CN109926112A - 三维微结构聚合物微流控芯片的叠层制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维微结构聚合物微流控芯片的叠层制造方法，将具有设计要求的三维微结构微流控芯片拆分叠层，不同叠层分开进行加工制造，利用键合工艺实现三维微结构聚合物微流控芯片的成型。本发明可以实现三维微结构微流控芯片的快速、可靠、高集成度成型，通过优化各步骤工艺，实现三维微结构微流控芯片的批量化制造，有效实现三维微结构微流控芯片的推广应用。

Description

三维微结构聚合物微流控芯片的叠层制造方法

技术领域

本发明涉及微流体操控技术领域，特别地，涉及一种三维微结构聚合物微流控芯片的叠层制造方法。

背景技术

微流控芯片可实现大型、多功能生化分析实验室的主要功能，凭借其微型化、低消耗、快速分析和自动化等优势，在疾病诊断、食品安全、疫情控制、环境监测等领域广泛应用。微流控芯片在结构上，需要形成封闭的微/纳通道，以实现混合、反应、分离等过程。现有微流控芯片微通道、微截面等特征多为二维结构(在芯片高度上截面形状不变或按线性比例缩小)。随着与微流控相关技术研究的不断发展，生化、医疗分析等行业的需求不断扩增，对微流控芯片的微通道结构提出了更高的要求，以往的二维结构已经难以满足一些新需求，需要三维微结构去实现更复杂的功能，如人体器官(心脏、肺、胃等)芯片研究。

在微流体应用中，材料的可加工性、表面性能、分子吸附性、光学性质和其它许多性质对于微流控芯片的成功应用及制造至关重要。聚合物材料应用于微流控芯片拥有众多优点：如成本低，透光性好(PMMA)，电绝缘性(PS)，疏水性(PDMS)等。聚合物微流控芯片可以通过简单的技术实现大量生产，例如压印、注射成型或PDMS浇铸等。诸如退火粘结键合、热压或等离子处理等易键合过程可以实现微流控芯片的有效键合。聚合物材料已广泛应用于微流控芯片的制造中。

中国专利CN101823686B发明了一种多层聚合物微流控芯片封合方法，证明了多层微流控芯片封合的可能性。该发明专利仅提出了多层芯片的封合方法，本发明提出的三维微结构微流控芯片制造方法，其制造流程包括模芯精密电铸、模具加工、微注塑、多层键合等，可用于小尺寸微结构或者微纳复合通道(同时拥有微通道和纳通道，微通道尺寸0-100μm，纳通道0-100nm)微流控芯片制造。中国专利CN105668505B发明了一种半导体材料上三维结构微通道的加工方法，为三维微结构微通道的加工提供了有效途径。然而该发明仅适用于加工硅或者III-V族半导体材料，本发明适用于热塑性材料的加工，相比于半导体材料，热塑性材料拥有价格低廉、适用范围广、生物兼容性好等多重优点。与现有飞秒激光和3D打印等加工方式相比，微结构可以拥有更高的尺寸精度。三维微结构微流控芯片与传统二维微结构微流控芯片相比，有更高的集成度，实现了材料的高效利用。二维芯片往往是盖片与基片键合而成，采用三维微结构的芯片省去了盖片，只成型拥有微结构特征部分的基片，缩短了工艺流程。

但是，传统的LIGA法、热压法等难以加工三维微结构微流控芯片，现有可用于聚合物材料的三维微结构的有效加工的制造方法相对较少。

发明内容

本发明目的在于提供一种三维微结构聚合物微流控芯片的叠层制造方法，以解决现有微流控芯片制造方法不适用于三维微结构等技术问题。

本发明提供了一种三维微结构聚合物微流控芯片的叠层制造方法，具体步骤如下：

(1)对具有三维微结构的微流控芯片，沿高度方向进行拆分叠层；

(2)加工模芯以及采用该模芯的成型模具，备用；

(3)利用步骤(2)所得模具，采用聚合物材料实现不同叠层成型；

(4)步骤(3)所得不同叠层键合得到所述三维微结构聚合物微流控芯片。

优选的，所述微流控芯片进行微结构设计时，应当考虑重力效应对所述芯片功能的影响，这是因为芯片在使用过程中，流体流动会在芯片高度处产生重力势差，微流体运动产生的体积力将不可忽略。例如设计三维叠层微流控芯片用于颗粒分离或是聚焦时，受重力影响，应考虑颗粒运动过程中的动能与势能转换，流体对颗粒的剪切升和通道壁面诱导的弹性升力做功与重力势能转换，以及弯曲产生的迪恩曳力影响，以便规划粒子运动路径来获取良好的聚焦或分离效果。

优选的，步骤(1)中，拆分叠层的具体方法是：不同叠层的编号从顶部到底部依次为：1～N，N为＞2的整数，若芯片总厚度为t，各叠层的厚底依次为t₁,t₂...t_N，t＝t₁+t₂+...+t_N，应当满足t_i≥t/2N，i＝1,2...N，以保证键合强度，避免芯片过度翘曲。

优选的，步骤(2)中，所述模芯的加工方法选自电铸成型、CNC精密雕刻或光刻法。

进一步优选的，电铸成型可实现0.5μm的加工精度；CNC精密雕刻可实现1μm的加工精度；模芯是复制、制造微通道的关键，模芯精度影响微结构的精度。

进一步优选的，电铸模芯材料为镍或镍钴合金；CNC精密雕刻模芯材料为黄铜；光刻法模芯材料为SU-8光刻胶。

优选的，步骤(3)中，所述聚合物材料选自聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、环烯烃共聚物(COC)、环烯烃聚合物(COP)、环状嵌段共聚物(CBC)、聚苯乙烯(PS)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)。其中，环状嵌段共聚物CBC具有极值结晶和超高透明度等优点，极佳的热氧化稳定性、优异的UV穿透率和耐受性、低吸水率和低密度等特性，适用于挤出、注塑和吹塑加工过程。

优选的，步骤(3)中采用方法A或方法B中的任一种实现成型：

方法A：根据拆分的芯片的不同叠层微结构特点，利用三维造型软件如Creo 4.0设计一模多腔注射模具，实现不同叠层的一体化成型；

方法B：根据不同叠层的复杂程度、对工艺参数(注射速度、保压压力、保压时间、模具温度和熔体温度等)的需求差别等特征，将不同叠层分别成型。

进一步优选的，方法A利用注塑机实现注塑成型，方法B利用超声微注射成型设备注射成型，或者采用PDMS浇筑成型。

优选的，步骤(4)中，所述键合选自热压键合、激光键合、机械键合或粘结键合中的任一种。各种键合方式可以实现的键合强度为：激光键合(键合强度为材料强度)、超声键合(键合强度约5MPa)、粘结键合(键合强度约2MPa)、热压键合(键合强度约0.5MPa)。

进一步优选的，热压键合的具体方法是：将不同叠层的接合表面利用氧等离子体处理，各个叠层依次对准拼接完整，100℃温度条件下，在上表面施加2MPa的压强载荷，保压200～240s，放置于室温冷却后完成芯片叠层的键合工艺。

进一步优选的，机械键合的具体方法是：在键合面设置孔、销结构辅助完成键合。

本发明具有以下有益效果：

本发明将具有设计要求的三维微结构微流控芯片拆分叠层，不同叠层分开进行加工制造，利用键合工艺实现三维微结构聚合物微流控芯片的成型。本发明具有三维微结构，可以更好的实现细胞分离、细胞富集、基因测序、蛋白质电泳等分析功能。三维微流控芯片不同层微结构之间存在高度落差，设计初可以考虑微结构中流动物质的重力对芯片应用过程所带来的影响，可满足更复杂的微流控芯片功能需求。

本发明可以实现三维微结构微流控芯片的快速、可靠、高集成度成型，通过优化各步骤工艺，实现三维微结构微流控芯片的批量化制造，有效实现三维微结构微流控芯片的推广应用。

本发明可以对所得芯片进行性能检测，包括：芯片键合强度检测(键合强度≥2MPa)、微通道变形检测(形貌良好，通道截面变形量≤10％)、使用性能测试(可以实现预期的使用及重复使用次数要求)等，若不满足检测要求，可以通过优化注塑成型工艺条件(模具温度、熔体温度、注射速率、保压压力和保压时间等)、修改结构设计(不影响使用要求的情况下，修改微通道结构)、修改拆分叠层方式(修改叠层厚度、叠层材料)、优化键合工艺(调整键合时间、键合温度和键合压力)等步骤来改善芯片质量。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明的总体工艺流程图；

图2为本发明的应用示例芯片结构图；

图3为本发明的芯片叠层拆分示意；

图4为本发明的带有销孔的芯片叠层示意图；

图5为本发明带有销孔结构键合完成的芯片；

图6为三维微结构微流控芯片与二维微结构微流控芯片对比图；

图7为本发明应用实例2中的三维微结构微流控芯片。

其中，1为拥有三维微结构的微流控芯片，2为溶液进口，3为溶液出口Ⅰ，4为溶液出口Ⅱ，5为叠层Ⅰ，5’为拥有销特征的叠层Ⅰ，6为叠层Ⅱ，6’为拥有销和孔特征的叠层Ⅱ，7为叠层Ⅲ，7’为拥有孔特征的叠层Ⅲ，8为键合面，9为键合销，10为键合孔，11为键合后的三维微结构微流控芯片，12为具有二维微结构的微流控芯片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本发明涉及的环状嵌段共聚物CBC，购自台湾聚合化学品股份有限公司。

图1是本发明的具体流程图。以图2～图7具有三维微结构的微流控芯片为例，芯片尺寸均为：厚度为3mm，宽度为30mm，长度为36mm，微通道直径为100μm。对本发明技术流程进行说明。

实施例1：

如图1所示，一种三维微结构聚合物微流控芯片的制造方法，具体步骤如下：

1.根据芯片的功能确定带有三维微结构的微流控芯片如图2所示。该芯片使用过程中可以实现三个坐标(x,y,z)方向的微流体流动。芯片拥有溶液进口2和溶液出口Ⅰ3、溶液出口Ⅱ4。对该具有三维微结构的微流控芯片进行结构分析，根据芯片不同z方向具有的x向流道平面数，对芯片进行叠层划分。该芯片被划分为三个叠层，划分后的叠层如图3所示，包含叠层Ⅰ5、叠层Ⅱ6和叠层Ⅲ7。拆分后的叠层如图3所示。叠层厚度与总厚度t之间存在关系t＝t₁+t₂+t₃。

2.芯片不同叠层采用分开制造的形式。对于叠层Ⅲ7材料选择，可以选择具有良好粘附性、疏水性的PDMS材料，采用PDMS倒模浇筑的形式制造。对于叠层Ⅰ5、叠层Ⅱ6可以选择透光性较好、荧光检测性好、具有良好生物相容性的COC材料进行制造。

3.注射成型模具设计：根据芯片结构特点、成型特性需求，设计相关模具。本实施例中模具设计一模一腔。

4.芯片成型模芯加工：芯片成型模芯加工可以采用电铸、CNC精密雕刻和光刻加工成型。各种模芯成型工艺可根据芯片结构特点、材料特性等进行加工。在本实施例中，叠层Ⅲ7采用PDMS材料，故其模芯可以采用光刻法加工。叠层Ⅰ5、叠层Ⅱ6采用COC聚合物材料，模芯采用电铸工艺加工，电铸模芯精度可以达到微米级。

5.不同叠层加工成型：COC材料的叠层Ⅰ5、叠层Ⅱ6采用微注射成型方式进行成型，工艺参数为：注射速度30cm³/s，保压压力100Mpa，保压时间3s，模具温度100℃，熔体温度270℃；叠层Ⅲ7根据制备好的SU-8光刻胶模芯，采用PDMS浇筑法浇筑成型，浇筑后在80℃加热板上加热2小时。

6.不同叠层键合：将不同叠层芯片键合面8进行键合。本实施例中，叠层Ⅱ6和叠层Ⅲ7先进行清洗，烘干，然后键合面之间采用等离子处理，再利用热压的方式进行键合。叠层Ⅰ5、叠层Ⅱ6键合面采用超声辅助键合工艺进行键合。

芯片之间的键合可采用具有一定15°锥度的键合销9、键合孔10微结构或采用直销/直孔辅助定位，减少键合过程中的对准难度，销和孔的配合采用间隙配合。具体如图4所示。

叠层Ⅰ5、叠层Ⅱ6、叠层Ⅲ7键合完成后，即可形成完整的具有三维微结构的微流控芯片。键合完成后的芯片如图5所示。图6为具有三维微结构的微流控芯片与二维微流控芯片的对比图，对比可知，三维微流控芯片拥有三个坐标方向的微结构特征，相对二维微结构芯片在三个坐标方向有更高的集成度，实现同等功能的前提下，三维微结构微流控芯片的尺寸更小。

实施例2：

制作一个PMMA材料的三维微结构微流控芯片如图7所示。采用电铸法制作不同叠层模芯，根据结构特点划分叠层如图7所示，划分为四个叠层，对不同叠层，利用超声微注塑工艺进行注塑成型。将注塑好的叠层，利用热压法或粘结键合的方式进行键合，形成完整的具有三维微结构的微流控芯片，如图7所示。

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 (9)

1.三维微结构聚合物微流控芯片的叠层制造方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)对具有三维微结构的微流控芯片，沿高度方向进行拆分叠层；

(2)加工模芯以及采用该模芯的成型模具，备用；

(3)利用步骤(2)所得模具，采用聚合物材料实现不同叠层成型；

(4)步骤(3)所得不同叠层键合得到所述三维微结构聚合物微流控芯片。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤(1)中，拆分叠层的具体方法是：不同叠层的编号从顶部到底部依次为：1～N，N为＞2的整数，若芯片总厚度为t，各叠层的厚底依次为t₁,t₂...t_N，t＝t₁+t₂+...+t_N，应当满足t_i≥t/2N，i＝1,2...N。

3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤(2)中，所述模芯的加工方法选自电铸成型、CNC精密雕刻或光刻法。

4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，电铸成型可实现0.5μm的加工精度；CNC精密雕刻可实现1μm的加工精度。

5.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，电铸模芯材料为镍或镍钴合金；CNC精密雕刻模芯材料为黄铜；光刻法模芯材料为SU-8光刻胶。

6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤(3)中，所述聚合物材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚丙烯、环烯烃共聚物、环烯烃聚合物、环状嵌段共聚物、聚苯乙烯或聚二甲基硅氧烷。

7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤(3)中采用方法A或方法B中的任一种实现成型：

方法A：根据拆分的芯片的不同叠层结构，设计一模多腔注射模具，实现不同叠层的一体化成型；

方法B：根据不同叠层的复杂程度、对工艺参数的需求差别特征，将不同叠层分别成型。

8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，方法A利用注塑机实现注塑成型，方法B利用超声微注射成型设备注射成型，或者采用PDMS浇筑成型。

9.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤(4)中，所述键合选自热压键合、激光键合、机械键合或粘结键合中的任一种。