、3-封装层(可按需要选择是否封装)、4-经线、5-纬线、6-亲水部分、即微流体沟道(进样处)，7-疏水部分、即微流体沟道壁，9-亲水部分、即微流体沟道(出样处)，10-空白区域、即无功能区域，11-多层微流控上层、12-多层微流控下层、13-上层液体流道、14-下层液体流道、15-导电线、16-导电电极、17-电子器件或装置、18-模具或模板层(丝网漏板)、19-阻水(墨、涂料等)层、20-透水(墨、涂料等)层、21-印制成的疏水微流道壁、22-印制成的微流道、23-层间预埋导电电极、24-多层微流控中层。

具体实施方式

实施例一

参见附图1-4，该实施例微流体沟道仅为一层，上下可以直接裸露在外，或根据具体实现需求用其他编织材料(全疏水、全亲水，或根据具体需求局部定义亲疏水性)进行上下封装；封装材料也可以是其他常见基底材料(玻璃、硅基、塑料等)。此类编织微流体器件也可以利用表面涂层进行封装。封装涂层可以采用真空蒸镀法、磁控溅射，或旋涂、喷涂等溶液法。

实施例二

参见附图5-9，该实施例为两层叠加形成的多层结构，利用不同层间定义不同的微流沟道网络，可以实现三维微流体系统。

同样根据具体实现需求用其他编织材料(全疏水、全亲水，或根据具体需求局部定义亲疏水性)进行上下封装；封装材料也可以是其他常见基底材料(玻璃、硅基、塑料等)。此类编织微流体器件也可以利用表面涂层进行封装。封装涂层可以采用真空蒸镀法、磁控溅射，或旋涂、喷涂等溶液法。

以上实施例的附图2中，6-亲水部分图样不同，是显示不同方向的进样微流体沟道；9-亲水部分与6-亲水部分图样不同，是为了显示微流体出样沟道。它们的实质都是亲水的微流体沟道。

实施例三

参见附图13，一种微流控芯片横截面图，其特征是至少包含三层叠加在一起的由经线和纬线交织的编织物或纺织物构成，所述的经线和纬线由亲水性纤维组成，在所述的由经线和纬线交织的编织物或纺织物上，印制或涂覆有隔水涂层组成的疏水性微流体沟道壁，相邻的两道疏水性微流体沟道壁之间的亲水性纤维形成微流体沟道，相邻的层间微流体沟道组成立体的回转型微流体沟道。

基于本实施例的结构，导电电极可直接由金属丝敷设在层间。便于加工。

采用模具或模板层(丝网漏板)18，将阻水(墨、涂料等)层19印制在透水层20上、阻水层印制形成的疏水微流道壁21、透水层形成的微流道22、层间预埋导电电极23。

Claims

1.一种微流控芯片，其特征是至少包含一层由经线和纬线交织的编织物或纺织物构成，所述的经线和纬线，各由亲水性纤维和疏水性纤维组成，亲水性纤维形成微流体沟道，疏水性纤维形成微流体沟道壁。

2.根据权利要求1所述的流控芯片，其特征是所述的经线、纬线的亲水性纤维和疏水性纤维可以是整体的，也可以是部分的，还可以是间断性分布的。

3.根据权利要求1所述的流控芯片，其特征是所述的经线和纬线材料直径在0.1um–5mm之间；剖面为圆形、椭圆形、或其他多边形，包括实心及空心、单匝或多匝组成。

4.根据权利要求1所述的流控芯片，其特征是经线和纬线材料包括但不限制于：包含丝蛋白的生物丝、蜘蛛丝、蚕丝等，植物丝、棉纤维、麻纤维等，合成纤维、腈纶、尼龙、涤纶等，纸纤维、金属纤维、金属丝，化合物纤维、包含玻璃纤维等各种氧化物、氮化物等。

5.根据权利要求1所述的流控芯片，其特征是所述的经线、纬线还可以采用导电材料组成，由不相邻的两条经线或者纬线或者经纬混合搭接构成导电电极。

6.根据权利要求5所述的流控芯片，其特征是所述的导电材料为金属导电材质、非金属导电材料、化合物导电材料、有机物导电材料等，所述的导电电极连接微电子芯片构成检测和控制回路。

7.一种微流控芯片，其特征是至少包含一层由经线和纬线交织的编织物或纺织物构成，所述的经线和纬线由亲水性纤维组成，在所述的由经线和纬线交织的编织物或纺织物上，印制或涂覆有隔水涂层组成的疏水性微流体沟道壁，相邻的两道疏水性微流体沟道壁之间的亲水性纤维形成微流体沟道。

8.一种微流控芯片的制造工艺方法，其特征是由经线和纬线交织而成，所述的经线和纬线，各由亲水性纤维和疏水性纤维组成：

经线和纬线的亲疏水性，可以通过物理、化学、生物等方法进行修饰或改变，其包含但不限于物理方法：等离子体处理、热处理、电处理、微波等，改变纤维表面物理形态，或改变表面化学键；

化学方法：通过不同化学材料对纤维表面进行腐蚀处理；

生物方法通过在丝、线材料表面或内部修饰或填充不同属性的生物大分子，糖原等以达到改变材料亲疏水性；

9.根据权利要求8所述的微流控芯片的制造工艺方法，其特征是经线、纬线的性质的修饰和改变，可以在编织过程之前进行，也可以在形成纺织物微流体器件之后进行。

10.根据权利要求8所述的微流控芯片的制造工艺方法，其特征是经线、纬线的性质的修饰和改变，可以只针对少量或单根特定经线或纬线进行；也可以针对纺织物大面积区域进行，以实现不同功能。