CN113351265B - 一种基于微导线磁场驱动微流体磁混合的系统的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微导线磁场驱动微流体磁混合的系统的加工方法，包括PCB板，所述PCB板上设置有硅衬底，所述硅衬底上并列沉积有若干微导线，微导线的两端与设置在PCB板上的导电焊盘通过导电连接件连接，以实现与外部控制电路和电源的连接，所述硅衬底上还设置有用于流通磁性纳米粒子悬浮液和非磁性流体的Y型微流体通道，所述Y型微流体通道的底面与微导线直接接触，且Y型微流体通道与微导线之间形成夹角。本发明利用微导线磁场的作用，实现Y型通道中磁性和非磁性溶液的混合。

Description

一种基于微导线磁场驱动微流体磁混合的系统的加工方法
技术领域
本发明涉及磁控纳米技术领域，具体涉及一种基于微导线磁场驱动微通道中磁性纳米粒子悬浮液与非磁性溶液发生磁混合的系统的加工方法。
背景技术
由于微流控系统可将样品的采样、稀释、混合、反应、分离、检测等过程集成在一块尺寸很小的芯片上完成，因此被广泛应用于生物医学领域，如血液成分的检测、单细胞控制、恒温PCR扩增、癌症检测等。在微流控系统的多步操作中，待检测样本与标记物之间的充分混合接触是提高样本检测准确率的关键环节，但是在传统的微流控系统中，由于微流体通道的低雷诺系数，导致不同样品之间的混合需要耗费很长的时间，因此，如何在提高不同溶液间混合效率的同时，又能缩短混合时间是当下的重点关注问题。近年来，利用磁场控制磁性标记物(如磁性纳米粒子)的运动，以加强其与待检测样品的混合效率的方法，由于磁控纳米技术的非接触性、温度和pH值的无依赖性，以及良好的生物相容性，使得其在生物医学领域展现出极具潜力的应用前景。
但是，目前关于磁场控制磁性纳米粒子的运动，以加强磁性和非磁性溶液间混合的研究，依然面临着控制精度差的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于微导线磁场驱动微流体磁混合的系统的加工方法，以克服现有技术存在的缺陷，本发明借助微导线在通入电流后产生的高局域性磁场梯度，可精确控制磁性纳米粒子的运动，进而促进不同溶液间的磁混合过程。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于微导线磁场驱动微流体磁混合的系统，包括PCB板，所述PCB 板上设置有硅衬底，所述硅衬底上并列沉积有若干微导线，微导线的两端与设置在PCB板上的导电焊盘通过导电连接件连接，以实现与外部控制电路和电源的连接，所述硅衬底上还设置有用于流通磁性纳米粒子悬浮液和非磁性流体的Y型微流体通道，所述Y型微流体通道的底面与微导线直接接触，且 Y型微流体通道与微导线之间形成夹角。
进一步地，所述Y型微流体通道包括微流体直通道，微流体直通道的一端连接有用于流通磁性纳米粒子悬浮液的第一微通道和用于流通非磁性流体的第二微通道，第一微通道、第二微通道和微流体直通道共同形成Y型，微流体直通道的另一端设置有微流体通道出口，第一微通道和第二微通道的自由端分别设置有第一微通道入口和第二微通道入口。
进一步地，所述微流体直通道与微导线垂直设置。
进一步地，所述微导线的通电电流大小为0.5A，且相邻的两根微导线的电流方向相反。
进一步地，所述微导线宽度为100μm，厚度为300nm，且相邻两条微导线之间距离100μm。
进一步地，所述Y型微流体通道的厚度为50μm。
进一步地，所述微导线的材料为金，且微导线的表面溅射有一层厚度为 200nm的绝缘层SiO2。
进一步地，所述导电连接件为铜胶带及导电银胶。
进一步地，所述磁性纳米粒子悬浮液与非磁性流体的流速均为150μm/s。
一种基于微导线磁场驱动微流体磁混合的系统的加工方法，包括以下步骤：
步骤一：在硅衬底上旋涂光刻胶；
步骤二：将设计有微导线形状的掩膜板置于旋涂有光刻胶的硅衬底上，并进行紫外曝光；
步骤三：经过后烘和显影后，得到微导线形状的模具；
步骤四：利用磁控溅射技术在模具表面上溅射厚度为300nm厚的金；
步骤五：使用丙酮清洗光刻胶，从而将微导线区域以外的金属剥离掉，在硅衬底上留下设计的微导线；
步骤六：利用磁控溅射技术在微导线表面溅射厚度为200nm的绝缘层 SiO2；
步骤七：在另一片硅衬底上旋涂光刻胶；
步骤八：将设计有Y型微流体通道形状的掩膜板置于旋涂有光刻胶的硅衬底上，并进行紫外曝光；
步骤九：经过后烘、显影和高温固化后，得到微流体通道模具；
步骤十：将混合有固化剂的PDMS倾倒在微流体通道模具上，经高温固化后，获得微流体通道；
步骤十一：通过氧等离子体键合的方法，将Y型微流体通道和微导线进行封装，即完成加工。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提出的借助于微导线驱动磁混合的方案，通过设计Y型微流体通道和微导线，使Y型微流体通道和微导线直接接触，微导线通过导电连接件与PCB板上的导电焊盘相连接，以实现与外部控制电路和电源的连接，工作时，微导线中通入电流后产生的磁场可以直接作用于Y型微流体通道中的磁性纳米粒子，实现对磁性纳米粒子运动的精确控制，不仅提供了纳米精度的磁场梯度区域，而且通过控制微导线中的电流，实时控制微流体通道中的混合效果，在Y型微流体通道中引起磁性流体和非磁性流体的混沌对流，使二者充分混合。
进一步地，金属微导线的厚度为300nm，宽度为100μm，可产生高局域性的磁场梯度。
进一步地，与传统的磁场产生方式(如永磁体或电磁体)相比，由于沉积在金属微导线表面的SiO2绝缘层的厚度仅200nm，这样可确保微导线与微通道内的流体处于密切接触的状态，即在微流体通道内，空间的磁场强度以及磁场梯度最强；
进一步地，本发明提出的微导线的长度方向(y轴方向)与微流体通道的方向(x轴方向)彼此垂直，这极大地降低了系统加工的难度，同时在垂直于微导线的方向上(z轴方向)，微导线产生的空间磁场梯度可在微流体通道的厚度方向(z轴方向)引起流体的旋涡，从而加强不同磁性溶液的混合。
本发明提出采用微纳光刻技术与磁控溅射技术结合的方式加工微导线，不需要复杂的金属腐蚀过程，即可获得设计的微导线形状，极大地简化了加工工艺的难度，并提高了加工结构的精度；加工微导线模具时，利用光刻胶将硅片无电极区域覆盖，使溅射的金属落在光刻胶表面，从而利用丙酮即可实现多余金属的剥离。
附图说明
图1为本发明中提出的微导线促进磁性纳米粒子与样品磁混合的结构示意图；
图2为微导线加工流程图，其中(a)旋涂光刻胶，(b)紫外曝光，(c) 显影，(d)磁控溅射，(e)剥离。
其中，1为微导线；2为第一微通道入口；3为第二微通道入口；4为硅衬底；5为PCB板，6为导电连接件，7为导电焊盘，8为微流体通道出口， 9为微流体直通道。
具体实施方式
下面对本发明的实施方式做进一步详细描述：
参见图1，一种微导线驱动微通道中磁性纳米粒子运动，以加强磁性溶液和非磁性溶液间混合的方案，该方案包括Y型微流体通道、微导线1和有导电焊盘7的PCB板5，通过在微导线1中施加电流，其可在空间产生高局域性的磁场梯度，以此来控制悬浮于载流液中的磁性纳米粒子的运动，从而加强磁性溶液与非磁性溶液间的混合。
本发明利用微导线磁场控制悬浮于载流液中的磁性纳米粒子运动，以加强磁性溶液与非磁性溶液间混合，包括Y型微流体通道、微导线1和有导电焊盘7的PCB板5。初始时刻，将一定浓度的磁性纳米粒子悬浮液和非磁性流体(如血液样本)分别从Y型微流体通道的第一微通道入口2和第二微通道入口3注入，通过PCB板5连接外部控制电路和电源，在微导线1中通入电流以产生高局域性的磁场梯度。在微导线1电流磁场的作用下，磁性纳米粒子产生沿-y方向的横向流动，在通道中引起磁性流体和非磁性流体的混沌对流，使二者充分混合。
其中微导线1的方向垂直于流体的流动方向，微导线1的材料为金；相邻两根微导线1间电流方向相反；微导线1宽度100μm(沿x方向)，厚度 300nm(沿z方向)，相邻两条微导线1之间距离100μm(沿x方向)；Y型微流体通道的厚度为50μm(沿z方向)；微导线1的表面溅射有一层厚度为 200nm的绝缘层SiO2；PCB板5中导电焊盘7通过铜胶带和导电银胶与微导线1可靠连接；
其中磁性纳米粒子悬浮液与非磁性流体的流速均为150μm/s，电流大小为0.5A，可实现两种溶液的磁混合。
为了实现以上方案，本发明利用微纳技术实现混合器的加工，包括Y型微流体通道和微导线的加工及二者的封装。基于微纳光刻技术在硅衬底上制作带有微导线结构的模具，然后利用磁控溅射技术在模具上溅射一层金，将导线外的金属剥离后，在硅衬底上得到设计的微导线，再利用磁控溅射技术在导线表面溅射一层厚度为200nm的二氧化硅薄膜实现绝缘。同时还采用微纳光刻技术和PDMS翻模方法加工微流体通道，并借助于氧等离子体键合技术将微导线和微流体通道进行封装。
下面结合实施例对本发明实施过程做进一步详细描述：
本发明提供了一种基于微导线磁场驱动悬浮于载流液中磁性纳米粒子的运动，以加强磁性和非磁性溶液混合的系统设计及其加工方案。图1是Y型微流体通道、微导线和PCB板的集成化系统示意图，包括Y型微流体通道、微导线1、硅衬底4、以及PCB板5和导电焊盘7；其中Y型微流体通道包括第一微通道、第二微通道、一个微流体直通道9以及一个微流体通道出口 8，第一微通道和第二微通道的自由端分别设置有第一微通道入口3和第二微通道入口4，两个入口分别注入包含一定浓度磁性纳米粒子悬浮液和非磁性溶液(如待检测血液)，在微流体通道出口8处收集混合好的样品，且Y型微流体通道的底部直接与微导线1接触。
如图2所示，本发明中微导线单元的加工利用微纳光刻技术和磁控溅射技术。首先在硅衬底上旋涂光刻胶，如图2(a)所示，接下来在设计有微导线形状的掩膜板下进行紫外曝光，如图2(b)所示，经过后烘和显影后，得到微导线形状的模具如图2(c)所示，其中无胶区域为微导线区域，然后利用磁控溅射技术在模具表面上溅射厚度为300nm厚的金，如图2(d)所示，最后使用丙酮清洗光刻胶，从而将微导线区域以外的金属剥离掉，在硅衬底上留下设计的微导线，如图2(e)所示，再利用磁控溅射技术在金属导线表面溅射厚度为200nm的绝缘层SiO2。
然后在一片新的硅衬底上旋涂50μm厚的SU-8 2050光刻胶；将设计有 Y型微流体通道形状的掩膜板置于旋涂有光刻胶的硅衬底上，并进行紫外曝光；经过后烘、显影和高温固化后，得到微流体通道模具；将混合有固化剂的PDMS倾倒在微流体通道模具上，150℃高温固化30min后，获得微流体通道；通过氧等离子体键合的方法，将微流体通道和金属微导线进行封装。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于微导线磁场驱动微流体磁混合的系统的加工方法，其特征在于，所述基于微导线磁场驱动微流体磁混合的系统包括PCB板(5)，所述PCB板(5)上设置有硅衬底(4)，所述硅衬底(4)上并列沉积有若干微导线(1)，微导线(1)的两端与设置在PCB板(5)上的导电焊盘(7)通过导电连接件(6)连接，以实现与外部控制电路和电源的连接，所述硅衬底(4)上还设置有用于流通磁性纳米粒子悬浮液和非磁性流体的Y型微流体通道，所述Y型微流体通道的底面与微导线(1)直接接触，且Y型微流体通道与微导线(1)之间形成夹角；
所述加工方法包括以下步骤：
步骤一：在硅衬底上旋涂光刻胶；
步骤二：将设计有微导线形状的掩膜板置于旋涂有光刻胶的硅衬底上，并进行紫外曝光；
步骤三：经过后烘和显影后，得到微导线形状的模具；
步骤四：利用磁控溅射技术在模具表面上溅射厚度为300nm厚的金；
步骤五：使用丙酮清洗光刻胶，从而将微导线区域以外的金属剥离掉，在硅衬底上留下设计的微导线；
步骤六：利用磁控溅射技术在微导线表面溅射厚度为200nm的绝缘层SiO2；
步骤七：在另一片硅衬底上旋涂光刻胶；
步骤八：将设计有Y型微流体通道形状的掩膜板置于旋涂有光刻胶的硅衬底上，并进行紫外曝光；
步骤九：经过后烘、显影和高温固化后，得到微流体通道模具；
步骤十：将混合有固化剂的PDMS倾倒在微流体通道模具上，经高温固化后，获得微流体通道；
步骤十一：通过氧等离子体键合的方法，将Y型微流体通道和微导线进行封装，即完成加工。
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