CN109847817B - 一种微流控芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种微流控芯片，包括：盖板(1)，盖板(1)上设置有进液孔(3)、出液孔(4)和微电极阵列(5)，微电极阵列(5)设置在进液孔(3)和出液孔(4)之间，并且，微电极阵列(5)包括电极对(6)、传输线(7)和输入电极(8)，输入电极(8)经传输线(7)与电极对(6)相连；基板(2)，基板(2)上设置有微流道通道(9)、第一对准孔(10)和第二对准孔(11)；其中：盖板(1)与基板(2)键合时，进液孔(3)与第一对准孔(10)对准，出液孔(4)与第二对准孔(11)对准，微电极阵列(5)与微流道通道(9)对准。本公开还提供了一种微流控芯片的制备方法。

Description

一种微流控芯片及其制备方法

技术领域

本公开涉及MEMS制造及工程领域，具体地，涉及一种微流控芯片及其制备方法。

背景技术

微流控芯片是微机电加工技术(MEMS)的典型应用，在硅、石英、玻璃或高分子聚合物等基础材料上加工出微管道、微阀、微泵、微反应器、电极等功能单元，以实现生物或者化学领域所涉及的样品纯化、反应、萃取、分离、检测等一系列功能。

微流控芯片以微尺寸效应为基础，以微管道网络为基本特征，以微流体为核心。对微流体而言，相对于宏观结构，微米尺度上的惯性力影响减小，粘性力影响增大，层流特点明显，传质过程以扩散为主，并且毛细管作用增强，从而导致微流体在微流道中的运动难度增大，以及对其捕获的难度增大，因此，有必要设计一种能够加速微流体流动和对其中粒子进行高效捕获的结构。

利用微型电极结构及交流电场操控与驱动流体是微流控芯片的研究热点之一，其具有寿命长、结构紧凑、能耗低、易于加工和集成等优点。交流电动驱动包含交流电渗与交流电热，交流电渗由振荡的外加电场与电极表面扩散双层中诱导电荷互动所驱动的连续微观流；交流电热依靠电场与非均匀温度场相互作用而诱导出空间自由电荷，并施加交流电热体积力从而驱动流体体积的有效运动。本发明通过将微流道结构与交流电渗和交流电热相结合，控制微流体在流道中的流动，并对微流体中粒子进行高效捕获。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种微流控芯片及其制备方法，至少解决以上技术问题。

(二)技术方案

本公开提供了一种微流控芯片，包括：盖板，所述盖板上设置有进液孔、出液孔和微电极阵列，所述微电极阵列设置在所述进液孔和出液孔之间，并且，所述微电极阵列包括电极对、传输线和输入电极，所述输入电极经所述传输线与所述电极对相连；基板，所述基板上设置有微流道通道、第一对准孔和第二对准孔；；其中：所述盖板与所述基板键合时，所述进液孔与所述第一对准孔对准，所述出液孔与所述第二对准孔对准，所述微电极阵列与所述微流道通道对准。

可选地，所述进液孔连接至注射装置，所述注射装置中的微流体经所述进液孔流入所述微流道通道。

可选地，所述微流道通道与所述微流体接触的表面为平滑表面。

可选地，所述电极对的形状为条状、圆弧状或门状。

可选地，所述电极对的数量为一个及以上。

可选地，所述电极对的尺寸不小于2μm。

可选地，所述电极对为对称结构或非对称结构。

可选地，所述微电极阵列的宽度大于所述微流道通道的宽度。

本公开另一方面还提供了一种微流控芯片的制备方法，包括：步骤1：清洗盖板，在所述盖板上制备微电极阵列，并标记进液孔和出液孔的打孔位置；步骤2：根据所述打孔位置在所述盖板上制备所述进液孔和出液孔；步骤3：在硅基片上制备基板的模具，在所述模具上脱模制备所述基板，其中，所述基板包括微流道通道、第一对准孔和第二对准孔；步骤4：将所述盖板与所述基板进行对准键合，形成微流控芯片。

可选地，所述盖板为玻璃基片或PMMA基片。

(三)有益效果

本公开提供的微流控芯片及其制备方法，具有以下有益效果：

(1)解决了微流体在微流道中的流速和流向难以控制的问题，同时实现了微流体内所含生物分子的定向移动、聚集、吸附等行为的控制，其可用作微泵、微混合器等；

(2)采用常规微纳加工工艺制备微流控芯片，其工艺方法简单，适合批量生产，并且其参数可调、操作方便、精确度高，具有广泛的适用性和良好的扩展性。

附图说明

图1示意性示出了本公开实施例提供的微流控芯片的结构示意图。

图2示意性示出了本公开实施例提供的微流控芯片的电极对的结构示意图。

图3示意性示出了本公开实施例提供的微流控芯片的制备方法的流程图。

图4(a)-4(g)示意性示出了本公开实施例提供的微流控芯片的制作工艺流程。

附图标记说明：

1-盖板；2-基板；3-进液孔；4-出液孔；5-微电极阵列；6-电极对；7-传输线；8-输入电极；9-微流道通道；10-第一对准孔；11-第二对准孔；12-微流道模具；13-微流控芯片。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以有许多不同形式实现，而不应被解释为限于此处所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

图1示意性示出了本公开实施例提供的微流控芯片的结构示意图。图2示意性示出了本公开实施例提供的微流控芯片的电极对的结构示意图。结合图2，对图1所述结构进行详细说明。

从图1中可以看出，该微流控芯片包括：盖板1，并且盖板1上设置有进液孔3、出液孔4和微电极阵列5，微电极阵列5设置在进液孔3和出液孔4之间；基板2，并且基板2上设置有微流道通道9、第一对准孔10和第二对准孔11，盖板1与基板2键合以形成微流控芯片。

本实施例中，盖板1选用玻璃板作为衬底，玻璃板具有良好的透光性，并且易于键合。此外，盖板1也可以选用其他透明硬质基片作为衬底。

进液孔3，用于将反应液注入微流控芯片。出液孔4，用于排出反应后的液体。具体地，进液孔3与注射装置连接，注射装置中的微流体经进液孔3流入微流道通道9；微流道通道9中反应后的微流体经出液孔4排出。

微电极阵列5包括电极对6、传输线7和输入电极8，输入电极8经传输线7与电极对6相连。外部的交流信号施加至输入电极8，并经传输线7传输至电极对6，电极对6在交流信号作用下产生交变电场，该交变电场在微流道通道9内产生交流电渗和交流电热效应，作用于微流道通道9内的微流体，驱动微流道通道9内的微流体向特定方向流动，从而控制微流体内所含粒子的定向移动、聚集、吸附等行为。

参见附图2，针对电极对6，其结构为对称结构或非对称结构；其形状为条状、圆弧状或门状等；其数量为一个及以上，即电极对6可以是一组电极对，也可以是多组电极对组成的电极对阵列；根据本实施例工艺所能达到的精度，其尺寸不小于2μm，优选地，在几微米到几百微米之间，可根据实际需求对电极对6的尺寸进行设计。电极对6的尺寸是指电极对6中单个电极的宽度。电极对6可根据实际需求分布在微流道通道9正对区域的任意位置。

微电极阵列5的宽度W1大于微流道通道9的宽度W2，以保证微流体在微流道通道9中处于交流电渗和交流电热效应的有效区，并为加工以及二者之间的对准预留一定误差。

微流道通道9与微流体接触的表面为平滑表面，以避免微流体在进入微流道通道9时形成漩涡，进而影响微流体的流动，从而形成粒子团聚吸附。

当盖板1与基板2键合以形成微流控芯片时，进液孔3与第一对准孔10对准，出液孔4与第二对准孔11对准，微电极阵列5与微流道通道9对准。其中，微电极阵列5与微流道通道9精确对准，以保证微流体位于微流道通道9内交流电渗与交流电热的有效区。本实施例中，基板2与盖板1键合形成的微流控芯片具有良好的密封性。

图3示意性示出了本公开实施例提供的微流控芯片的制备方法的流程图。图4(a)-4(g)示意性示出了本公开实施例提供的微流控芯片的制作工艺流程。结合图4(a)-4(g)，对图3所述制备方法进行详细说明。如图3所示，该方法包括以下步骤：

步骤1：清洗盖板1，在盖板1上制备微电极阵列5，并标记进液孔3和出液孔4的打孔位置。盖板1选用玻璃基片或PMMA基片等透明硬质基片。

具体地，首先，选用玻璃片作为盖板1的衬底，这是由于玻璃衬底具有良好的透光性和生物可兼容性，可以良好地应用于微流控芯片系统，如图4(a)所示。然后，根据微电极阵列5的图形形状，依次采用物理气相沉积、光刻、刻蚀或光刻、物理气相沉积、剥离工艺，实现微电极阵列5的制备，并标记进液孔3和出液孔4的打孔位置的对准标志，如图4(b)所示。

步骤2：根据打孔位置在盖板1上制备进液孔3和出液孔4。

具体地，采用激光打孔技术，在盖板1上的进液孔3和出液孔4的打孔位置处进行打孔，在盖板1上形成进液孔3和出液孔4，如图4(c)所示。

步骤3：在硅基片上制备基板2的模具，在模具上脱模制备基板2，其中，基板2包括微流道通道9、第一对准孔10和第二对准孔11。

由于硅基片具有成熟的加工工艺，可靠性高且可重复利用，因此选用硅基片来制备基板2的模具。

具体地，首先，清洗硅片，利用光刻、刻蚀技术，在硅片上制备形成微流道模具结构12，如图4(d)和4(e)所示。其次，将聚二甲基硅氧烷(PDMS)和固化剂混合后搅拌均匀，去气泡后均匀悬涂在已经图形化的硅基基板微流道模具12上。然后，将已均匀覆盖PDMS溶液的硅基基板微流道模具12放入烘箱进行固化，取出后脱模，得到基板2，如图4(f)所示。

步骤4：将盖板1与基板2进行对准键合，形成微流控芯片13，如图4(g)所示。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

以上所述的具体实施例，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例而已，并不用于限制本发明，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 (8)

1.一种微流控芯片，包括：

盖板(1)，所述盖板(1)上设置有进液孔(3)、出液孔(4)和微电极阵列(5)，所述微电极阵列(5)设置在所述进液孔(3)和出液孔(4)之间，并且，所述微电极阵列(5)包括电极对(6)、传输线(7)和输入电极(8)，所述输入电极(8)经所述传输线(7)与所述电极对(6)相连，所述输入电极(8)用于接收外部的交流信号，其中，所述电极对(6)为对称结构或非对称结构；

基板(2)，所述基板(2)上设置有微流道通道(9)、第一对准孔(10)和第二对准孔(11)，所述微流道通道(9)的宽度小于所述微电极阵列(5)的宽度；其中：

所述盖板(1)与所述基板(2)键合时，所述进液孔(3)与所述第一对准孔(10)对准，所述出液孔(4)与所述第二对准孔(11)对准，所述微电极阵列(5)与所述微流道通道(9)对准。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其中，所述进液孔(3)连接至注射装置，所述注射装置中的微流体经所述进液孔(3)流入所述微流道通道(9)。

3.根据权利要求2所述的微流控芯片，其中，所述微流道通道(9)与所述微流体接触的表面为平滑表面。

4.根据权利要求1所述的微流控芯片，其中，所述电极对(6)的形状为条状、圆弧状或门状。

5.根据权利要求1所述的微流控芯片，其中，所述电极对(6)的数量为一个及以上。

6.根据权利要求1所述的微流控芯片，其中，所述电极对(6)的尺寸不小于2μm。

7.一种微流控芯片的制备方法，包括：

步骤1：清洗盖板(1)，在所述盖板(1)上制备微电极阵列(5)，并标记进液孔(3)和出液孔(4)的打孔位置，所述微电极阵列(5)位于所述进液孔(3)和出液孔(4)之间，所述微电极阵列(5)中输入有外部的交流信号，其中，所述微电极阵列(5)包括对称或非对称结构的电极对(6)；

步骤2：根据所述打孔位置在所述盖板(1)上制备所述进液孔(3)和出液孔(4)；

步骤3：在硅基片上制备基板(2)的模具，在所述模具上脱模制备所述基板(2)，其中，所述基板(2)包括微流道通道(9)、第一对准孔(10)和第二对准孔(11)，所述微流道通道(9)的宽度小于所述微电极阵列(5)的宽度；

步骤4：将所述盖板(1)与所述基板(2)进行对准键合，使得所述进液孔(3)与所述第一对准孔(10)对准，所述出液孔(4)与所述第二对准孔(11)对准，所述微电极阵列(5)与所述微流道通道(9)对准，以形成微流控芯片。

8.根据权利要求7所述的微流控芯片的制备方法，其中，所述盖板(1)为玻璃基片或PMMA基片。

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