CN113477281A - 多尺度微流控芯片的制作方法及其多尺度微流控芯片 - Google Patents

多尺度微流控芯片的制作方法及其多尺度微流控芯片 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多尺度微流控芯片的制作方法及其多尺度微流控芯片，其中的多尺度微流控芯片的制作方法，包括：第一金属模芯制作步骤，采用MEMS加工技术制作形成具有第一预设形状的第一金属模芯，所述第一金属模芯的结构尺寸为亚微米到微米量级；第二模具制作步骤，采用传统机加工技术制作形成具有第二预设形状的第二模具，所述第二模具的结构尺寸为毫米至厘米量级；嵌套注塑成型步骤，将所述第一金属模芯与所述第二模具相对间隔布置形成嵌套，以使两者之间形成待制作微流控芯片的填充成型空间，向所述填充成型空间内填充注塑材料，所述注塑材料冷却开模后得到所述多尺度微流控芯片。本发明的制作方法制作的一体化高精度多尺度微流控芯片更加可靠且结构更加紧凑、体积更小。

Description

多尺度微流控芯片的制作方法及其多尺度微流控芯片
技术领域
本发明属于微流控芯片制造技术领域，具体涉及一种多尺度微流控芯片的制作方法及其多尺度微流控芯片。
背景技术
微流控芯片加工的核心方法一般采用类似半导体工艺的微机电加工技术 (MEMS加工技术)，在芯片上构建微米或亚微米精细结构或微流路系统，从而实现生物、医学或化学功能的集成。而随着微流控技术在各个领域的应用发展，微流控芯片集成单元越来越多，集成规模也越来越大，使得芯片设计更加复杂，大量的微流控芯片须同时具有微米/亚微米级精细结构以及毫米/厘米量级的大尺寸结构。面对上述在同一芯片上实现多尺度加工的要求，目前现有的 MEMS技术更适合制作精细结构，在加工大尺寸结构上非常困难；而传统的机械加工方法无法实现微米乃至亚微米结构的制作。由此，一些工艺方法通过粘合两种尺寸的芯片来满足多尺度微流控芯片的加工要求，但组合起来的芯片精度不高且易发生开裂渗漏等质量问题，不适合大规模生产。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种多尺度微流控芯片的制作方法及其多尺度微流控芯片，制作形成的微流控芯片具有一体化高精度多尺度结构，与现有技术中的多片键合的微流控芯片相比，本发明的制作方法制作的多尺度微流控芯片更加可靠且结构更加紧凑、体积更小。
为了解决上述问题，本发明提供一种多尺度微流控芯片的制作方法，包括：
第一金属模芯制作步骤，采用MEMS加工技术制作形成具有第一预设形状的第一金属模芯，所述第一金属模芯的结构尺寸为亚微米到微米量级；
第二模具制作步骤，采用传统机加工技术制作形成具有第二预设形状的第二模具，所述第二模具的结构尺寸为毫米至厘米量级；
嵌套注塑成型步骤，将所述第一金属模芯与所述第二模具相对间隔布置形成嵌套，以使两者之间形成待制作微流控芯片的填充成型空间，向所述填充成型空间内填充注塑材料，所述注塑材料冷却开模后得到所述多尺度微流控芯片。
优选地，所述第一金属模芯制作步骤中具体包括：
选择玻璃盘作为基板，并对其进行清洗；
在所述玻璃盘的一侧上均匀涂布光刻胶并烘干得到光刻胶层；
对所述光刻胶层采用光刻工艺处理后显影得到具有预设图案的胶结构；
在所述胶结构的基础上采用微电铸工艺得到基于所述胶结构上的所述第一金属模芯；
去除所述胶结构得到所述第一金属模芯。
优选地，所述光刻胶为SU-8负性光刻胶或Az负性光刻胶；和/或，所述光刻工艺具体为通过365nm紫外光照射镀Cr掩膜版，将预设图案投射到所述光刻胶层上。
优选地，所述微电铸工艺是在所述光刻胶层上电沉积一定厚度的金属层，所述电沉积特征厚度为10μm-1000μm。
优选地，所述金属层为Zn、Fe、Cu、Ni、Cr、Au、Ag、Sn中的任意一种金属或至少两种金属形成的合金。
优选地，所述第二模具制作步骤中具体包括：
设计所述第二模具的3D结构；
依据所述3D结构规划相应的加工路径，再把已规划好的加工路径导入到用于金属加工的雕刻机中；
在雕刻机上安装合适尺寸的金属块，运行雕刻机，得到对应的金属加工块；
进行抛光和测量工序得到所述第二模具。
优选地，所述嵌套注塑成型步骤在注塑设备中进行，所述注塑设备具有静模端、动模端，所述第一金属模芯与所述静模端连接，所述第二模具与所述动模端连接，所述的第二模具能够跟随所述动模端相对所述第一金属模芯产生运动，所述第一金属模芯与所述第二模具的相对位置能够被锁定。
优选地，所述注塑材料包括熔融热塑形聚合物。
优选地，所述熔融热塑形聚合物聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、环烯烃类共聚物、聚丙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物中的任意一种或多种。
本发明还提供一种多尺度微流控芯片，采用上述的多尺度微流控芯片的制作方法制作而成。
本发明提供的一种多尺度微流控芯片的制作方法及其多尺度微流控芯片，通过MEMS加工技术制作形成具有第一预设形状的第一金属模芯从而使所述第一金属模芯的结构尺寸能够达到亚微米到微米量级，通过传统机加工技术制作形成具有第二预设形状的第二模具从而使所述第二模具的结构尺寸能够达到毫米至厘米量级，然后采用第一金属模芯与第二模具的具体布置嵌套实现对微流控芯片的两个相对侧面同时注塑成型，通过所述第一金属模芯以及第二模具的预设形状的改变，能够使同一片微流控芯片的两侧具有不同形状、不同尺度，也即采用本发明的技术方案首次实现了一体化高精度多尺度(亚微米到厘米量级)微流控芯片的制造，与现有技术中多片键合的微流控芯片相比，本发明的制作方法制作的多尺度微流控芯片更加可靠且结构更加紧凑、体积更小。
附图说明
图1为本发明实施例的多尺度微流控芯片的制作方法的步骤示意图；
图2为图1中的嵌套注塑成型步骤的工艺流程图；
图3为图1中的第一金属模芯制作步骤的工艺流程图。
附图标记表示为：
1、玻璃盘；2、光刻胶层；3、镀Cr掩膜版；4、紫外光灯；5、金属层； 10、第一金属模芯；20、第二模具；30、微流控芯片。
具体实施方式
结合参见图1至图3所示，根据本发明的实施例，提供一种多尺度微流控芯片的制作方法，包括：
第一金属模芯制作步骤，采用MEMS加工技术制作形成具有第一预设形状的第一金属模芯10，所述第一金属模芯10的结构尺寸为亚微米到微米量级；
第二模具制作步骤，采用传统机加工技术制作形成具有第二预设形状的第二模具20，所述第二模具20的结构尺寸为毫米至厘米量级；
嵌套注塑成型步骤，将所述第一金属模芯10与所述第二模具20相对间隔布置形成嵌套，以使两者之间形成待制作微流控芯片的填充成型空间，向所述填充成型空间内填充注塑材料，所述注塑材料冷却开模后得到所述多尺度微流控芯片30。
可以理解的是，所述第一预设形状、第二预设形状具体依据待制作的多尺度微流控芯片的具体形状进行设计即可。
该技术方案中，通过MEMS加工技术制作形成具有第一预设形状的第一金属模芯10从而使所述第一金属模芯10的结构尺寸能够达到亚微米到微米量级，通过传统机加工技术制作形成具有第二预设形状的第二模具20从而使所述第二模具20的结构尺寸能够达到毫米至厘米量级，然后采用第一金属模芯 10与第二模具20的具体布置嵌套实现对微流控芯片的两个相对侧面同时注塑成型，通过所述第一金属模芯10以及第二模具20的预设形状的改变，能够使同一片微流控芯片的两侧具有不同形状、不同尺度(尺寸量级截然不同)，也即采用本发明的技术方案首次实现了一体化高精度多尺度(亚微米到厘米量级)微流控芯片的制造，与现有技术中的多片键合的微流控芯片相比，本发明的制作方法制作的微流控芯片更加可靠且结构更加紧凑、体积更小。
在一些实施方式中，所述第一金属模芯制作步骤中具体包括：
选择玻璃盘(1)作为基板，并对其进行清洗；
在所述玻璃盘(1)的一侧上均匀涂布(例如采用匀胶机)光刻胶并烘干得到光刻胶层(2)；对所述光刻胶层(2)采用光刻工艺处理后显影得到具有预设图案(依据微流控芯片的设计需求而定)的胶结构；在所述胶结构的基础上采用微电铸工艺得到基于所述胶结构上的所述第一金属模芯10；去除所述胶结构得到所述第一金属模芯10。采用这一方式制作出的所述第一金属模芯10 在结构尺寸上能够达到亚微米到微米量级。
进一步的，所述光刻胶为SU-8负性光刻胶或Az负性光刻胶；和/或，所述光刻工艺具体为通过365nm紫外光照射镀Cr掩膜版，将预设图案投射到所述光刻胶层2上。
所述微电铸工艺是在所述光刻胶层2上电沉积一定厚度的金属层，所述电沉积特征厚度为10μm-1000μm。所述金属层为Zn、Fe、Cu、Ni、Cr、Au、 Ag、Sn中的任意一种金属或至少两种金属形成的合金。
在一些实施方式中，所述第二模具制作步骤中具体包括：
设计所述第二模具20的3D结构；依据所述3D结构规划相应的加工路径，再把已规划好的加工路径导入到用于金属加工的雕刻机中；在雕刻机上安装合适尺寸的金属块，运行雕刻机，得到对应的金属加工块；进行抛光和测量工序得到所述第二模具20。该技术方案中，通过雕刻机能够更为精确地对所述第二模具20进行制作，使制作形成的第二模具20在结构尺寸上能够达到毫米至厘米量级。
在一些实施方式中，所述嵌套注塑成型步骤在注塑设备中进行，所述注塑设备具有静模端、动模端，所述第一金属模芯10与所述静模端连接，所述第二模具20与所述动模端连接，所述的第二模具20能够跟随所述动模端相对所述第一金属模芯10产生运动，所述第一金属模芯10与所述第二模具20的相对位置能够被锁定，从而使两者之间的相对位置能够更加便利地被调整并保证相对位置的稳定性。
在一些实施方式中，所述注塑材料包括熔融热塑形聚合物，具体的，所述熔融热塑形聚合物聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、环烯烃类共聚物、聚丙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物中的任意一种或多种。
根据本发明的实施例，还提供一种多尺度微流控芯片，采用上述的多尺度微流控芯片的制作方法制作而成。
以下结合图2至图3对本发明的一个具体实施例进行进一步描述。
一种多尺度微流控芯片的制作方法：
(1)MEMS加工技术制作金属模芯(也即第一金属模芯10)：首先挑选普通玻璃盘1并对光检查，选择无明显缺陷或脏迹的玻璃盘1并将其放入等离子机中清洗，接着将SU-8负性光刻胶倒入小烧杯中静置除泡；打开匀胶机电源，固定清洁过的普通玻璃盘1固定，将除泡后的光刻胶缓慢适量地倒在玻璃盘1中心，设置转速，开始匀胶，将匀好胶的玻璃盘1放在热台上前烘至胶层不再流动，得到厚度为1-500μm的光刻胶层2，接着将带有光刻胶层2的玻璃盘1置于光刻机中，按镀Cr掩膜版3紫外曝光(采用紫外光灯4)一段时间，放于热台上后烘固化并浸泡在SU-8显影液中显影，得到具有精细图案的胶结构；最后将带有精细图案的胶结构置于5A直流电铸槽中电铸得到金属层5(具体为金属镍层)，剥离去胶后得到厚度为10-1000μm的金属镍模芯(也即第一金属模芯10)。如图3所示。
(2)传统机加工技术制作模具(也即第二模具20)：首先在电脑上设计出机加工模具的3D结构，然后依据3D结构规划相应的加工路径，再把已规划好的加工路径导入到用于金属加工的雕刻机中，在雕刻机上安装合适尺寸的金属块，运行雕刻机，得到对应的金属加工块，后续再进行抛光和测量等工序，最终得到相应的机加工模具。
(3)金属模芯与机加工模具的嵌套注塑工艺：由MEMS加工技术制得的高精度金属模芯和由传统机加工制得的模具面对面安装在注塑机上，其中金属模芯(图3中a))位于静模端，机加工模(图3中b))具位于动模端，动模端机加工模具以一定速度移动至静模端，与金属模芯嵌套并锁紧(图3中 c))，随后通过控制动静模温度以及注塑机射料速度，使嵌套模具间充分填充熔融热塑性高分子聚合物，更优选的，填充环烯烃类共聚物或聚甲基丙烯酸甲酯。在一定压力下保持一段时间，冷却开模，得到如图2所示的一体化高精度多尺度微流控芯片(图3中d)，也即微流控芯片30)。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上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。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多尺度微流控芯片的制作方法，其特征在于，包括：
第一金属模芯制作步骤，采用MEMS加工技术制作形成具有第一预设形状的第一金属模芯，所述第一金属模芯的结构尺寸为亚微米到微米量级；
第二模具制作步骤，采用传统机加工技术制作形成具有第二预设形状的第二模具，所述第二模具的结构尺寸为毫米至厘米量级；
嵌套注塑成型步骤，将所述第一金属模芯与所述第二模具相对间隔布置形成嵌套，以使两者之间形成待制作微流控芯片的填充成型空间，向所述填充成型空间内填充注塑材料，所述注塑材料冷却开模后得到所述多尺度微流控芯片。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，
所述第一金属模芯制作步骤中具体包括：
选择玻璃盘作为基板，并对其进行清洗；
在所述玻璃盘的一侧均匀涂布光刻胶并烘干得到光刻胶层；
对所述光刻胶层采用光刻工艺处理后显影得到具有预设图案的胶结构；
在所述胶结构的基础上采用微电铸工艺得到基于所述胶结构上的所述第一金属模芯；
去除所述胶结构得到所述第一金属模芯。
3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，
所述光刻胶为SU-8负性光刻胶或Az负性光刻胶；和/或，所述光刻工艺具体为通过365nm紫外光照射镀Cr掩膜版，将预设图案投射到所述光刻胶层上。
4.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，
所述微电铸工艺是在所述光刻胶层上电沉积一定厚度的金属层，所述电沉积特征厚度为10μm-1000μm。
5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，
所述金属层为Zn、Fe、Cu、Ni、Cr、Au、Ag、Sn中的任意一种金属或至少两种金属形成的合金。
6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，
所述第二模具制作步骤中具体包括：
设计所述第二模具的3D结构；
依据所述3D结构规划相应的加工路径，再把已规划好的加工路径导入到用于金属加工的雕刻机中；
在雕刻机上安装合适尺寸的金属块，运行雕刻机，得到对应的金属加工块；
进行抛光和测量工序得到所述第二模具。
7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，
所述嵌套注塑成型步骤在注塑设备中进行，所述注塑设备具有静模端、动模端，所述第一金属模芯与所述静模端连接，所述第二模具与所述动模端连接，所述的第二模具能够跟随所述动模端相对所述第一金属模芯产生运动，所述第一金属模芯与所述第二模具的相对位置能够被锁定。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的制作方法，其特征在于，
所述注塑材料包括熔融热塑形聚合物。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，
所述熔融热塑形聚合物聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、环烯烃类共聚物、聚丙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物中的任意一种或多种。
10.一种多尺度微流控芯片，其特征在于，采用权利要求1至9中任一项所述的多尺度微流控芯片的制作方法制作而成。
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