CN111998985B - 微通道压力传感器和微流控芯片 - Google Patents

微通道压力传感器和微流控芯片 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种微通道压力传感器和微流控芯片。该微通道压力传感器包括待检通道及传感通道，传感通道与待检通道间隔设置，传感通道用于承装液态金属，传感通道和待检通道均由弹性材料制成，以使流体流经待检通道时，待检通道发生形变而使传感通道也发生形变，进而使液态金属的电阻发生变化。上述微通道压力传感器准确度高。

Description

微通道压力传感器和微流控芯片
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，特别是涉及一种微通道压力传感器和微流控芯片。
背景技术
压力传感器是工业实践中使用最为广泛的一种传感器。一般由弹性敏感元件和位移敏感元件组成。根据工作原理的不同，常用的压力传感器可以分为电容式、压电式、压阻式、声表面波式等类型。
伴随着微机电加工系统技术的发展，微通道压力传感器在微流控生产及科研领域中的广泛应用，但是传统的微通道压力传感器在实时监测时，准确度较低。
发明内容
基于此，有必要提供一种准确度较高的微通道压力传感器。
此外，还提供一种体积较小、监控内部微环境准确地更高的微流控芯片。
一种微通道压力传感器，包括待检通道及传感通道，所述传感通道与所述待检通道间隔设置，所述传感通道用于承装液态金属，所述传感通道和所述待检通道均由弹性材料制成，以使流体流经所述待检通道时，所述待检通道发生形变而使所述传感通道也发生形变，进而使所述液态金属的电阻发生变化。
上述微通道压力传感器包括待检通道和传感通道，该待检通道和传感通道间隔设置，传感通道用于承装有液态金属，传感通道与待检通道均由弹性材料制成。当流体流经待检通道时，待检通道发生形变而使传感通道也发生形变，进而使传感通道中的液态金属发生形变而电阻发生变化，从而通过直接监测液态金属的电阻变化而监测待检通道的流体压力变化，或通过直接检测液态金属的电阻而检测流体通道中流体的压力。
在其中一个实施例中，所述微通道压力传感器包括载板和设于所述载板上的本体，所述载板与所述本体密封连接，所述本体包括基板及间隔设置在所述基板和所述载板之间的第一膜片、第二膜片及第三膜片，所述载板与所述第一膜片、所述第二膜片及所述基板共同形成所述传感通道，所述载板与所述第二膜片、所述第三膜片及所述基板共同形成所述待检通道，当所述流体流经所述待检通道时，所述第二膜片发生形变而使所述液态金属的电阻发生变化。
在其中一个实施例中，所述基板与所述第一膜片、第二膜片及所述第三膜片一体成型。
在其中一个实施例中，所述第二膜片具有形变部，所述形变部设于所述第一膜片与所述第三膜片之间，当所述流体流经所述形变部时，所述形变部发生形变。
在其中一个实施例中，所述形变部的最大厚度不超过15μm。
在其中一个实施例中，所述形变部的宽高比小于1：5。
在其中一个实施例中，所述传感通道为两个，两个所述传感通道相对设置在所述待检通道的延伸方向的两侧，两个所述传感通道到所述待检通道的距离相等。
在其中一个实施例中，所述液态金属的熔点不超过40℃。
在其中一个实施例中，所述液态金属选自水银、镓、铷、铯及镓基合金中的一种；
优选地，所述镓基合金选自镓铟合金及镓铟锡合金中的一种。
在其中一个实施例中，所述传感通道呈U形、S形或V形。
在其中一个实施例中，所述弹性材料选自聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乳酸、环烯烃聚合物、聚萘二甲酸乙二醇、聚偏氟乙烯、聚酯、聚酰亚胺、硅胶及热塑性聚氨酯弹性体橡胶中的至少一种。
一种微流控芯片，其特征在于，包括上述微通道压力传感器。
附图说明
图1为一实施方式的微通道压力传感器的平面示意图；
图2为1图所示的微通道压力传感器的A部的放大图；
图3为一实施方式的微通道压力传感器的制备流程图；
图4为实施例1的微通道压力传感器的仿真结果图；
图5为实施例1的微通道压力传感器的电阻-压力周期变化图；
图6为实施例1的微通道压力传感器的电阻与流体压力关系图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的部分实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本发明公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
请参阅图1及图2，一实施方式的微通道压力传感器10，用于监测微通道中流体压力变化或检测微通道中流体压力。该微通道压力传感器10包括载板101 和本体100，载板101与本体100密封连接。
载板101用于承载本体100。在图示的实施方式中，载板101的形状为长条块状。当然，载板101形状不限于长条块状，还可以根据实际需求进行设计。
在本实施方式中，载板101为玻璃板(或称载玻片)。当然，载板101的材料也不限于玻璃，还可以是其他材料，例如聚乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯等。
本体100具有封装面，封装面与载板101密封连接。本体100包括基板及间隔设置在基板及载板101之间的第一膜片121、第二膜片122及第三膜片123。载板101与第二膜片122、第三膜片123及基板共同形成待检通道130，待检通道130用于流通被检测的流体。载板101与第一膜片121、第二膜片122及基板共同形成传感通道140，传感通道140用于承装有液态金属。当流体流经待检通道130时，待检通道130发生形变而使传感通道140也发生形变，而使传感通道140中的液态金属也发生形变，进而使得液体金属的电阻发生变化，从而通过监测液体金属的电阻变化可以监测待检通道130中的流体压力变化。当然，也可以通过检测液体金属的电阻而检测待检通道130中的流体压力。
在本实施方式中，基板与第一膜片121、第二膜片122及第三膜片123一体成型。
具体地，本体100上开设有进样孔150、进液口160和出液口170。进样孔 150、进液口160和出液口170均设于与封装面相对的一侧。进样孔150与待检通道130连通，用于加样。进液口160和出液口170均与传感通道140连通，用于添加液体金属和检测传感通道140中液态金属的电阻。
液态金属是一种不定型、可流动的金属。一般地，为便于使用、节约成本，液态金属的熔点不超过40℃。当然，上述微通道压力传感器10的液态金属的熔点超过40℃的液体金属也可以。此时，只要在使用时传感通道140中的液体金属呈液体，具有良好的流动性即可。例如，在微通道压力传感器10上增设额外的加热件，在外界环境达不到液体金属的熔点时，利用加热件对传感通道140 中的液体金属进行加热，或将微通道压力传感器10置于较高的温度下进行运行。进一步地，传感通道140中的液态金属的熔点不超过10℃。
在其中一个实施例中，液态金属选自水银、镓、铷、铯及镓基合金中的一种。镓基合金是以镓为主要组分的合金。优选地，镓基合金选自镓铟合金及镓铟锡合金中的一种。
传感通道140和待检通道130均由弹性材料制成，以便于传感通道140和待检通道130发生形变。具体地，弹性材料选自聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乳酸、环烯烃聚合物、聚萘二甲酸乙二醇、聚偏氟乙烯、聚酯、聚酰亚胺、硅胶及热塑性聚氨酯弹性体橡胶中的至少一种。进一步地，弹性材料选自聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯及聚苯乙烯中的一种。
在图示的实施方式中，传感通道140大致呈S形。当然，传感通道140的形状不限于S形，还可以是其他任意形状，例如U形、V形、长条形等。
在其中一个实施例中，传感通道140的数量为两个，两个传感通道140相对地设置在待检通道130的延伸方向的两侧，两个传感通道140到待检通道130 的距离相等。此时，本体100还包括第四膜片124，载板101与第一膜片121、第二膜片122及基板共同形成一个传感通道140；载板101与第三膜片123、第四膜片124及基板共同形成另一个传感通道140。当然，传感通道140的数量也可以为一个。
通过将两个传感通道140相对地设置在待检通道130的两侧，且到待检通道130的距离相等，可以进一步提高微通道压力传感器10的准确性。
在其中一个实施例中，传感通道140的宽度0.1μm～15μm，高度大于1μm，长度大于50μm。当然，在其他实施例中，传感通道140的宽度、高度及长度可以根据实际需求进行设计。
进一步地，第二膜片122具有形变部122a，形变部122a设于第一膜片121 与第三膜片123之间。当流体流经形变部122a时，由于流体压力，使得形变部 122a发生形变，进而使得待检通道130和传感通道140发生相应形变，从而使得传感通道140中的液态金属发生形变。因液态金属发生形变，所以液态金属的电阻也发生变化。在传感通道140为两个时，形变部122a相应地也为两个。即第二膜片122具有一个形变部122a，第三膜片123具有另一个形变部122a。
在其中一个实施例中，形变部122a的材料为聚二甲基硅氧烷；形变部122a 大致呈长条块状，形变部122a的宽高比小于1：5。形变部122a的宽是指由传感通道140靠近待检通道130的内壁到待检通道130靠近传感通道140的内壁的距离；形变部122a的高是指形变部122a在垂直于基板方向上的长度；形变部 122a的宽高比是指形变部122a的宽与形变部122a的高的比值。通过将形变部 122a在结构上设置为大的宽高比，使得形变部122a在压力作用时容易变形，以使形变部122a发生的形变所引起的液态金属的电阻变化能够被检测到，从而使得上述微通道压力传感器10具有的高灵敏度。进一步地，形变部122a的宽高比为1：50～1：7.5。更进一步地，形变部122a的宽高比为1：50～1：10。当然在其他一些实施方式中，形变部122a的宽高比不限于小于1：5，可以根据实际形变部122a的材料进行调整。
在其中一个实施例中，形变部122a的最大宽度不超过15μm。进一步地，形变部122a的最大厚度为0.1μm～15μm。需要说明的是，形变部122a的最大厚度是指由传感通道140靠近待检通道130的内壁与待检通道130靠近传感通道 140的内壁的最小距离。在图示的实施方式中，形变部122a的最大厚度即为d1。当然，在其他实施方式中，形变部122a的最大厚度并不限于不超过15μm，可以根据检测液态金属电阻变化的设备的灵敏度和形变部122a的具体材质而调整。
在其中一个实施例中，形变部122a的材料为聚二甲基硅氧烷；形变部122a 大致呈长条块状，形变部122a的宽高比小于1：5，形变部122a的最大宽度不超过15μm。
上述微通道压力传感器10至少具有以下优点：
(1)可以使得微流控装置更小：上述微通道压力传感器10是通过检测传感通道140的液体金属的电阻变化而监测待检通道130中流体压力的变化。当流体流经待检通道130时引起待检通道130的形变部122a发生形变时，在传感通道140上与形变部122a对应的区域的截面面积发生变化，根据电阻公式
Figure BDA0002223785020000071
可知，该区域的液态金属的电阻也会发生变化，因此检测到的整个传感通道140的液态金属的电阻也会发生变化。所以，上述微通道压力传感器10的实质是通过检测与形变部122a对应区域的液态金属的电阻值的变化而实现对待检通道130中流体压力的检测和实时监测。因此，上述微通道压力传感器10的传感通道140可以设置的更小，对应形变部122a设置即可，这样更将其便于集成微流控装置，利于微流控装置的进一步微型化。
(2)更准确：与电容式的微通道压力传感器相比，上述微通道压力传感器 10通过直接检测液态金属的电阻变化而进行待检通道130中流体压力的检测和实时监测，直接检测液态金属的电阻更容易、成本更低。另外，电容式的微通道压力传感器容易受到外界影响，直接测电阻受外界影响更小，结果会更加准确。
请参阅图3，上述微通道压力传感器10的制备方法，包括步骤S110～步骤 S140。具体地：
步骤S110、利用微加工技术制作母模板。
本实施方式中，母模板通过将刻蚀工艺得到。具体地，制作母模板的刻蚀工艺可以是本领域常用的刻蚀工艺，例如干法刻蚀、感应耦合等离子刻蚀、反应离子刻蚀、光刻等。当然，可以是其中一种工艺，也可以是多种工艺的结合。
在其中一个实施例中，根据微通道压力传感器10的传感通道140和待检通道130设计图案；利用化学沉积法在硅片上镀上一层氮化硅(silicon wafer withSi3N4deposition)，氮化硅厚度为50nm～150nm；然后在氮化硅上旋涂正性光刻胶(photoresist)，然后经过前烘、紫外光刻、显影后得到所设计图形的牺牲层图形；接着采用反应离子干法刻蚀牺牲层图形外的氮化硅；然后使用去胶液去除正性光刻胶；接着使用KOH湿法刻蚀硅片，得到所设计的微通道压力传感器10 的图形；接着用反应离子干法刻蚀去除氮化硅牺牲层，得到所设计的图形的母模板(即图3中的silicon master)。需要说明的是，氮化硅厚度的可以根据实际需求进行调整。
步骤S120、利用母模板倒模出弹性母模板。
在本实施方式中，弹性母模板(即图3中的PDMS master)由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制备而成。当然在其他实施方式中，弹性母模板可以采用本领域常规的其他弹性材料进行制备。
具体地，将PDMS和固化剂按照质量比10:1的比例搅拌混匀后，倒入母模板中，形成厚度为15mm～20mm的膜，然后真空干燥、除气泡，然后烘烤，使得母模板中PDMS固化。接着将固化的PDMS从母模板上剥离后，硅烷化后，得到弹性母模板。进一步地，固化的温度为20℃～500℃。固化的时间为 10min～720h。
步骤S130、利用弹性母模板制作出本体100。
将PDMS和固化剂按照质量比10:1的比例搅拌混匀后，倒入弹性母模板中，形成厚度为5mm～10mm的膜，然后真空干燥、除气泡，然后烘烤，使得弹性母模板中的PDMS固化。接着将固化的PDMS从弹性母模板上剥离后，然后打进样孔150、进液口160和出液口170，得到本体100。进一步地，固化的温度为 20℃～500℃。固化的时间为10min～720h。
步骤S140、清洗处理载板101和本体100，然后封接，得到微通道压力传感器10。
具体地，采用等离子清洗处理载板101和本体100，将清洗后的载板101和本体100进行封装，形成具有进样孔150、进液口160、出液口170、传感通道 140和待检通道130的封装体。在本实施方式中，载板101为载玻片(glass)。然后将液态金属(liquid metal)经进液口160注入至传感通道140，其中本体100 和外部进样设备通过硅胶管和不锈钢针头相连接。然后在传感通道140中插入导线，得到微通道压力传感器10。在传感通道140中插入导线，以便于外接检测液态金属电阻变化的设备。
在本实施方式中，液体金属先预装入微通道压力传感器10。可以理解的是，在其他一些实施方式中，液态金属可以在使用时注入传感通道140。
上述微通道压力传感器10的制备方法简捷，可重复性高，易于规模化生产。
上述微通道压力传感器10在使用时可以单独作为检测微通道中流体压力的器件。当然，也可以将上述微通道压力传感器10与其他微流控元器件集成而制备微流控装置。
上述微通道压力传感器10在制备微流控芯片中的应用。
一实施方式的微流控芯片包括上述微通道压力传感器10。此时，微通道压力传感器10的待检通道130为微流控芯片上的需要检测流体压力的流体通道。当然，在制备时，微流控芯片上的流体通道可以与微通道压力传感器10的待检通道130一起制备。也即是流体通道和传感通道140通的图形蚀刻在同一个模板上，通过同一个模板进行制作。
上述微流控芯片包括上述微通道压力传感器10，体积更小，并且能够更加准确地实时监控微流控芯片的内部微环境。
具体实施例
以下结合具体实施例进行详细说明。以下实施例如未特殊说明，则不包括除不可避免的杂质外的其他组分。实施例中采用药物和仪器如非特别说明，均为本领域常规选择。实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规条件，例如文献、书本中所述的条件或者生产厂家推荐的方法实现。
实施例1
实施例1的微通道压力传感器的结构如图1所示，其中，微通道压力传感器的传感通道和待检通道的高度均为15μm，形变部的宽高比为1：15，形变部的最大宽度为1μm，微通道压力传感器的传感通道和待检通道均由PDMS一体成型，液态金属为镓铟合金(苏州川茂金属材料有限公司)。具体制备流程如图 3所示，具体步骤如下：
(1)采用微加工方式制作母模板：利用化学沉积法在4英寸硅片上镀上一层氮化硅，厚度为100nm。然后旋涂rzj-304(苏州瑞红)正性光刻胶于沉积了氮化硅的硅片上，经过前烘、紫外光刻、显影之后，得到所设计图形的牺牲层图形；接着采用反应离子干法刻蚀牺牲层图形外的氮化硅；然后使用去胶液去除正性光刻胶；然后使用KOH湿法刻蚀硅片，得到所设计的图形，接着用反应离子干法刻蚀去除氮化硅牺牲层，得到母模板。
(2)将PDMS和固化剂按照质量比10:1的比例搅拌混匀后，倒入母模板中，厚度为15mm，然后放入真空干燥皿中进行真空除气泡10分钟后移至80℃烘箱烘烤1个小时以上，使得母模板中PDMS固化。接着将固化的PDMS从母模板上剥离后，硅烷化20min，得到弹性母模板。
(3)将PDMS和固化剂按照质量比10:1的比例搅拌混匀后，倒入弹性母模板中，厚度为5mm，然后放入真空干燥皿中进行真空除气泡10分钟后移至 80℃烘箱烘烤1个小时以上，使得弹性母模板中PDMS固化。接着将固化的 PDMS从弹性母模板上剥离后，切割至长条状，并打进样孔、进液口和出液口，得到本体。
(3)将载玻片及本体的封接面朝上，同时放入等离子清洗机中处理1分钟后进行永久封接，然后将镓铟合金(共晶镓铟合金，苏州川茂金属材料有限公司)吸入至1mL注射器中，并使用注射泵进样至传感通道，得到微通道压力传感器。将待检通道中通入去离子水，等待使用。
(4)使用多物理场
Figure BDA0002223785020000111
软件进行有限元物理模拟仿真，选取待检通道流体压力为0mbar，200mbar，400mbar，800mbar对具有弹性的形变部受到的流-固多物理场综合作用受力进行单向流稳态仿真，不受限于流体连续性的假设，结果反应了待检通道内流体压力及流体作用于具有弹性的形变部(聚二甲基硅氧烷薄膜)的压力变化。该仿真方法具体如下：
1)根据微通道压力传感器的实体在软件中构建微通道压力传感器的实体模型及流体域实体模型建模模块，选取聚二甲基硅氧烷为本体材料。
2)在流体分析模块处设置相应的流场边界条件。
3)对流体进行网格划分和设置相应的初始条件，同时添加相应的Comsol 软件的仿真模块，所述Comsol软件的仿真模块包括流体分析模块、固体分析模块。
4)将流体域基于有限单元法进行网格剖分。仿真结果如图4所示。在图4 中，压力来自左边。彩色图像下，图4的左上图(0mbar)为全浅绿色，右上图 (200mbar)从左到右依次为：浅绿色-浅蓝色-蓝色-深蓝色；左下图(400mbar) 从左到右依次为：暗红-橙色-黄色-黄绿-浅蓝-蓝-深蓝；右下图(800mbar)从左到右依次为：暗红-橙色-黄色-黄绿-浅蓝-蓝-深蓝；左上图的图例中绿色对应值为0；右上图、左下图及右下图的图例均是蓝色对应值约0.5×104，浅绿色对应值为2×104，黄色对应值约2.5×104。
(5)测试步骤(3)得到的微通道压力传感器的性能：使用压力驱动泵(OB1，ELVEFLOW)对待检通道施加恒定压力流，同时使用数字万用表(34461A，Keysight)来实时记录微通道压力传感器中液态金属的电阻变化，从而反应微流控通道内流体压力的实时变化。为了证明该装置的稳定性和重复性，对上述微通道压力传感器的主通道施加200mbar、400mbar、800mbar，间隔时间为200s 的周期性压力。结果如图5所示，图5中横坐标为时间/s，纵坐标为电阻变化值△R/Ω。另外给模型施加0mbar～1200mbar，增量为200mbar的递增压力时的实验结果如图6所示。图6中，横坐标为压力/mbar，纵坐标为电阻变化值△R/ Ω。
由图4可知，传感通道的几何结构受到待检通道压力变化的影响。待检通道的流动压力增加，传感通道和待检通道间的聚二甲基硅氧烷薄膜会发生形变，传感区域将会受到更高的压力。
由图5可知，电阻值显示出良好的稳定性及一致性。
由如6可知，此微通道压力传感器的电阻的大小与待检通道的流体压力成正比，同时显示出非常高的线性相关性(R2＝0.9903)。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种微通道压力传感器，其特征在于，包括待检通道及传感通道，所述传感通道与所述待检通道间隔设置，所述传感通道用于承装液态金属，所述传感通道和所述待检通道均由弹性材料制成，以使流体流经所述待检通道时，所述待检通道发生形变而使所述传感通道也发生形变，进而使所述液态金属的电阻发生变化；所述微通道压力传感器包括载板和设于所述载板上的本体，所述载板与所述本体密封连接，所述本体包括基板及间隔设置在所述基板和所述载板之间的第一膜片、第二膜片及第三膜片，所述载板与所述第一膜片、所述第二膜片及所述基板共同形成所述传感通道，所述载板与所述第二膜片、所述第三膜片及所述基板共同形成所述待检通道，当所述流体流经所述待检通道时，所述第二膜片发生形变而使所述液态金属的电阻发生变化；所述第二膜片具有形变部，所述形变部设于所述第一膜片与所述第三膜片之间，当所述流体流经所述形变部时，所述形变部发生形变；所述形变部的宽高比小于1：5。
2.根据权利要求1所述的微通道压力传感器，其特征在于，所述基板与所述第一膜片、第二膜片及所述第三膜片一体成型。
3.根据权利要求1所述的微通道压力传感器，其特征在于，所述传感通道为两个，两个所述传感通道相对设置在所述待检通道的延伸方向的两侧，两个所述传感通道到所述待检通道的距离相等。
4.根据权利要求1~3任一项所述的微通道压力传感器，其特征在于，所述液态金属的熔点不超过40℃。
5.根据权利要求4所述的微通道压力传感器，其特征在于，所述液态金属选自水银、镓、铷、铯及镓基合金中的一种。
6.根据权利要求5所述的微通道压力传感器，其特征在于，所述镓基合金选自镓铟合金及镓铟锡合金中的一种。
7.根据权利要求1~3任一项所述的微通道压力传感器，其特征在于，所述传感通道呈U形、S形或V形。
8.根据权利要求1~3任一项所述的微通道压力传感器，其特征在于，所述弹性材料选自聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乳酸、环烯烃聚合物、聚萘二甲酸乙二醇、聚偏氟乙烯、聚酯、聚酰亚胺、硅胶及热塑性聚氨酯弹性体橡胶中的至少一种。
9.一种微流控芯片，其特征在于，包括权利要求1~8任一项所述的微通道压力传感器。
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