CN110407161A - 一种基于共形键合工艺的软式曲面微流控器件制造方法 - Google Patents

一种基于共形键合工艺的软式曲面微流控器件制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于微纳制造领域，公开了一种基于共形键合工艺的软式曲面微流控器件制造方法，包括以下步骤：(1)带微通道图案的环氧树脂曲面微通道模板的制备；(2)准备光滑的曲面微通道模板；(3)基于两个环氧树脂曲面微通道模板浇铸成型曲面带微通道图案硅橡胶薄膜；(4)在钢质或铝质凸模表面涂覆液态硅橡胶，加热固化形成曲面光滑硅橡胶薄膜；(5)对两个硅橡胶薄膜进行电晕处理，贴合加热形成不可逆键合，得到具有目标微通道的微流控器件。本发明可以制备出软式的曲面微流体器件，比如微流体隐形眼镜，其中制备出的曲面的环氧树脂微通道模板可多次重复利用，方法简单、高效，可应用于顺形穿戴式微流体器件的制备。

Description

一种基于共形键合工艺的软式曲面微流控器件制造方法
技术领域
本发明属于微纳制造领域，更具体地，涉及一种基于共形键合工艺的软式曲面微流控器件制造方法，该方法可制备出曲面柔软的微流控器件，有望用于生命医学中的健康诊断领域，特别是以隐形眼镜为主的眼科健康诊断领域。
背景技术
近年来穿戴式微流体技术正处于飞速研究发展阶段，目前的穿戴式微流体器件都是平面工艺加工出来，具有一定的柔性，贴于手指、手腕、肩膀、脚底等部位实现相应区域力学(拉、压、弯曲)、化学(汗液、血糖)的传感以及给药(胰岛素)等等。然而目前关于眼部角膜、心脏、肾脏等特殊、脆弱、敏感的三维曲面区域，平面式微流体器件都无法应用，这些区域需要顺应其轮廓才适于器官穿戴。为此要研究软式曲面微流控器件制造方法。
发明内容
针对现有平面式微流体器件无法顺应形状应用于眼部角膜、心脏、肾脏等复杂曲面的问题，本发明的目的在于提供一种基于共形键合工艺的软式曲面微流控器件制造方法，通过对制造方法整体流程工艺进行设计，采用硅烷偶联辅助键合、热塑成型、曲面倒模的工艺制备出曲面含微通道图案的软质硅橡胶薄膜，之后通过共形键合工艺与曲面钢球表面薄膜进行曲面共形键合，之后剥离制备出所需软式曲面微流控器件，微流控器件内的微通道可满足预设要求。本发明可以制备出软式的曲面微流体器件，比如微流体隐形眼镜，其中制备出的曲面的环氧树脂微通道模板可多次重复利用，方法简单、高效，本发明为在生命体上应用的顺形穿戴式微流体器件提供帮助。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于共形键合工艺的软式曲面微流控器件制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)带微通道图案的环氧树脂曲面微通道模板的制备：
(1-1)以软质PDMS材料为对象，基于软光刻工艺制备出图案化的软质PDMS薄膜，得到一个表面含有图案、且另一个表面不含图案的PDMS薄膜，该图案对应于目标的微流控器件的微通道；
以硬质热塑性塑料材料为对象，对硬质热塑性塑料表面先进行电晕处理产生羟基，之后在APTES溶液水浴处理以硅烷化，使硅烷基接枝于硬质塑料表面；
将PDMS薄膜不含图案的表面、硅烷化处理后的硬质塑料两者进行电晕处理改性，然后将两者贴合并加热形成不可逆键合，形成平面状的软硬式结构微图案组件；
(1-2)将所述步骤(1-1)形成的平面状的软硬式结构微图案组件置于热板中加热软化，随后将软化的组件置于阴模上，通过镜面钢质或铝质凸模冲压、真空压力吸附或高压处理，将平面状的软硬式结构微图案组件热塑成型成三维曲面状的微图案组件；
(1-3)将所述步骤(1-2)得到的三维曲面状的微图案组件贴于孔型夹具上，接着再将双组分环氧树脂AB胶以3:1的质量比混合，浇铸于所述孔型夹具中，倒模出所述三维曲面状的微图案组件的图形；待环氧树脂固化后，脱模所述三维曲面状的微图案组件，即可制备得到具有三维曲面表面、且带微通道图案的环氧树脂曲面微通道模板；
(2)准备光滑的曲面微通道模板，该光滑的曲面微通道模板具体为光滑的钢质曲面微通道模板、或光滑的铝质曲面微通道模板、或光滑的环氧树脂曲面微通道模板；其中，所述光滑的环氧树脂曲面微通道模板的制备包括以下子步骤：
(2-1)制作软质PDMS薄膜，得到表面均不含图案的PDMS薄膜；
对于硬质热塑性塑料材料，对硬质热塑性塑料表面先进行电晕处理产生羟基，之后在APTES溶液水浴处理以硅烷化，使硅烷基接枝于硬质塑料表面；
将PDMS薄膜、硅烷化处理后的硬质塑料两者进行电晕处理改性，然后将两者贴合并加热形成不可逆键合，形成平面状的软硬式结构光滑组件；
(2-2)将所述步骤(2-1)形成的平面状的软硬式结构光滑组件置于热板中加热软化，随后将软化的组件置于阴模上，通过镜面钢质或铝质凸模冲压、真空压力吸附或高压处理，将平面状的软硬式结构光滑组件热塑成型成三维曲面状的光滑组件；
(2-3)将所述步骤(2-2)得到的三维曲面状的光滑组件贴于孔型夹具上，接着再将双组分环氧树脂AB胶以3:1的质量比混合，浇铸于所述孔型夹具中，倒模出所述三维曲面状的光滑组件的光滑表面；待环氧树脂固化后，脱模所述三维曲面状的光滑组件，即可制备得到具有三维曲面表面、且光滑的环氧树脂曲面微通道模板；
(3)基于所述步骤(1)得到的所述带微通道图案的环氧树脂曲面微通道模板，与所述步骤(2)中的所述光滑的曲面微通道模板，采用浇铸成型的方式倒模制备出具有两个三维曲面表面、且一个表面带有微通道图案同时另一个表面光滑的软式的曲面带微通道图案硅橡胶薄膜；
(4)在钢质或铝质凸模表面涂覆液态硅橡胶，加热固化在该钢质或铝质凸模上直接形成具有两个三维曲面表面、且这两个表面均光滑的软式的曲面光滑硅橡胶薄膜；
(5)对所述步骤(3)得到的所述曲面带微通道图案硅橡胶薄膜中带有微通道图案的表面、以及所述步骤(4)得到的所述曲面光滑硅橡胶薄膜中未与所述钢质或铝质凸模直接接触的表面，两者进行电晕处理，然后将这两个表面曲面贴合并于80℃下加热20min形成不可逆键合得到具有目标微通道的微流控器件；接着，将键合得到的整体器件从所述钢质或铝质凸模表面剥离即可得到软式的曲面微流控器件。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(1-1)中，所述图案化的软质PDMS薄膜，其厚度为0.4-1mm，其中的图案对应宽度为20-700um、高度为10-200um的微通道。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(1-1)和所述步骤(2-1)中，所述硬质热塑性塑料材料为PET、PMMA或PC，厚度为150-400um。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(1-1)和所述步骤(2-1)中，对所述硬质热塑性塑料表面进行电晕处理，电晕处理的时间为30-100s；
所述在APTES溶液水浴处理以硅烷化具体均是在质量百分浓度为5％的APTES溶液中进行80℃水浴加热20min；
所述不可逆键合均是在80℃下加热20min形成不可逆键合。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(1-2)和所述步骤(2-2)中，所述镜面钢质或铝质凸模均为镜面钢球凸模或镜面铝球凸模，所述镜面钢球凸模或所述镜面铝球凸模的半径为6-30mm；
利用所述镜面钢球凸模或所述镜面铝球凸模冲压形成的三维曲面状的组件，组件的内曲面与所述镜面钢球凸模或所述镜面铝球凸模具有同样的曲率；所述阴模的内径小于所述镜面钢球凸模或所述镜面铝球凸模的直径。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(1-3)和所述步骤(2-3)中，所述固化均是在20℃～30℃下静置不超过24小时。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(3)中，所述浇铸成型的方式倒模制备曲面带微通道图案硅橡胶薄膜，具体是采用液体硅橡胶为原料，然后加热固化制备得到的；所述曲面带微通道图案硅橡胶薄膜的厚度为200-400um；优选的，所述液体硅橡胶为PDMS或Ecoflex。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(4)中，涂覆的液态硅橡胶的厚度为50-300um。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(5)中，所述剥离前，是先将键合得到的整体器件切割成所需尺寸，再从所述钢质或铝质凸模表面剥离的。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于对制造方法整体流程工艺进行设计，采用硅烷偶联辅助键合、热塑成型、曲面倒模的工艺制备出曲面含微通道图案的软质硅橡胶薄膜，之后通过共形键合工艺与曲面钢球表面薄膜进行曲面共形键合，之后剥离制备出所需软式曲面微流控器件，微流控器件内的微通道可满足预设要求。
本发明通过先制备带微通道图案的环氧树脂曲面微通道模板，再准备光滑的曲面微通道模板与之配合，利用浇铸成型的方式倒模制备出具有两个三维曲面表面、且一个表面带有微通道图案同时另一个表面光滑的软式的曲面带微通道图案硅橡胶薄膜。光滑的曲面微通道模板尤其可以利用特定子步骤自行制备，可灵活根据实际需求调整光滑曲面的三维曲面形状，得到相应的光滑环氧树脂曲面微通道模板，普适性好。
本发明制备出软式的曲面微流体器件，微流体器件的内部设置有尺寸及形状满足预先设计要求的微通道(包括微通道的分布形状；截面的宽、高尺寸等)，可与曲面结构共形贴合穿戴，具备极高的柔性、舒适性，同时制备出的器件可未来用于生命医学的穿戴式健康诊断领域，特别是制造隐形眼镜用于眼科的健康诊疗领域。以制造隐形眼镜为例，该方法能制备软式的微流体隐形眼镜，隐形眼镜高度柔软舒适，技术新颖，适用于眼科给药、眼压传感、眼科疾病诊断应用。
附图说明
图1是针对曲面微通道图案的硅橡胶薄膜通道为内凹式，本发明中基于软光刻和硅烷化处理工艺制备出平面的软硬式结构微图案组件流程图。
图2是针对曲面微通道图案的硅橡胶薄膜通道为内凹式，本发明中通过镜面钢球凸模冲压将平面的微图案组件热塑成型成三维曲面的微图案组件流程图。
图3是针对曲面微通道图案的硅橡胶薄膜通道为内凹式，本发明中脱模曲面的微图案组件，制备出曲面的环氧树脂微通道模板流程图。
图4是针对曲面微通道图案的硅橡胶薄膜通道为内凹式，本发明中基于曲面的环氧树脂微通道模板以及球面凹模，采用浇铸成型的方式倒模制备出软质的曲面微通道图案硅橡胶薄膜流程图。
图5是针对曲面微通道图案的硅橡胶薄膜通道为内凹式，本发明中带微通道图案的硅橡胶薄膜以及硅橡胶薄膜电晕处理，加热形成不可逆键合，制备出软式的曲面微流控器件的流程图。
图6是针对曲面微通道图案的硅橡胶薄膜通道为外凸式，本发明制备软式的曲面微流控器件的流程示意图。
图中各附图标记的含义如下：1为软质PDMS薄膜，2为微通道图案模板，3为硬质热塑性塑料PET，4为镜面钢球凸模，5为阴模，6为耐高温透明环氧树脂，7为孔型夹具，8为硅橡胶，9为硅橡胶薄膜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施如图1-5所示的软式曲面微流控器件制造方法，该传感器整体呈现为柔性传感器，可用于眼部角膜、心脏、肾脏等特殊、脆弱、敏感的三维曲面区域的测量等；该制备方法的流程包括平面的软硬式结构微图案组件制造，热塑成型制备出三维曲面的微图案组件，倒模制备出环氧树脂曲面微通道模板，软质的曲面微通道图案硅橡胶薄膜倒模制作，曲面共形键合以及之后的剪裁、剥离制备出软式的曲面微流控器件。
基于共形键合工艺的软式曲面微流控器件制造方法，具体包括以下A1-A5步骤：
如图1所示，A1步骤具体可以是：i)基于软光刻工艺制备出图案化的软质PDMS薄膜，ii)硬质热塑性塑料表面先进行电晕即氧气等离子体处理产生羟基，之后在5％APTES溶液中80℃水加热20min接枝硅烷基于硬质塑料表面，iii)将PDMS薄膜不含图案的一面与硅烷化处理的硬质塑料进行电晕处理改性，之后贴合并于80℃下加热20min形成不可逆键合，形成平面的软硬式结构微图案组件；
如图2所示，A2步骤具体可以是：将图1中制备出来的平面软硬式结构组件至于热板中加热软化，随后将软化的器件置于阴模上，通过镜面钢球凸模冲压方式将平面的微图案组件热塑成型成三维曲面的微图案组件；
如图1、图2所示的A1、A2步骤中的传感器的硬质柔性基底3可采用PET、PMMA、PC材料，厚度为150-400um，软光刻所制备的硅橡胶薄膜厚度0.4-1mm。基于的软光刻工艺制备图案化的软质PDMS等薄膜，例如可通过光刻、倒模制备。
如图3所示A3步骤具体可以是：i)将热塑成型的曲面微图案组件贴于孔型夹具上，ii)将双组分耐高温透明环氧树脂AB胶以3:1质量比例混合，之后浇铸于孔型夹具中，脱除气泡，iii)将环氧树脂胶于室温24h内静置固化，之后脱模曲面的微图案组件，制备出曲面的环氧树脂微通道模板；
如图4所示A4步骤具体可以是：基于曲面的环氧树脂微通道模板以及球面凹模，采用浇铸成型固化的的方式倒模制备出软质的曲面微通道图案硅橡胶薄膜，其中球面凹模(即，光滑的环氧树脂曲面微通道模板)可以基于没有图案的PDMS薄膜采用A1-A3的步骤进行倒模所制造；
如图5所示A5步骤具体可以是，i)在钢球凸模表面涂覆液态硅橡胶，加热固化形成薄膜，薄膜厚度50-200um,ii)将曲面带微通道图案的硅橡胶薄膜以及钢球凸模表面的硅橡胶薄膜进行电晕处理，之后将两者曲面贴合并于80℃下加热20min形成不可逆键合，将键合后的整体器件剪裁边缘并从钢球凸模表面剥离制备出软式的曲面微流控器件。
如图1、5所示A1、A5步骤中的表面处理产生羟基步骤，采用电晕处理时间为30-100s，采用氧气离子体处理参数为20-60s,功率200w，氧气流量50-100sccm，压力10-20Pa。
图6是本发明制备出软式的曲面微流控器件的流程图的另一种方式，区别图1-5所示流程图的是其中曲面微通道图案的硅橡胶薄膜通道为外凸式。
内凹式与外凸式制备过程大同小异，也可以有A1至A5几个步骤，区别仅在于，对于内凹式，步骤A4所述制成的球面凹模，其球径较钢球凸模球径略大；而对于外凸式，步骤A4所述制成的球面凸模，其球径较钢球凸模球径略小。
上述实施例及附图1－6，仅以球形为例，如镜面钢球凸模，适用于眼部角膜曲面；根据实际需要，也可以采用其他形状(如锥形、椭球形等)，从而对应心脏、肾脏等复杂曲面。只要灵活调整目标微通道设计(包括微通道的分布形状；截面的宽、高尺寸等)，利用该制备方法即可得到相应目标器件。除了上述基于没有图案的PDMS薄膜采用A1-A3步骤自行制备光滑的环氧树脂曲面微通道模板外，还可以采用市售的钢质或铝质凹模(如球形凹模、或锥形椭球型凹模等)，只要该凹模能够与带微通道图案的环氧树脂曲面微通道模板配合形成期望的具有两个三维曲面表面、且一个表面带有微通道图案同时另一个表面光滑的软式的曲面带微通道图案硅橡胶薄膜即可。
环氧树脂AB胶可采用市售商品，具有耐高温透明的特点；其固化亦可采用现有技术的常规操作，例如将环氧树脂胶于室温24h内静置固化等。本发明所使用的孔型夹具，也是现有技术中常使用的夹具，同样也可以直接采用市售商品。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于共形键合工艺的软式曲面微流控器件制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)带微通道图案的环氧树脂曲面微通道模板的制备：
(1-1)以软质PDMS材料为对象，基于软光刻工艺制备出图案化的软质PDMS薄膜，得到一个表面含有图案、且另一个表面不含图案的PDMS薄膜，该图案对应于目标的微流控器件的微通道；
以硬质热塑性塑料材料为对象，对硬质热塑性塑料表面先进行电晕处理产生羟基，之后在APTES溶液水浴处理以硅烷化，使硅烷基接枝于硬质塑料表面；
将PDMS薄膜不含图案的表面、硅烷化处理后的硬质塑料两者进行电晕处理改性，然后将两者贴合并加热形成不可逆键合，形成平面状的软硬式结构微图案组件；
(1-2)将所述步骤(1-1)形成的平面状的软硬式结构微图案组件置于热板中加热软化，随后将软化的组件置于阴模上，通过镜面钢质或铝质凸模冲压、真空压力吸附或高压处理，将平面状的软硬式结构微图案组件热塑成型成三维曲面状的微图案组件；
(1-3)将所述步骤(1-2)得到的三维曲面状的微图案组件贴于孔型夹具上，接着再将双组分环氧树脂AB胶以3:1的质量比混合，浇铸于所述孔型夹具中，倒模出所述三维曲面状的微图案组件的图形；待环氧树脂固化后，脱模所述三维曲面状的微图案组件，即可制备得到具有三维曲面表面、且带微通道图案的环氧树脂曲面微通道模板；
(2)准备光滑的曲面微通道模板，该光滑的曲面微通道模板具体为光滑的钢质曲面微通道模板、或光滑的铝质曲面微通道模板、或光滑的环氧树脂曲面微通道模板；其中，所述光滑的环氧树脂曲面微通道模板的制备包括以下子步骤：
(2-1)制作软质PDMS薄膜，得到表面均不含图案的PDMS薄膜；
对于硬质热塑性塑料材料，对硬质热塑性塑料表面先进行电晕处理产生羟基，之后在APTES溶液水浴处理以硅烷化，使硅烷基接枝于硬质塑料表面；
将PDMS薄膜、硅烷化处理后的硬质塑料两者进行电晕处理改性，然后将两者贴合并加热形成不可逆键合，形成平面状的软硬式结构光滑组件；
(2-2)将所述步骤(2-1)形成的平面状的软硬式结构光滑组件置于热板中加热软化，随后将软化的组件置于阴模上，通过镜面钢质或铝质凸模冲压、真空压力吸附或高压处理，将平面状的软硬式结构光滑组件热塑成型成三维曲面状的光滑组件；
(2-3)将所述步骤(2-2)得到的三维曲面状的光滑组件贴于孔型夹具上，接着再将双组分环氧树脂AB胶以3:1的质量比混合，浇铸于所述孔型夹具中，倒模出所述三维曲面状的光滑组件的光滑表面；待环氧树脂固化后，脱模所述三维曲面状的光滑组件，即可制备得到具有三维曲面表面、且光滑的环氧树脂曲面微通道模板；
(3)基于所述步骤(1)得到的所述带微通道图案的环氧树脂曲面微通道模板，与所述步骤(2)中的所述光滑的曲面微通道模板，采用浇铸成型的方式倒模制备出具有两个三维曲面表面、且一个表面带有微通道图案同时另一个表面光滑的软式的曲面带微通道图案硅橡胶薄膜；
(4)在钢质或铝质凸模表面涂覆液态硅橡胶，加热固化在该钢质或铝质凸模上直接形成具有两个三维曲面表面、且这两个表面均光滑的软式的曲面光滑硅橡胶薄膜；
(5)对所述步骤(3)得到的所述曲面带微通道图案硅橡胶薄膜中带有微通道图案的表面、以及所述步骤(4)得到的所述曲面光滑硅橡胶薄膜中未与所述钢质或铝质凸模直接接触的表面，两者进行电晕处理，然后将这两个表面曲面贴合并于80℃下加热20min形成不可逆键合得到具有目标微通道的微流控器件；接着，将键合得到的整体器件从所述钢质或铝质凸模表面剥离即可得到软式的曲面微流控器件。
2.如权利要求1所述基于共形键合工艺的软式曲面微流控器件制造方法，其特征在于，所述步骤(1-1)中，所述图案化的软质PDMS薄膜，其厚度为0.4-1mm，其中的图案对应宽度为20-700um、高度为10-200um的微通道。
3.如权利要求1所述基于共形键合工艺的软式曲面微流控器件制造方法，其特征在于，所述步骤(1-1)和所述步骤(2-1)中，所述硬质热塑性塑料材料为PET、PMMA或PC，厚度为150-400um。
4.如权利要求1所述基于共形键合工艺的软式曲面微流控器件制造方法，其特征在于，所述步骤(1-1)和所述步骤(2-1)中，对所述硬质热塑性塑料表面进行电晕处理，电晕处理的时间为30-100s；
所述在APTES溶液水浴处理以硅烷化具体均是在质量百分浓度为5％的APTES溶液中进行80℃水浴加热20min；
所述不可逆键合均是在80℃下加热20min形成不可逆键合。
5.如权利要求1所述基于共形键合工艺的软式曲面微流控器件制造方法，其特征在于，所述步骤(1-2)和所述步骤(2-2)中，所述镜面钢质或铝质凸模均为镜面钢球凸模或镜面铝球凸模，所述镜面钢球凸模或所述镜面铝球凸模的半径为6-30mm；
利用所述镜面钢球凸模或所述镜面铝球凸模冲压形成的三维曲面状的组件，组件的内曲面与所述镜面钢球凸模或所述镜面铝球凸模具有同样的曲率；所述阴模的内径小于所述镜面钢球凸模或所述镜面铝球凸模的直径。
6.如权利要求1所述基于共形键合工艺的软式曲面微流控器件制造方法，其特征在于，所述步骤(1-3)和所述步骤(2-3)中，所述固化均是在20℃～30℃下静置不超过24小时。
7.如权利要求1所述基于共形键合工艺的软式曲面微流控器件制造方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述浇铸成型的方式倒模制备曲面带微通道图案硅橡胶薄膜，具体是采用液体硅橡胶为原料，然后加热固化制备得到的；所述曲面带微通道图案硅橡胶薄膜的厚度为200-400um；优选的，所述液体硅橡胶为PDMS或Ecoflex。
8.如权利要求1所述基于共形键合工艺的软式曲面微流控器件制造方法，其特征在于，所述步骤(4)中，涂覆的液态硅橡胶的厚度为50-300um。
9.如权利要求1所述基于共形键合工艺的软式曲面微流控器件制造方法，其特征在于，所述步骤(5)中，所述剥离前，是先将键合得到的整体器件切割成所需尺寸，再从所述钢质或铝质凸模表面剥离的。
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