CN112473756A - 一种pdms微流控芯片的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种PDMS微流控芯片的加工方法，涉及半导体技术领域，先利用将碳酸钙粉体成型成与微流控芯片的微流道具有相同形状的碳酸钙骨架，然后将碳酸钙骨架放置在微流控芯片模具中，并使碳酸钙骨架上同微流道进样口和出样口相对应的端部与模具底面紧密接触，再将PDMS单体和固化剂混合后浇注到微流控芯片模具中，加热使PDMS预聚体完全固化，再浸入体积分数为10％的盐酸溶液中充，分反应除去碳酸钙骨架即可。本发明的PDMS微流控芯片采用一体浇筑成型，制备方法简单，无需PDMS浇注的阳模和键合等工艺及设备，生产成本较低；微流道的加工无需使用其他设备和借助外力，加工过程不会对PDMS微流控芯片造成任何损伤，成型的微流道形状规则、表面光滑。

Description

一种PDMS微流控芯片的加工方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种PDMS微流控芯片的加工方法。
背景技术
微流控芯片技术是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析的全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。微流控芯片作为微流控技术的载体，其材料、结构、加工方法、微流道尺寸和表面性质等因素直接影响着微流控技术的应用和微量分析效果。常用于制作微流控芯片的材料有单晶硅片、玻璃、石英和各种有机聚合物，硅具有良好的化学惰性和热稳定性，但硅材料的不足之处是易碎、价格偏高、不透光、电绝缘性较差，表面化学性质也较为复杂，因此在微流控芯片的应用中受到限制，玻璃和石英具有很好的电渗性质和光学性质，可采用标准的蚀刻工艺加工，但加工成本较高，封接难度较大。用于制备微流控芯片的有机聚合物中，聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)因其具有良好的生物相容性、优良的光学性质，以及易于加工和封装，已广泛用于制作微流控芯片。
在加工工艺上，传统的微流控芯片的加工方法需要采用光刻和蚀刻等常规工艺，以及模塑法、软光刻、激光切蚀法和LIGA技术等特殊工艺，对于高分子聚合物材料还需要表面改性和键合等工艺，因此，现有加工工艺具有步骤繁琐、污染和设备昂贵等缺点。近年发展起来的一些阳模制备方法包括丝网印刷技术、激光局部快速成型、掩模刻蚀黄铜模板、以热压PMMA模板制作冰晶阳模、于石蜡图案上点滴液模法等，但是这些方法仍有许多局限性，仍然存在着制备过程繁琐、设备成本高等问题。尤其是微流道的加工，通常是采用基于金属针管的打孔器，目测对准待通孔位置，然后利用压力切除相应位置PDMS，从而形成通孔结构，该方法虽然简单快捷，但是由于PDMS材料具有较大的弹性，打孔过程中往往容易因PDMS变形导致打孔位置偏移，从而损坏微流控芯片结构；另外，打孔时施力不均也容易导致形成通孔形状不规则，从而影响微流控芯片的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种PDMS微流控芯片的加工方法，使PDMS微流控芯片一体浇筑成型，制备方法简单，生产成本较低，微流道的加工无需使用其他设备和借助外力，加工过程不会对PDMS微流控芯片造成任何损伤，成型的微流道形状规则、表面光滑。
本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：
一种PDMS微流控芯片的加工方法，具体包括以下步骤：
S1、将碳酸钙粉体和去离子水按1:1的质量比混合，然后加入碳酸钙粉体15wt％的二氧化硅质量比为30％的硅溶胶，混合搅拌形成均匀的流动性浆料，再将流动性浆料注入的模具中，于40℃下固化成型，得到与微流控芯片的微流道具有相同形状的碳酸钙骨架；微流道的形状可以根据微流控芯片设计所需进行成型。
S2、将碳酸钙骨架放置在微流控芯片模具中，并使碳酸钙骨架上同微流道进样口和出样口相对应的端部与微流控芯片模具底面紧密接触；
S3、将PDMS单体和固化剂按10:1的重量比混合制得PDMS预聚体，再将PDMS预聚体浇注到微流控芯片模具中，然后加热使PDMS预聚体完全固化，脱模得到微流控芯片坯体；
S4、微流控芯片坯体浸入体积分数为10％的盐酸溶液中，充分反应除去碳酸钙骨架，形成微流道，然后溶去离子水反复浸洗，即得到微流控芯片。
进一步，S2中在将碳酸钙骨架放置在微流控芯片模具中前，先于模具底部贴合一层多孔阳极氧化铝模板。多孔阳极氧化铝模板既能使微流控芯片坯体更容易脱模，同时又能使微流控芯片的端面形成凹凸不平的纳米结构，能够提高微流控芯片与其他物质的结合容量。
进一步，S4中在将微流控芯片坯体浸入盐酸溶液前，先用Na0H溶液清洗除去多孔阳极氧化铝模板。
进一步，S4中在利用盐酸除去碳酸钙骨架的过程在振荡条件下进行。振荡条件下能够加速盐酸与碳酸钙反应，以及硅溶胶的溶解、分散，加速微流道的形成，能够提高工作效率。
进一步，振荡采用超声波振荡，超声波的功率为50-100W。超声波辐射到盐酸溶液中，一是能够碳酸钙骨架破坏并加速其分散在到盐酸溶液中，二是能够避免机械分散过程中微流控芯片与设备发生碰撞而损伤。
进一步，碳酸钙骨架的截面为圆形，外径为3-7mm。圆形界面碳酸钙骨架使形成的微流道为圆形孔道，圆形孔道具有流阻小、尺寸均匀可控、成形工艺简单和表面质量好等优点。
进一步，微流控芯片模具的横截面为圆形、矩形或三角形，可制得不同形状的微流控芯片结构。
本发明的有益效果：本发明的PDMS微流控芯片采用一体浇筑成型，成型的微流控芯片为单一的PDMS材质，保证了微流控芯片优良的光学性质，且微流控芯片制备方法简单，无需PDMS浇注的阳模和键合等工艺及设备，生产成本较低；微流道的加工无需使用其他设备和借助外力，加工过程不会对PDMS微流控芯片造成任何损伤，成型的微流道形状规则、表面光滑。
附图说明
图1是本发明实施例一和实施例二PDMS微流控芯片的制备示意图；
图2是本发明实施例三PDMS微流控芯片的制备示意图；
其中，碳酸钙骨架1、微流控芯片模具2、微流控芯片坯体3、多孔阳极氧化铝模板4。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明进行详细说明：
实施例一
如图1所示，一种PDMS微流控芯片的加工方法，先分别取100g碳酸钙粉体和去离子水混合，然后加入15g二氧化硅质量比为30％的硅溶胶，混合搅拌形成均匀的流动性浆料，再将流动性浆料注入的模具中，于40℃下固化成型，得到与微流控芯片的微流道具有相同形状的碳酸钙骨架1，碳酸钙骨架1的截面为圆形，外径为3mm；再将碳酸钙骨架1放置在横截面为圆形的微流控芯片模具2中，并使碳酸钙骨架1上同微流道进样口和出样口相对应的端部与微流控芯片模具2底面紧密接触；然后取200g PDMS单体和20g固化剂混合制得PDMS预聚体，再将PDMS预聚体浇注到微流控芯片模具2中，然后加热使PDMS预聚体完全固化，脱模得到微流控芯片坯体3；最后将微流控芯片坯体3浸入体积分数为10％的盐酸溶液中，充分反应除去碳酸钙骨架1，形成微流道，然后溶去离子水反复浸洗，即得到微流控芯片。
本实施例的PDMS微流控芯片采用一体浇筑成型，制备方法简单，无需PDMS浇注的阳模和键合等工艺及设备，生产成本较低；微流道的加工无需使用其他设备及外力，加工过程不会对PDMS微流控芯片造成任何损伤，成型的微流道形状规则、表面光滑。
实施例二
如图1所示，一种PDMS微流控芯片的加工方法，先分别取100g碳酸钙粉体和去离子水混合，然后加入15g二氧化硅质量比为30％的硅溶胶，混合搅拌形成均匀的流动性浆料，再将流动性浆料注入的模具中，于40℃下固化成型，得到与微流控芯片的微流道具有相同形状的碳酸钙骨架1，碳酸钙骨架1的截面为圆形，外径为3mm；再将碳酸钙骨架1放置在横截面为圆形的微流控芯片模具2中，并使碳酸钙骨架1上同微流道进样口和出样口相对应的端部与微流控芯片模具2底面紧密接触；然后取200g PDMS单体和20g固化剂混合制得PDMS预聚体，再将PDMS预聚体浇注到微流控芯片模具2中，然后加热使PDMS预聚体完全固化，脱模得到微流控芯片坯体3；最后将微流控芯片坯体3浸入体积分数为10％的盐酸溶液中，于功率为50-100W的超声波振荡条件下充分反应除去碳酸钙骨架1，形成微流道，然后溶去离子水反复浸洗，即得到微流控芯片。
本实施例与实施例一的区别在于：本实施例利用盐酸除去碳酸钙骨架1的过程在振荡条件下进行。超声波振荡条件下能够加速碳酸钙骨架1破坏和盐酸与碳酸钙反应，以及硅溶胶的溶解、分散，加速微流道的形成，能够提高工作效率；并能够避免机械分散过程中微流控芯片与设备发生碰撞而损伤。
实施例三
如图2所示，一种PDMS微流控芯片的加工方法，先分别取100g碳酸钙粉体和去离子水混合，然后加入15g二氧化硅质量比为30％的硅溶胶，混合搅拌形成均匀的流动性浆料，再将流动性浆料注入的模具中，于40℃下固化成型，得到与微流控芯片的微流道具有相同形状的碳酸钙骨架1，碳酸钙骨架1的截面为圆形，外径为3mm；再于微流控芯片模具2底部贴合一层多孔阳极氧化铝模板4后，将碳酸钙骨架1放置在横截面为圆形的微流控芯片模具中的多孔阳极氧化铝模板4上，并使碳酸钙骨架1上同微流道进样口和出样口相对应的端部与微流控芯片模具2底面紧密接触；然后取200g PDMS单体和20g固化剂混合制得PDMS预聚体，再将PDMS预聚体浇注到微流控芯片模具2中，然后加热使PDMS预聚体完全固化，脱模得到微流控芯片坯体3；最后将微流控芯片坯体3先用Na0H溶液清洗除去多孔阳极氧化铝模板4，再浸入体积分数为10％的盐酸溶液中，于功率为50-100W的超声波振荡条件下充分反应除去碳酸钙骨架1，形成微流道，然后溶去离子水反复浸洗，即得到微流控芯片。
本实施例与实施例二的区别在于：本实施例在在将碳酸钙骨架1放置在微流控芯片模具2中前，先于微流控芯片模具2底部贴合一层多孔阳极氧化铝模板4。多孔阳极氧化铝模4板既能使微流控芯片坯体3更容易脱模，同时又能使微流控芯片的端面形成凹凸不平的纳米结构，能够提高微流控芯片与其他物质的结合容量。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (7)

1.一种PDMS微流控芯片的加工方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、将碳酸钙粉体和去离子水按1:1的质量比混合，然后加入碳酸钙粉体15wt％的二氧化硅质量比为30％的硅溶胶，混合搅拌形成均匀的流动性浆料，再将流动性浆料注入的模具中，于40℃下固化成型，得到与微流控芯片的微流道具有相同形状的碳酸钙骨架；
S2、将碳酸钙骨架放置在微流控芯片模具中，并使碳酸钙骨架上同微流道进样口和出样口相对应的端部与微流控芯片模具底面紧密接触；
S3、将PDMS单体和固化剂按10:1的重量比混合制得PDMS预聚体，再将PDMS预聚体浇注到微流控芯片模具中，然后加热使PDMS预聚体完全固化，脱模得到微流控芯片坯体；
S4、微流控芯片坯体浸入体积分数为10％的盐酸溶液中，充分反应除去碳酸钙骨架，形成微流道，然后溶去离子水反复浸洗，即得到微流控芯片。
2.根据权利要求1所述的一种PDMS微流控芯片的加工方法，其特征在于，所述S2中在将碳酸钙骨架放置在微流控芯片模具中前，先于模具底部贴合一层多孔阳极氧化铝模板。
3.根据权利要求2所述的一种PDMS微流控芯片的加工方法，其特征在于，所述S4中在将微流控芯片坯体浸入盐酸溶液前，先用Na0H溶液清洗除去多孔阳极氧化铝模板。
4.根据权利要求3所述的一种PDMS微流控芯片的加工方法，其特征在于，所述S4中在利用盐酸除去碳酸钙骨架的过程在振荡条件下进行。
5.根据权利要求4所述的一种PDMS微流控芯片的加工方法，其特征在于，所述振荡采用超声波振荡，超声波的功率为50-100W。
6.根据权利要求5所述的一种PDMS微流控芯片的加工方法，其特征在于，所述碳酸钙骨架的截面为圆形，外径为3-7mm。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种PDMS微流控芯片的加工方法，其特征在于，所述微流控芯片模具的横截面为圆形、矩形或三角形，可制得不同形状的微流控芯片结构。
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