CN114992200A - 一种自适应微流控表面结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自适应微流控表面结构及其制造方法，包括：基材，基材的表面设有粗糙的亲水性表面，所述基材表面设置有多个呈阵列分布的间隔布置的微沟槽，微沟槽的纵切面呈V型，且微沟槽由起始端到末端的深度逐渐增加，使相邻的微沟槽间形成表面呈梯形的楔形结构。该结构的制造方法包括以下步骤：一、选取规格合适的基材进行清洁备用；二、在基材表面激光蚀刻，加工出粗糙表面结构；三、用去离子水对表面进行亲水处理；四、采用砂轮在基材表面加工出深度渐增的V型微沟槽；五、重复上述步骤四，加工出微沟槽阵列，相邻的微沟槽间形成表面呈梯形的楔形结构。该微流控表面结构在流控上可省去外力辅助，使流体工质定向运动，实现有效节能。

Description

一种自适应微流控表面结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及微流控结构技术领域，尤其是涉及一种自适应微流控表面结构及其制造方法。

背景技术

微流控结构，是利用微通道为载体处理或操控微小液滴实现定向运动。目前随着人们对微流控的研究不断深入，越来越多有关微流控的功能也不断被发掘，以满足人们的使用需求。

但是，目前的有关微流控的相关技术中，微结构内控制液滴大多需要借助外力辅助，从而影响微流控的效率。

为解决现有技术中存在的不足，即微流控需要特定外力辅助问题。本发明提供了一种自适应微流控表面结构及其加工方法，目的在于使微结构内液滴能够在不需要借助外力的情况下实现定向运动，通过制造的微结构表面使液滴实现自适应运动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自适应微流控表面结构及其加工方法，该结构内液滴能够在不需要借助外力的情况下实现定向运动，通过制造的微结构表面使液滴实现自适应运动。

本发明提供一种自适应微流控表面结构，包括：基材，所述基材的表面为粗糙的亲水性表面，所述基材表面设置有多个呈阵列分布的间隔布置的微沟槽，所述微沟槽的纵切面呈V型，且所述微沟槽由起始端到末端的深度逐渐增加，使相邻的所述微沟槽间形成表面呈梯形的楔形结构。

优选地，所述微沟槽的末端开口，并与所述基材的侧面齐平，所述楔形结构的表面由梯形的宽端到窄端其亲水性逐渐减小。

优选地，所述微沟槽的深度d大小为10μm～100μm。

优选地，所述微沟槽的槽底相对于所述基材表面的梯度β为2°～10°，所述微沟槽的底角α的大小为30°～75°。

优选地，相邻的所述微沟槽的间距h为400μm～600μm。

本发明同时提供了上述自适应微流控表面结构的制造方法，包括以下步骤：

步骤一：选取规格合适的基材进行清洁备用；

步骤二：采用激光器在基材表面进行激光蚀刻，加工出粗糙表面结构；

步骤三：采用去离子水对粗糙表面结构进行亲水处理；

步骤四：采用磨削砂轮在基材表面加工出深度逐渐增加的纵切面为V型的微沟槽；

步骤五：重复上述步骤四，在上述微沟槽的一侧加工出间隔相同的微沟槽阵列，并使相邻的微沟槽间形成表面呈梯形的楔形结构，最终得到微流控表面结构。

优选地，步骤四中所述磨削砂轮为V型金刚石砂轮，其磨削外缘的圆弧半径r不大于5μm，所述磨削砂轮的V型角度α为30°～75°，所述磨削砂轮的进给速度为100～400mm/min，其磨削加工出的所述微沟槽的深度d为10μm～100μm，所述微沟槽的槽底相对于所述基材表面的梯度β为2°～10°。

优选地，步骤二中所述激光器为紫外激光器，选用波长300-400nm的紫外激光对所述基材进行表面微纳结构的诱导，其中微纳孔隙为20-100nm，重复频率为20～100KHz，脉宽设置为10～20ns，扫描1～2次，加工出粗糙表面结构。

优选地，步骤三中采用去离子水对粗糙表面结构进行亲水处理的时间为10～15min。

优选地，步骤四中所述微沟槽阵列中相邻的所述微沟槽的轴线间距h为400～600μm。

本发明的技术方案通过在基材表面加工出粗糙的亲水性表面，并沿基材的长度方向加工出深度渐变的纵切面为V型的微沟槽，相邻的微沟槽间形成表面为梯形的楔形结构，微沟槽更深、梯形更窄的楔形结构表面呈现出更强的疏水性，因此最终加工完成的表面在润湿差异和阻力差异的耦合作用下，使得微流体在该表面上实现定向自润湿流动，可以理解的是，在所加工出的微结构上具有润湿梯度以及流动阻力差异的表面上，水液会朝着更加亲水以及流动阻力更小的方向定向流动，即由疏水性较强一端向亲水性较强一端定向流动。因此该微流控表面结构在流控上可省去外力辅助，使流体工质发生定向运动，实现有效节能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明自适应微流控表面结构的示意图；

图2为本发明中楔形结构和微沟槽的侧面结构示意图；

图3为本发明中磨削砂轮的行走路线示意图；

图4为液滴在楔形结构表面接触角差异自润湿原理。

附图标记说明：

1：基材；2：亲水性表面区域；3：微沟槽；4：楔形结构；5：磨削砂轮。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-2所示，本发明提供了一种自适应微流控表面结构，该微流控表面结构设置于基材1表面，基材1的表面设有粗糙的亲水性表面区域2，粗糙的亲水性表面由激光刻蚀后进行亲水性处理形成。

在本实施例中，基材1采用硅片，硅片表面的粗糙的亲水性表面区域2内，设有多个呈阵列分布的且间隔布置的微沟槽3，微沟槽3的纵切面呈V型，其沿着基材1的长度方向设置，且微沟槽3由靠近基材1的一侧边处起始，其末端延伸到基材1的另一侧边处，其末端呈V型，微沟槽3从起始端到末端的深度逐渐增加，其可通过改变切削工具的进给量实现，相邻的微沟槽间3设置有间隔，从而使相邻的微沟槽3间形成表面呈梯形的楔形结构4。

微沟槽3的末端开口，并与基材1的侧面齐平，可以方便向微沟槽3内充入工作液介质。微沟槽3的深度d大小为10μm～100μm，其末端最深为100μm，其起始端最浅，为10μm。微沟槽3的槽底相对于基材1表面或底面的梯度β为2°～10°，微沟槽3的底角α的大小为30°～75°，在本实施例中，优选α的大小为60°。相邻的微沟槽3的间距h为400μm～600μm，在本实施例中，间距h设定为500μm。

本发明同时提供了上述自适应微流控表面结构的制造方法，其包括以下步骤：

步骤一：选取规格尺寸为10mm×20mm×5mm的疏水性基材1进行清洁备用；

步骤二：采用紫外激光器在基材1表面进行激光蚀刻，选用波长300-400nm的紫外激光对基材1进行表面微纳结构的诱导，其中微纳孔隙为20-100nm，重复频率为20～100KHz，脉宽设置为10～20ns，激光扫描范围设置为20mm×8mm×1mm，扫描1～2次，加工出粗糙表面结构；

步骤三：采用去离子水对步骤一加工的粗糙表面结构进行亲水处理10～15min，在本实施例中，具体时间为10min；

步骤四：将步骤三处理好的粗糙表面工件装夹在精密磨削砂轮机器上，使用磨削砂轮5进行加工，在基材1表面加工出深度逐渐增加的纵切面为V型的微沟槽3；

如图2、3所示，磨削砂轮5为轮盘外周两侧呈V型金刚石砂轮，其磨削外缘为圆弧形，磨削外缘的圆弧半径r不大于5μm，磨削砂轮5的V型角度α为30°～75°，在本实施例中，选用V型角度α为60°的磨削砂轮5。

磨削砂轮5由基材1的靠近其一窄边位置作为起始点开始磨削，微沟槽3的起始端的深度为10μm，设置砂轮的行走路径为沿着工件不断加深切削深度的斜线运动，砂轮沿径向的进给速度为100～400mm/min，砂轮的进给深度根据预设的微沟槽3的深度及梯度的不同设置对应的斜线行走路径，其磨削加工出的微沟槽3的槽底相对基材1表面或地面的梯度β为2°～10°，在本实施例中，β的角度为10°，即加工路径的斜线相对基材1表面或地面的角度为10°，微沟槽3的末端为其最深位置，该位置的深度为100μm，因此，微沟槽3的深度h为10～100μm。

在本实施例中，磨削砂轮5的进给速度选用400mm/min，磨削砂轮5外缘的线速度为50m/s，以保证微沟槽3的加工效率。

步骤五：重复上述步骤四，在微沟槽3的一侧加工出间隔相同的微沟槽阵列，并使相邻的微沟槽3间形成表面呈梯形的楔形结构，最终得到微流控表面结构。相邻的微沟槽3的间距h为400～600μm，在本实施例中，h控制在500μm，最终加工出纵向相间的楔形结构4及横向的梯度微沟槽3，楔形结构4具有横向的梯形的结构表面，最终得到如图1所示的微结构表面。

本发明中微流控表面结构实现水液定向流动的远离如下：

如图4所示，液滴在楔形结构4较宽的表面上呈现出亲水性，在楔形结构4窄端的表面上呈现疏水性，至此加工出微沟槽3和楔形结构4间隔设置的表面微通道结构，使得液体在二维平面形成亲疏水性能不同的相间的楔形结构表面。在三维梯度的微沟槽3的深度方向产生结构阻力差异，由于θ1＜θ2，通过润湿差异和阻力差异的耦合作用，使得微流体在该表面上实现定向自润湿流动。加工出的微通道结构上具有左右不同的水润湿梯度以及水流动阻力差异，在具有润湿梯度以及流动阻力差异的表面上，水液流会朝着更加亲水，流动阻力小的方向定向流动，即由微沟槽3的开口的末端向其起始端定向流动。因此，该微通道结构在流控上可省去外力辅助使流体工质发生运动，有效节能，该微通道结构表面为微流体定向自律运动表面的制造提供新方法，有效解决集耐久性和热稳定性为一体的定向润湿表面制备技术问题。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种自适应微流控表面结构，其特征在于，包括：基材，所述基材的表面为粗糙的亲水性表面，所述基材表面设置有多个呈阵列分布的间隔布置的微沟槽，所述微沟槽的纵切面呈V型，且所述微沟槽由起始端到末端的深度逐渐增加，使相邻的所述微沟槽间形成表面呈梯形的楔形结构。

2.根据权利要求1所述的自适应微流控表面结构，其特征在于，所述微沟槽的末端开口，并与所述基材的侧面齐平，所述楔形结构的表面由梯形的宽端到窄端其亲水性逐渐减小。

3.根据权利要求1所述的自适应微流控表面结构，其特征在于，所述微沟槽的深度d大小为10μm～100μm。

4.根据权利要求1所述的自适应微流控表面结构，其特征在于，所述微沟槽的槽底相对于所述基材表面的梯度β为2°～10°，所述微沟槽的底角α的大小为30°～75°。

5.根据权利要求1所述的自适应微流控表面结构，其特征在于，相邻的所述微沟槽的间距h为400μm～600μm。

6.一种如权利要求1-5中任一项所述的自适应微流控表面结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：选取规格合适的基材进行清洁备用；

步骤二：采用激光器在基材表面进行激光蚀刻，加工出粗糙表面结构；

步骤三：采用去离子水对粗糙表面结构进行亲水处理；

步骤四：采用磨削砂轮在基材表面加工出深度逐渐增加的纵切面为V型的微沟槽；

步骤五：重复上述步骤四，在上述微沟槽的一侧加工出间隔相同的微沟槽阵列，并使相邻的微沟槽间形成表面呈梯形的楔形结构，最终得到微流控表面结构。

7.根据权利要求6所述的自适应微流控表面结构的制造方法，其特征在于，步骤四中所述磨削砂轮为V型金刚石砂轮，其磨削外缘的圆弧半径r不大于5μm，所述磨削砂轮的V型角度α为30°～75°，所述磨削砂轮的进给速度为100～400mm/min，其磨削加工出的所述微沟槽的深度d为10μm～100μm，所述微沟槽的槽底相对于所述基材表面的梯度β为2°～10°。

8.根据权利要求6所述的自适应微流控表面结构的制造方法，其特征在于，步骤二中所述激光器为紫外激光器，选用波长300-400nm的紫外激光对所述基材进行表面微纳结构的诱导，其中微纳孔隙为20-100nm，重复频率为20～100KHz，脉宽设置为10～20ns，扫描1～2次，加工出粗糙表面结构。

9.根据权利要求6所述的自适应微流控表面结构的制造方法，其特征在于，步骤三中采用去离子水对粗糙表面结构进行亲水处理的时间为10～15min。

10.根据权利要求6所述的自适应微流控表面结构的制造方法，其特征在于，步骤四中所述微沟槽阵列中相邻的所述微沟槽的轴线间距h为400～600μm。

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