CN113694977A - 一种微流控制芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种微流控制芯片及其制作方法，包括：基板、盖板，二者之间形成腔室，腔室底部设置阵列孔区域，盖板两端设置进液口与出液口，进液口与出液口延第一方向设置，腔室内设置有由多个导流坝组成的阵列，每个导流坝均设置在相邻的两行或两列阵列孔之间，导流坝延第二方向设置；导流坝的阵列至少包括第一部分和第二部分，第一部分导流坝与腔室的第一侧壁连接，第二部分导流坝与腔室的第二侧壁连接；任意一个第一部分导流坝均与至少一个第二部分导流坝相邻设置，第一部分导流坝与第二部分导流坝在第一方向上的投影之间具有重叠部分。本公开通过在芯片腔室内设置导流坝阵列，将其腔室内大气泡的产生概率，提高进样成功率，使芯片准确性提升。

Description

一种微流控制芯片及其制作方法

技术领域

本公开涉及微流控及分子诊断技术领域，特别涉及一种微流控制芯片及其制作方法。

背景技术

微流控芯片技术是以微米级的流体操控为基础，在小尺寸的芯片上实现复杂的生化反应过程，使大型分析仪器不断向小型化、集成化、自动化、高通量等方向迭代升级，促进了以快速定量为核心的实时检测、现场分析等领域的发展。目前能够在微流控芯片上集成的生化反应已有很多种，聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction，PCR)是其中之一，它是一种在体外通过酶促反应大量合成目标DNA片段的经典分子生物学实验技术，具有特异性强、灵敏度高、操作简便等特点。

数字PCR(dPCR)是近年来迅速发展起来的第三代核酸分子定量分析技术，其原理是将一个样本均匀分配到几万个不同的反应单元，每个单元至少包含一个拷贝的目标DNA模板，随后在每个反应单元中分别进行PCR扩增，扩增结束后对各个反应单元的荧光信号进行统计学分析。目前数字PCR的实现形式主要有阵列式和液滴式，其中阵列式的数字PCR芯片相比液滴式生成的微反应体积更加均一，稳定性较高且体系之间影响较小，更有利于获得准确度高的分析结果。然而阵列式数字PCR芯片在进样的时候，由于芯片本身工艺及封装均匀性的问题，液体从一边的进样口流向另一边时，各部分液体流速不同步，流动较快的液体可能抢先到达出口，导致芯片内其他部分因出液口被封堵，生成腔室内的大气泡，影响其他部分液体进样，造成进样失败，对液体在微阵列腔室中分布的均匀性和完整性造成影响，最终影响检测结果的准确性。

发明内容

本公开实施例的目的在于提供一种微流控制芯片及其制作方法，用以解决现有技术中阵列式芯片内各部分液体流速不均导致大气泡产生，影响液体样本的进样成功率，导致检测结果准确率低的问题。

本公开的实施例采用如下技术方案：一种微流控制芯片，至少包括：基板、盖板，所述基板和所述盖板之间形成腔室，所述腔室底部设置有阵列孔区域，所述盖板两端设置有进液口与出液口，并且所述进液口与所述出液口延第一方向设置，其特征在于：所述腔室内设置有由多个导流坝组成的阵列，每个所述导流坝均设置在所述阵列孔区域内相邻的两行或两列阵列孔之间，所述导流坝延第二方向设置，所述第二方向与所述第一方向不同；所述导流坝的阵列至少包括第一部分和第二部分，其中，所述第一部分的导流坝与所述腔室的第一侧壁连接，所述第二部分的导流坝与所述腔室的第二侧壁连接，所述第二侧壁为与所述第一侧壁相对的侧壁；任意一个所述第一部分的导流坝均与至少一个第二部分的导流坝相邻设置，并且，所述第一部分的导流坝以及所述第二部分的导流坝在所述第一方向上的投影之间具有重叠部分。

在一些实施例中，所述导流坝与所述基板固定连接，或者，所述导流坝与所述盖板固定连接。

在一些实施例中，所述导流坝的横截面形状为以下任意一种：梯形、矩形、倒梯形。

在一些实施例中，所述导流坝的高度小于或等于所述腔室的高度。

在一些实施例中，所述导流坝的高度为所述腔室的高度的80％至90％之间。

在一些实施例中，所述导流坝由疏水材料制成；或者，所述导流坝表面涂覆有疏水材料。

在一些实施例中，所述导流坝至少包括以下类型之一：直线型、曲线型、波浪形。

在一些实施例中，相邻的所述导流坝之间的间隔相同。

在一些实施例中，相邻的所述导流坝之间的间隔与所述导流坝和所述进液口之间的距离具有关联关系，其中，所述导流坝距离所述进液口越近，相邻的所述导流坝之间的间隔越短。

本公开的实施例还提供了一种微流控制芯片的制作方法，包括：在基板的一侧沉积与导流坝高度相同的金属层；在所述金属层远离所述基板的一侧沉积光刻胶层；对所述光刻胶层进行图案化曝光以形成导流坝形状的光刻胶；基于湿法刻蚀去除未被所述光刻胶覆盖的金属层，形成导流坝结构；使用盖板对所述带有导流坝的基板进行封装，使所述导流坝处于所述盖板与所述基板之间形成的腔室内，形成微流控制芯片。

本公开实施例的有益效果在于：通过在芯片腔室内设置导流坝阵列，用于引导待检测的液体样本在导流坝阵列区域内分段同步流动，直至到达出口，将其腔室内大气泡的产生概率，避免影响后续检测流程，提高进样成功率，使芯片的检测准确性提升。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开第一实施例中微流控制芯片的结构截面示意图；

图2为本公开第一实施例中微流控制芯片的另一种结构截面示意图；

图3为图1所示微流控制芯片中导流坝的俯视示意图；

图4为本公开第一实施例中直线型导流坝的一种设置方式；

图5为本公开第一实施例中直线型导流坝的另一种设置方式；

图6为本公开第一实施例中曲线型导流坝的设置方式；

图7为本公开第一实施例中波浪形导流坝的设置方式；

图8为本公开第一实施例中不对称分布的导流坝结构；

图9为本公开第二实施例中微流控制芯片的制作方法的流程图；

图10为本公开第三实施例中微流控制芯片的制作方法的流程图。

具体实施方式

此处参考附图描述本公开的各种方案以及特征。

应理解的是，可以对此处申请的实施例做出各种修改。因此，上述说明书不应该视为限制，而仅是作为实施例的范例。本领域的技术人员将想到在本公开的范围和精神内的其他修改。

包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本公开的实施例，并且与上面给出的对本公开的大致描述以及下面给出的对实施例的详细描述一起用于解释本公开的原理。

通过下面参照附图对给定为非限制性实例的实施例的优选形式的描述，本公开的这些和其它特性将会变得显而易见。

还应当理解，尽管已经参照一些具体实例对本公开进行了描述，但本领域技术人员能够确定地实现本公开的很多其它等效形式，它们具有如权利要求的特征并因此都位于借此所限定的保护范围内。

当结合附图时，鉴于以下详细说明，本公开的上述和其他方面、特征和优势将变得更为显而易见。

此后参照附图描述本公开的具体实施例；然而，应当理解，所申请的实施例仅仅是本公开的实例，其可采用多种方式实施。熟知和/或重复的功能和结构并未详细描述以避免不必要或多余的细节使得本公开模糊不清。因此，本文所申请的具体的结构性和功能性细节并非意在限定，而是仅仅作为权利要求的基础和代表性基础用于教导本领域技术人员以实质上任意合适的详细结构多样地使用本公开。

本说明书可使用词组“在一种实施例中”、“在另一个实施例中”、“在又一实施例中”或“在其他实施例中”，其均可指代根据本公开的相同或不同实施例中的一个或多个。

现有自研数字PCR芯片在进行液体进样操作时，由于芯片本身工艺及封装均匀性的问题，液体从一个进样口流向另一边时，偶尔会出现各部分液体流速不同步的现象，某部分流动较快的液体可能抢先到达出口，而此时其他部分液体还未到达出口，在出口前形成大气泡，阻碍液体进入该区域的阵列孔中，造成进样失败。

为了解决上述问题，本公开第一实施例提供了一种微流控制芯片，即PCR芯片，该芯片至少包括表面具有阵列孔区域，用于承载液体并进行检测的基板，用于进行封装的盖板以及设置在盖板上的进液口和出液口，通常情况下，进液口和出液口设置在盖板的两端，二者延第一方向设置。

在本实施例中，盖板与基板之间所形成的密闭腔室内设置有由多个导流坝组成的阵列，每个导流坝均设置在腔室底部阵列孔区域内相邻的两行或两列阵列孔之间，用作阵列孔之间的间隔，并且每个导流坝可以延第二方向进行设置，并且第二方向与第一方向不同，为了达到更好的使用效果，将第二方向设置为与第一方向之间的夹角大于60°为宜；另外，导流坝之间进行交错设置，可将其分为两部分，第一部分的的导流坝与腔室第一侧壁连接，第二部分的导流坝则与第一侧壁相对的第二侧壁连接，使液体样本在注入腔室之后无法紧贴腔室侧壁流动，只能延导流坝之间形成的通道流动。进一步地，两部分导流坝之间交叉排列，即任意一个第一部分的导流坝均与至少一个第二部分的导流坝相邻设置，并且两部分导流坝在第一方向上的投影之间具有重叠部分，进而保证液体样本注入腔室后，依次沿着所有的导流坝流向出液口，并且在流动过程中不断进入腔室底部的阵列孔中，保证在腔室内的液体分段同步流动，直至到达出口，大大降低了腔室内大气泡产生的概率，保证进样成功率，进而提升了检测结果的准确性。

图1和图2示出了两种微流控制芯片的结构截面示意图。其中，在图1所示的微流控制芯片中导流坝设置在基板上，而图2所示的微流控制芯片中导流坝则设置在盖板上，上述两种设置方式的区别仅在于导流坝的设置位置，除此之外微流控制芯片中其他结构的制作和布置方式均相同，因此，本实施例中以图1为例进行具体说明。

如图1所示，其所记载的氧化硅层、ITO层、BM层、PVX层以及玻璃基底共同组成本实施例所述的基板，基板与盖板之间通过封装胶进行封装，并形成具有一定高度的腔室，盖板上开设有进液口和出液口，基板上则设置有用于进行液体检测的阵列孔区域，图1中BM层上开设有阵列孔(如图中BM层之间的中断位置所示)，并且在每个阵列孔周围通过PR胶层进行隔断。进一步地，导流坝阵列所设置的位置则与阵列孔的区域对应，按照图1所示，相邻的两行或两列阵列孔之间设置有一个导流坝，但是在相邻的两个导流坝之间可以具有多行或多列阵列孔，液体样本沿导流坝流动时，可以正好流经阵列孔的位置，保证阵列孔的进样成功率。

图3示出了图1所示微流控制芯片中导流坝的俯视示意图。如图3所示，进液口与出液口之间的连线方向为水平方向(即第一方向)，而导流坝的设置方向为竖直方向(即第二方向)，二者方向不同；与此同时，一部分导流坝与图3中处于上方的腔室侧壁(即第一侧壁)连接，一部分导流坝则与图3中处于下方的腔室侧壁(即第二侧壁)连接。另外，两部分导流坝呈相互平行错开的横向阵列分布，错开部分的长度可以是1至2mm左右，使两部分导流坝在第一方向上的投影之间具有重叠的部分，当液体样本从进液口进入时，则可按照图3中所示的箭头方向，从一个通道流向另一个通道，直至到达出液口，并在流动过程中覆盖阵列孔区域，实现液体进样。

在实际实现时，基于制作工艺的原因，在将导流坝设置在基板上时，导流坝的横截面形状在通常情况下为倒梯形，此时导流坝能够更容易的包围住流过的液体样本，使液体样本不会在导流坝之间相互串扰。在工艺允许的条件下，导流坝结构也可以是矩形或梯形，只要能够形成均匀稳定的导流区域即可。

此外，导流坝的高度可以设置于腔室的封装高度相同，或略低与腔室高度，避免导流坝过高影响封装效果。在实际实现时，可以将导流坝的高度设置为腔室高度的80％到90％之间，通过导流坝顶部与盖板(或基板)之间预留的10％至20％的距离尽可能地降低进样阻力，保证顺利进样。需要注意的是，图2所示的微流控制芯片中，导流坝设置在盖板上，其与底部的基板之间具有一定距离，在使用过程中可能导致液体样本从导流坝侧面渗出而无法按照图3所示的箭头方向流动，但即使存在侧面漏液的情况，其也能够对流速较快的液体起到一定的阻挡作用，尽可能地保持液体相对同步的流动。

在一些实施例中，导流坝可以使用疏水材料制成，或者在导流坝表面涂覆一层疏水材料，以保证导流坝的疏水性能，防止导流坝过于亲水而使液体样本停留在导流坝周围，无法到达阵列孔区域。具体地，制作导流坝的疏水材料可以选择金属或者较硬的PS胶，也可以选择氮化硅薄膜对导流坝表面进行涂覆，当然在实际使用时也可以选择其他疏水材料，只要能保证导流坝的疏水性能即可。

在实际使用时，通常情况下导流坝的宽度设置在100至200微米之间，高度通常在50至100微米之间。另外，相邻导流坝之间的间隔可以根据待检测的液体样本的不同进行调整，例如，较长的间隔可以适用于流速较慢、粘度较大的液体，而较短的间隔则有利于流速较快、粘度较小液体的均匀同步流动。与此同时，导流坝的间隔可以根据阵列孔的体积进行相应的调整。以阵列孔直径50微米、阵列间隔50微米的阵列孔区域为例，导流坝之间的间隔5排或以上的阵列孔，间隔长度可以设置为500微米；如果为了适应更大的阵列体积，如直径和阵列间隔均为80微米，仍然保持5排阵列孔的间隔，则导流坝之间的间隔为800微米；继续增加间隔的阵列孔排数，则导流坝间隔相应增大即可。

图1和图2中所示的导流坝均为直线型，主要适用于阵列孔相互正交垂直排列而无交错排列的情况，这样可以留出直线导流坝的堆积空间；而如果阵列孔呈现交错排列的情况，如类似正三角形的紧密排列情况，则需要相应改变导流坝的形状。在实际实现时，导流坝的形状也可以为曲线型或者波浪形。

图4至图8示出了其他几种导流坝的设置示意图，在实际使用时可根据阵列孔的排布情况以及液体样本情况对应选择相应的导流坝。

图4和图5分别示出了直线型导流坝的两种设置方式，其中，导流坝所设置的第二方向与第一方向之间具有夹角，大约呈60度，区别仅在于图5所示的上下两部分导流坝的延伸方向不同。图4和图5所示的导流坝的尺寸和间隔可以设置在500至1000微米之间，与图1的设置原理类似。

图6则示出了一种曲线型导流坝的设置方式，其中，导流坝所设置的第二方向与第一方向之间基本处于垂直状态；图7则示出了一种波浪形导流坝的设置方式，其导流坝所设置的第二方向与第一方向之间同样处于垂直状态。进一步地，曲线型和波浪形导流坝的曲率半径可以是0.5-0.8cm，由于曲线本身的形状限制，此时导流坝之间的间隔可以设置为1-2毫米，略大于直线型的导流坝之间的间隔。

在图1至图7所示的导流坝设置方式中，相邻的导流坝之间的间隔均相同，而在实际进行设置时，还可以根据导流坝距离进液口的距离对相邻导流坝之间的间隔进行调整，越靠近进液口的导流坝，该导流坝与其相邻的导流坝之间形成的间隔越短，使其呈现不对称分布的导流坝结构，如图8所示。在图8中，导流坝之间的间隔不完全相同，靠近进液口一侧的导流坝之间的间隔较短，靠近出液口一侧的导流坝之间的间隔更长。例如，液体样本从左方进液口向右方出液口流动，则导流坝设置为左密右疏的分布排列，间隔长度可以从500微米开始按照每次增加200微米的方式增大。设置该排列方式的目的是保证在液体开始流动并且流速较慢时就提供较多的阻力，而在液体基本同步流动之后适当减小阻力以方便后续进样，同时也部分降低了加工精度要求。需要注意的是，无论是直线型还是曲线型的导流坝都可以选择不对称的排列方式，从而兼顾流体同步性与进样难易度，本实施例在此不进行限制。

本实施例通过在芯片腔室内设置导流坝阵列，用于引导待检测的液体样本在导流坝阵列区域内分段同步流动，直至到达出口，将其腔室内大气泡的产生概率，避免影响后续检测流程，提高进样成功率，使芯片的检测准确性提升。

本公开第二实施例提供了一种第一实施例所提供的微流控制芯片的制作方法，其主要以将导流坝制作在基板上的方式进行，其具体流程图如图9所示，主要包括步骤S11至S15：

S11，在基板的一侧沉积与导流坝高度相同的金属层；

S12，在金属层远离基板的一侧沉积光刻胶层；

S13，对光刻胶层进行图案化曝光以形成导流坝形状的光刻胶；

S14，基于湿法刻蚀去除未被光刻胶覆盖的金属层，形成导流坝结构；

S15，使用盖板对带有导流坝的基板进行封装，使导流坝处于盖板与基板之间形成的腔室内，形成微流控制芯片。

在制作之前，导流坝的高度、宽度、形状、间隔等具体参数可根据实际需求具体调整，本实施例不进行限制。另外，需要注意的是，进行金属层沉积、光刻胶沉积、光刻胶曝光以及金属层刻蚀的具体工艺可以直接使用现有工艺进行，本实施例不进行具体描述，只要保证可以在基板上制作出所需尺寸的导流坝阵列即可。

通过本实施例所制作的微流控制芯片，其芯片腔室内设置有导流坝阵列，用于引导待检测的液体样本在导流坝阵列区域内分段同步流动，直至到达出口，将其腔室内大气泡的产生概率，避免影响后续检测流程，提高进样成功率，使芯片的检测准确性提升。

本公开第三实施例提供了一种第一实施例所提供的微流控制芯片的制作方法，其主要以将导流坝制作在盖板上的方式进行，其具体流程图如图10所示，主要包括步骤S21至S25：

S21，在盖板的一侧沉积与导流坝高度相同的金属层；

S22，在金属层远离盖板的一侧沉积光刻胶层；

S23，对光刻胶层进行图案化曝光以形成导流坝形状的光刻胶；

S24，基于湿法刻蚀去除未被光刻胶覆盖的金属层，形成导流坝结构；

S25，将带有导流坝的盖板与基板进行封装，使导流坝处于盖板与基板之间形成的腔室内，形成微流控制芯片。

在制作之前，导流坝的高度、宽度、形状、间隔等具体参数可根据实际需求具体调整，本实施例不进行限制。另外，需要注意的是，进行金属层沉积、光刻胶沉积、光刻胶曝光以及金属层刻蚀的具体工艺可以直接使用现有工艺进行，本实施例不进行具体描述，只要保证可以在基板上制作出所需尺寸的导流坝阵列即可。相较于第二实施例中所提供的在基板上进行导流坝制作的方案，本实施例在盖板上进行导流坝制作可以适当降低加工难度，利于进行批量制作。

通过本实施例所制作的微流控制芯片，其芯片腔室内设置有导流坝阵列，用于引导待检测的液体样本在导流坝阵列区域内分段同步流动，直至到达出口，将其腔室内大气泡的产生概率，避免影响后续检测流程，提高进样成功率，使芯片的检测准确性提升。

以上对本公开多个实施例进行了详细说明，但本公开不限于这些具体的实施例，本领域技术人员在本公开构思的基础上，能够做出多种变型和修改实施例，这些变型和修改都应落入本公开所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种微流控制芯片，至少包括：基板、盖板，所述基板和所述盖板之间形成腔室，所述腔室底部设置有阵列孔区域，所述盖板两端设置有进液口与出液口，并且所述进液口与所述出液口延第一方向设置，其特征在于：

所述腔室内设置有由多个导流坝组成的阵列，每个所述导流坝均设置在所述阵列孔区域内相邻的两行或两列阵列孔之间，所述导流坝延第二方向设置，所述第二方向与所述第一方向不同；

所述导流坝的阵列至少包括第一部分和第二部分，其中，所述第一部分的导流坝与所述腔室的第一侧壁连接，所述第二部分的导流坝与所述腔室的第二侧壁连接，所述第二侧壁为与所述第一侧壁相对的侧壁；任意一个所述第一部分的导流坝均与至少一个第二部分的导流坝相邻设置，并且，所述第一部分的导流坝以及所述第二部分的导流坝在所述第一方向上的投影之间具有重叠部分。

2.根据权利要求1所述的微流控制芯片，其特征在于，所述导流坝与所述基板固定连接，或者，所述导流坝与所述盖板固定连接。

3.根据权利要求1所述的微流控制芯片，其特征在于，所述导流坝的横截面形状为以下任意一种：梯形、矩形、倒梯形。

4.根据权利要求1所述的微流控制芯片，其特征在于，所述导流坝的高度小于或等于所述腔室的高度。

5.根据权利要求4所述的微流控制芯片，其特征在于，所述导流坝的高度为所述腔室的高度的80％至90％之间。

6.根据权利要求1所述的微流控制芯片，其特征在于，所述导流坝由疏水材料制成；或者，所述导流坝表面涂覆有疏水材料。

7.根据权利要求1所述的微流控制芯片，其特征在于，所述导流坝至少包括以下类型之一：直线型、曲线型、波浪形。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的微流控制芯片，其特征在于，相邻的所述导流坝之间的间隔相同。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的微流控制芯片，其特征在于，相邻的所述导流坝之间的间隔与所述导流坝和所述进液口之间的距离具有关联关系，其中，所述导流坝距离所述进液口越近，相邻的所述导流坝之间的间隔越短。

10.一种微流控制芯片的制作方法，其特征在于，包括：

在基板的一侧沉积与导流坝高度相同的金属层；

在所述金属层远离所述基板的一侧沉积光刻胶层；

对所述光刻胶层进行图案化曝光以形成导流坝形状的光刻胶；

基于湿法刻蚀去除未被所述光刻胶覆盖的金属层，形成导流坝结构；

使用盖板对所述带有导流坝的基板进行封装，使所述导流坝处于所述盖板与所述基板之间形成的腔室内，形成微流控制芯片。

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