CN204583216U - 一种微流体自律运动的微流控芯片及注液装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微流体自律运动的微流控芯片，包括芯片基板、盖板，所述芯片基板上设置有横截面呈V槽形的微流道，所述微流道的入口深度10～800微米，流道出口深度20～800微米，同时，所述微流道从入口到出口深度逐渐变深，且变化规律为ΔH＝ΔLtanβ，ΔH为流道深度增量，ΔL为流道长度增量，0<β<10度。本实用新型提供的微流控芯片流道成型精度更高、流道内壁面表面质量更高，更易于流体流动，工艺更简单、生产效率更高且成本更低。本实用新型还提供了一种用于所述的微流控芯片的注液装置，封装紧密，工艺简单，封装效率高。

Description

一种微流体自律运动的微流控芯片及注液装置

技术领域

本实用新型涉及一种微流控芯片，尤其涉及一种微流体自律运动的微流控芯片及注液装置。

背景技术

微流控芯片是将微机电加工技术、测试分析技术、数字信息技术等高度集成化的产物，它将生物化学分析、分离，医学病毒、基因检测等功能集成到一块芯片上。随着信息技术的发展，运用微流控芯片检测技术，可以实现远程诊断，远程医疗等。微流控芯片是利用其内部的微流道并根据不同的使用要求，对测试液、样液等进行分离、混合、反应等来实现其功能，一般的微流道宽度小至50微米，深10微米。目前，微流控芯片基板表面的微流道通常是通过光刻、化学刻蚀等方法制作，化学刻蚀方法图形控制性较差，流道深宽比小，且流道表面较粗糙，粗糙的流道表面增加了流体在流道内的阻力。光刻技术是相对较成熟的技术，也是目前微流芯片基板制造中应用较多的技术手段。光刻法要经过基板清洗烘干、涂底、涂胶、软烘、加盖掩模板、曝光、显影、腐蚀等一系列程序，制作过程复杂，且每一步都需要精确控制才能制作出精度较高的芯片，制作周期长，且成本较高，很难将微流芯片推广应用，目前微流控芯片主要应用于实验研究中。所以目前需要寻找一种简便易行的微流控芯片基板制作方法。微流控芯片基板制作完毕还需要加装盖板才能形成完整的微流道，目前主要有直接键合、高温热键合、粘接键合、等离子体辅助键合等方法加装 盖板。其中直接键合法主要应用于PDMS材料的微流芯片的键合中，此方法键合里是利用分子间的范德瓦尔斯力结合，键合力有限，容易发生漏液现象；高温热键合的方法对基板和盖板的平面度要求较高，进而增加了基板和盖板的制作难度，从而增加了成本；粘接键合是采用粘接剂将基板与盖板键合，粘接剂容易堵塞微流道；等离子辅助键合需要使用的高真空等离子体设备较昂贵，所以成本较高。目前微流控系统内流体驱动的方式有压力驱动、气动微泵驱动、离心力驱动、电渗驱动等方式。压力驱动和气动微泵驱动下的液体流动有脉动性缺点，尤其当液体在低速流动情况下脉动性较明显；离心力驱动是利用芯片旋转时产生的离心力来驱动芯片流道内的液体流动，此时芯片内的液体同时受力，不易实现复杂控制。且由于芯片工作时需要旋转，所以难以与送样设备、检测设备、信息采集设备联用；电渗驱动是利用流道表面产生的电荷并通过外加电场驱动芯片内的流体运动。此方法需要很高的外部电压，由于只有特定的芯片材料才能使流道壁产生电荷，所以芯片制作材料受到限制。另外此方法稳定性有待提高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种高精度，易封装、易驱动微流控芯片及其制作方法。本实用新型所述微流控芯片制作、封装和驱动方法可以有效解决目前微流控芯片内流道表面质量不够高，封装易出现漏液、设备昂贵且成本高，流体驱动不够灵活、设备复杂等问题。

本实用新型可通过如下技术方案实现：

本实用新型一方面提供了一种微流体自律运动的微流控芯片，包括芯片基板、盖板，所述芯片基板上设置有横截面呈V槽形的微流道，所述微流道的入口深度10～800微米，流道出口深度20～800微米，同时，所述微流道从入口到出口深度逐渐变深，且变化规律为ΔH＝ΔLtanβ，ΔH为流道深度增量，ΔL为流道长度增量，0<β<10度。

进一步地，所述微流道呈放射状分布于芯片基板上且相交于同一入口，各条微流道呈直线形，各微流道的V槽夹角为30～180度。

进一步地，所述微流道为曲线形，其V槽夹角为30～90度，所述微流道的出口连接设置于芯片基板的混合反应池。

进一步地，所述芯片基板和盖板的材料为透光性聚合物石英、PMMA、PDMS或玻璃，所述微流道的内表面粗糙度为10纳米～30纳米，V槽尖端圆弧半径为10微米～20微米，以提高流体在微流道内的流动速度。

微流道截面形状为V形，其形式分为直线流道和曲线流道两种。直线流道阵列式微流控芯片主要用于简单测试项目的批量操作。曲线流道微流控芯片主要用于相对较复杂的测试项目。为了增加流体在芯片微流道内的流动性，两种芯片的流道深度都是从入口到出口逐渐加深。

本实用新型另一方面提供了一种微流体自律运动的微流控芯片的制造方法，包括步骤：

步骤1、磨削微流道，采用金刚石砂轮在芯片基板按预定轨迹磨削出微流道；

步骤2、封装芯片基板和盖板，采用超声波辅助震动的方式封装，超声波发生器发出的超声电信号经过超声波换能器、变幅杆、工具头作用在盖板表面，沿盖板继续向下传播直至盖板与芯片基板的接触面，然后在接触面产生高频机械振动，两接触面产生高频摩擦并升温，最后发生融合使盖板和芯片基板紧密结合在一起，不易发生漏液，且封装效率高。

进一步地，所述步骤1具体包括： 

步骤11、将金刚石砂轮精密修整成V形尖端，尖端的夹角与所需加工的微流道截面夹角相同，取值为30～180度，所述金刚石砂轮为金属基或树脂基金刚石砂轮，直径为150毫米，粒度300～4000目，金刚石浓度100％；

步骤12、将金刚石砂轮安装在精密磨床主轴上，转速为2000～3000转/分，芯片基板装夹水平分度盘上，金刚石砂轮沿与芯片基板表面成一定角度的折线刀具轨迹做直线插补运动，进给速度为0.1～0.2米/分，每次进给深度为1～3微米，使用水冷却，利用砂轮尖端在芯片基板1表面磨削出微流道；

步骤13、一条微流道磨削完，分度盘旋转一定角度，磨削下一条微流道，直到磨削出所有微流道。

进一步地，所述步骤1具体包括： 

将圆柱形金刚石砂轮的柄部夹持在五轴精密机床上，圆柱形金刚 石砂轮的砂轮头直径为2～50毫米，粒度300～4000目，金刚石浓度100％，砂轮头端面与侧面形成的尖角的角度为30～90度；圆柱形金刚石砂轮的轴线与芯片基板表面的法线方向夹角α为45度，砂轮转速n为2000～10000转/分，沿曲线刀具轨迹利用尖角在芯片基片表面磨削出微流道，砂轮进给速度v为0.1～0.2米/分，每次进给深度a为1～3微米，使用水冷却。

进一步地，步骤2中所述超声波换能器接收到的超声电信号的频率为10～130kHz，超声波的功率为50～1500瓦，变幅杆的变幅比为1～15。

本实用新型还提供一种用于所述的微流控芯片的注液装置，包括一端连接微流控芯片入口、另一端连接注液装置出口的管道，所述注液装置另一端依次连接工具头、变幅杆、超声波换能器，所述超声波换能器接收到的超声电信号的频率为10～130kHz，超声波的功率为50～1500瓦，变幅杆的变幅比为1～15。

进一步地，所述注液装置包括出口连接管道的活塞式注射器，所述活塞式注射器的活塞的一端与超声波的工具头相接触，另一头与注射器内液体相接触；

或者，

所述注液装置包括一个一端与工具头相连、另一端连接管道的转接头，所述转接头中间设有流体通道，外部试液通过所述流体通道的孔入口流入流体通道再通过连接管道流入微流道的入口。

本实用新型的流体驱动方式同样采用超声波辅助，其一超声震动 施加在活塞式注射器的“活塞”上，“活塞”产生高频振动的同时会对与其相接触的液体产生高频的往复推力，从而驱使液体向流道内流动。其二超声震动施加在管道上，管道将超声震动传递给流体，且震动沿流体流动方向传播，流体内产生的高频振动驱使其相前流动。

本实用新型与现有技术相比具有如下优点：

(1)本实用新型制作的微流控芯片内部的微流道微是通过精密磨削的方法制作，与化学蚀刻相比流道成型精度更高更高、流道内壁面表面质量更高，更易于流体流动。

(2)与光刻法相比，本实用新型采用的精密磨削方法制作精度高、工艺更简单、生产效率更高且成本更低。

(3)本实用新型采用的微流控芯片的封装方法，芯片基板和盖板结合紧密，不易漏液，且不会出现像粘接封装方法存在的胶水堵塞流道的问题。采用超声波辅助封装的方法与等离子辅助封装相比，设备简单，且容易实现轻量化和高效率生产。

(4)本实用新型微流控芯片内的微流道深度从流体入口到流体出口逐渐变深，且采用超声波辅助流动的方式，可以实现流道内流体的自律流动。与微泵驱动、电渗驱动相比本驱动方法更容易实现连续、精准、快速驱动。

附图说明

图1为本实用新型直线形微流道微流控芯片三维形貌示意图。

图2为本实用新型曲线形微流道微流控芯片三维形貌示意图。

图3为本实用新型微流控芯片微流道截面示意图。

图4为本实用新型微流控芯片微流道深度增量原理图。

图5为本实用新型微流控芯片直线形微流道加工示意图。

图6为本实用新型微流控芯片曲线形微流道加工示意图。

图7为本实用新型微流控芯片超声波辅助封装示意图。

图8为本实用新型微流控芯片超声波辅助注射式流动示意图。

图9为本实用新型微流控芯片超声波辅助管道流动示意图。

图中所示为：1-芯片基板；2-微流道；3-入口；4-出口；5-金刚石砂轮；6-尖端；7-折线刀具轨迹；8-混合反应池；9-曲线刀具轨迹；10-柄部；11-砂轮头；12-尖角；13-超声波换能器；14-变幅杆；15-工具头；16-水平工作台；17-盖板；18-活塞式注射器；19-孔入口；20-管道；21-活塞。

具体实施方式

为更好理解本实用新型，下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明，但是本实用新型要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。

如图1所示，一种微流体自律运动的微流控芯片，包括芯片基板1、盖板17，所述芯片基板1上设置有横截面呈V槽形的微流道2，所述微流道2的入口深度10～800微米，流道出口深度20～800微米，同时，所述微流道2从入口到出口深度逐渐变深，且变化规律为ΔH＝ΔLtanβ，ΔH为流道深度增量，ΔL为流道长度增量，0<β<10度。

进一步地，所述微流道2呈放射状分布于芯片基板1上且相交于同一入口3，各条微流道2呈直线形，各微流道2的V槽夹角为30～180度。

进一步地，所述芯片基板1和盖板17的材料为透光性聚合物石英、PMMA、PDMS或玻璃。

在另一个实施例中，如图2所示，一种微流体自律运动的微流控芯片，包括芯片基板1、盖板17，所述芯片基板1上设置有横截面呈V槽形的微流道2，所述微流道2的入口深度10～800微米，流道出口深度20～800微米，同时，所述微流道2从入口到出口深度逐渐变深，且变化规律为ΔH＝ΔLtanβ，ΔH为流道深度增量，ΔL为流道长度增量，0<β<10度。

进一步地，所述微流道2为曲线形，其V槽夹角为30～90度，所述微流道2的出口4连接设置于芯片基板1的混合反应池8。

进一步地，所述芯片基板1和盖板17的材料为透光性聚合物石英、PMMA、PDMS或玻璃，所述微流道2的内表面粗糙度为10纳米～30纳米，V槽尖端圆弧半径为10微米～20微米。

如图2所示为弯曲流道微流控芯片基板结构示意图，微流道2呈曲线状，微流道2由直线和曲线弧线(如圆弧线、椭圆弧线、抛物线等2次或多次曲线)连接组成，微流道2的入口3由一个或多个组成，可根据测试具体要求制作不同数量的流体入口3。出口4连接药物或试样混合反应池8。微流道2的深度从入口3到出口4逐渐加深，流道2在入口3处的深度为10～800微米，出口4的深度为20～800微 米。弯曲流道2的截面呈V形，V形槽两侧面夹角为90度。

如图3所示为直线形微流道2的截面形状，截面呈V形，V形槽两侧面夹角30<γ<180度。

如图4所示为微流道2深度增量计算方法示意图，从入口3开始计算，流道每前进ΔL流道深度增加ΔH，其增量关系为ΔH＝ΔLtanβ，β取值范围为0～10度。

图5所示为具直线形微流道2的微流控芯片的制造方法，包括步骤：

步骤1、磨削微流道2，采用金刚石砂轮5在芯片基板1按预定轨迹磨削出微流道2；

步骤2、封装芯片基板1和盖板17，采用超声波辅助震动的方式封装，超声波发生器发出的超声电信号经过超声波换能器13、变幅杆14、工具头15作用在盖板17表面，沿盖板17继续向下传播直至盖板17与芯片基板1的接触面，然后在接触面产生高频机械振动，两接触面产生高频摩擦并升温，最后发生融合使盖板17和芯片基板1紧密结合在一起。

进一步地，所述步骤1具体包括： 

步骤11、将金刚石砂轮5精密修整成V形尖端6，尖端6的夹角与所需加工的微流道2截面夹角相同，取值为30～180度，所述金刚石砂轮5为金属基或树脂基金刚石砂轮，直径为150毫米，粒度300～4000目，金刚石浓度100％；

步骤12、将金刚石砂轮5安装在精密磨床主轴上，转速为2000～3000转/分，芯片基板1装夹水平分度盘上，金刚石砂轮5沿与芯片基板1表面成一定角度的折线刀具轨迹7做直线插补运动，进给速度为0.1～0.2米/分，每次进给深度为1～3微米，使用水冷却，利用砂轮尖端6在芯片基板1表面磨削出微流道2；

步骤13、一条微流道2磨削完，分度盘旋转一定角度，磨削下一条微流道2，直到磨削出所有微流道2。

进一步地，步骤2中所述超声波换能器13接收到的超声电信号的频率为10～130kHZ，超声波的功率为50～1500瓦，变幅杆14的变幅比为1～15。

刀具轨迹7的每段直线皆与其相对应的流道底部的直线平行，且与所述芯片基片1的表面夹角为β。按照此方法逐渐在芯片基板1表面加工出所有流道。

图6所示为具曲线形微流道2的微流控芯片的制造方法，包括步骤：

步骤1、磨削微流道2，采用金刚石砂轮5在芯片基板1按预定轨迹磨削出微流道2；

步骤2、封装芯片基板1和盖板17，采用超声波辅助震动的方式封装，超声波发生器发出的超声电信号经过超声波换能器13、变幅杆14、工具头15作用在盖板17表面，沿盖板17继续向下传播直至盖板17与芯片基板1的接触面，然后在接触面产生高频机械振动， 两接触面产生高频摩擦并升温，最后发生融合使盖板17和芯片基板1紧密结合在一起。

进一步地，所述步骤1具体包括： 

将圆柱形金刚石砂轮5的柄部10夹持在五轴精密机床上，圆柱形金刚石砂轮5的砂轮头11直径为2～50毫米，粒度300～4000目，金刚石浓度100％，砂轮头端面与侧面形成的尖角12的角度为30～90度；圆柱形金刚石砂轮5的轴线与芯片基板1表面的法线方向夹角α为45度，砂轮转速n为2000～10000转/分，沿曲线刀具轨迹9利用尖角12在芯片基片1表面磨削出微流道2，砂轮进给速度v为0.1～0.2米/分，每次进给深度a为1～3微米，使用水冷却。

进一步地，步骤2中所述超声波换能器13接收到的超声电信号的频率为10～130kHz，超声波的功率为50～1500瓦，变幅杆14的变幅比为1～15。

图7为上述实施例中微流控芯片封装芯片基板1和盖板17的示意图，首先将已经制作有微流道2的芯片基板1和盖板17清洗干净并对齐放置于水平工作台16上。超声波换能器13用于接收超声波发生器提供的电信号，并将其转换成超声震动，并通过变幅杆14将震动的振幅放大或缩小，然后通过工具头15作用在微流控芯片的盖板17上。高频的超声震动通过工具头传播到盖板17上，沿着盖板17继续向下传播，并在盖板和芯片基板接触面发生高频振动，此时芯片基板1的与盖板17相互接触的边界面发生高频摩擦并升温，进而发生融合，使芯片基板1和盖板17紧密结合。其中超声波换能器13接 收到的超声电信号的频率为10～130kHz，超声波的功率为50～1500瓦，变幅杆14的变幅比为1～15。

如图8所示，在另一个实施例中，本实用新型还提供一种用于所述的微流控芯片的注液装置，包括一端连接微流控芯片入口3、另一端连接注液装置出口的管道20，所述注液装置另一端依次连接工具头15、变幅杆14、超声波换能器13，所述超声波换能器13接收到的超声电信号的频率为10～130kHz，超声波的功率为50～1500瓦，变幅杆14的变幅比为1～15。

进一步地，所述注液装置包括出口连接管道20的活塞式注射器18，所述活塞式注射器18的活塞17的一端与超声波的工具头15相接触，另一头与注射器内液体相接触；

本实施例中，将试样或检测液装入活塞式注射器18中，并通过管道20与微流芯片入口3相连；工具头15传递的高频超声震动通过活塞17传递到液体表面，并沿液体流动方向继续传播，此时活塞17与液体的接触面产生的高频振动和液体内部传播的超声震动推动液体沿微流道2从入口3向出口4方向流动，液体的流动速度可以通过调节超声电信号的频率和变幅杆的变幅比来控制，用此方法控制流体流速简单且易行。其中超声波换能器13接收到的超声电信号的频率为10～130kHz，超声波的功率为50～1500瓦，变幅杆14的变幅比为1～15。

如图9所示，在另一个实施例中，本实用新型还提供另一种用于所述的微流控芯片的注液装置，包括一端连接微流控芯片入口3、另 一端连接注液装置出口的管道20，所述注液装置另一端依次连接工具头15、变幅杆14、超声波换能器13，所述超声波换能器13接收到的超声电信号的频率为10～130kHz，超声波的功率为50～1500瓦，变幅杆14的变幅比为1～15。

所述注液装置包括一个一端与工具头15相连、另一端连接管道20的转接头，所述转接头中间设有流体通道，外部试液通过所述流体通道的孔入口19流入流体通道再通过连接管道20流入微流道2的入口3，其原理与图8基本相同，本实施例去除了活塞式注射器18，简化了驱动结构。图中与工具头15相连的是一个中间带孔的转接头，外部试液通过孔入口19流入并流过转接头内孔再通过管道20流入微流道2；超声波震动通过转接头传递给试液并沿试液流动方向向前传播。

在另一个实施例中，所述的微流控芯片采用石英基板，钢化白玻璃盖板，石英基板长50毫米、宽50毫米、厚3毫米，玻璃盖板长60毫米宽60毫米，厚0.5毫米。石英基板上加工有3条微流道，流道分布呈Y形，微流道2的截面为V形，夹角为60度，沟槽等深且深度为600微米，宽度为577.3微米。

采用CNC精密磨床(SMRART B818)加工微流控芯片基板，砂轮为盘状金刚石砂轮，砂轮直径为150毫米，砂轮尖角为60度，粒度3000目。粗加工砂轮转速2500转，进给速度0.15米/分，每次进给深度2微米，粗加工余量50微米。精加工砂轮转速3000转，进给速度0.2米/分，每次进给深度1微米，切削液为水。最终加工出的微流 道经泰勒轮廓仪检测表面粗糙度为50纳米。

芯片封装采用直接压力键合，液体驱动方式采用压力驱动，最终芯片内液体平均流速为15毫米/秒。

在另一个实施例中，所述的微流控芯片采用PMMA基板，PMMA盖板，基板长84毫米、宽87毫米、厚4毫米，盖板长84毫米宽87毫米，厚4毫米。基板上加工有8条微流道，流道分布呈“米”字形，微流道的截面为V形，夹角为60度，沟槽入口深度为100微米，沟槽出口深度为150微米。

采用CNC精密磨床(SMRART B818)加工微流控芯片基板，砂轮为盘状金刚石砂轮，砂轮直径为150毫米，砂轮尖角为60度，粒度3000目。粗加工砂轮转速2500转，进给速度0.2米/分，每次进给深度3微米，粗加工余量50微米。精加工砂轮转速3000转，进给速度0.2米/分，每次进给深度2微米，切削液为水。最终加工出的微流道经泰勒轮廓仪检测表面粗糙度为30纳米。

芯片封装采用超声辅助键合，超声波频率35KHz，功率为1200瓦。液体驱动方式采用超声波辅助注射方式驱动，即超声波装加在活塞式注射器的推杆末端，其中超声波频率为35KHz，功率为900瓦。最终芯片内液体平均流速为30毫米/秒。

本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实 用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种微流体自律运动的微流控芯片，包括芯片基板(1)、盖板(17)，其特征在于：所述芯片基板(1)上设置有横截面呈V槽形的微流道(2)，所述微流道(2)的入口深度10～800微米，流道出口深度20～800微米，同时，所述微流道(2)从入口到出口深度逐渐变深，且变化规律为ΔH＝ΔLtanβ，ΔH为流道深度增量，ΔL为流道长度增量，0<β<10度。

2.根据权利要求1所述的微流体自律运动的微流控芯片，其特征在于：所述微流道(2)呈放射状分布于芯片基板(1)上且相交于同一入口(3)，各条微流道(2)呈直线形，各微流道(2)的V槽夹角为30～180度。

3.根据权利要求1所述的微流体自律运动的微流控芯片，其特征在于：所述微流道(2)为曲线形，其V槽夹角为30～90度，所述微流道(2)的出口(4)连接设置于芯片基板(1)的混合反应池(8)。

4.根据权利要求1所述的微流体自律运动的微流控芯片，其特征在于：所述芯片基板(1)和盖板(17)的材料为透光性聚合物石英、PMMA、PDMS或玻璃，所述微流道(2)的内表面粗糙度为10纳米～30纳米，V槽尖端圆弧半径为10微米～20微米。

5.一种用于根据权利要求1至4任一项所述的微流控芯片的注液装置，包括一端连接微流控芯片入口(3)、另一端连接注液装置出口的管道(20)，其特征在于：所述注液装置另一端依次连接工具头(15)、变幅杆(14)、超声波换能器(13)，所述超声波换能器(13)接收到的超声 电信号的频率为10～130kHz，超声波的功率为50～1500瓦，变幅杆(14)的变幅比为1～15。

6.根据权利要求5所述的微流控芯片的注液装置，其特征在于：

所述注液装置包括出口连接管道(20)的活塞式注射器(18)，所述活塞式注射器(18)的活塞(17)的一端与超声波的工具头(15)相接触，另一头与注射器内液体相接触；

或者，

所述注液装置包括一个一端与工具头(15)相连、另一端连接管道(20)的转接头，所述转接头中间设有流体通道，外部试液通过所述流体通道的孔入口(19)流入流体通道再通过连接管道(20)流入微流道(2)的入口(3)。