CN217288454U

CN217288454U - 一种带电路板的微流控芯片

Info

Publication number: CN217288454U
Application number: CN202122791810.1U
Authority: CN
Inventors: 王光辉; 马茜; 张雅; 陈熙; 张畅斌
Original assignee: Nanjing Jiexin Technology Co ltd; Nanjing University
Current assignee: Nanjing Jiexin Technology Co ltd; Nanjing University
Priority date: 2021-11-15
Filing date: 2021-11-15
Publication date: 2022-08-26
Anticipated expiration: 2031-11-15

Abstract

本专利提供了一种带电路板的微流控芯片，由“上盖板层、上粘合层、芯片主体层、下粘合层、电路板”结构组成，针对功能较为复杂的下粘合层，通过双面胶或可固化的液体结构胶等可选项，并进一步优化。使其具有较高普适性，且考虑了电子元件高度和生物兼容性，具有较高可应用性和商业价值。

Description

一种带电路板的微流控芯片

技术领域

本实用新型属于微流控体外诊断领域，特别涉及基于PCB电路板的微流控芯片系统。

背景技术

微流控是一种利用微管道控制和处理极少量流体的技术,具有很高的科学和商业潜力。微流控设备体积小、能耗低、便携性强，能够在数平方厘米芯片上完成常规实验室大型仪器才能实现的生物或化学实验。通过“芯片实验室(Lab on a chip, LOC)”或“微全分析系统(TAS)”概念的实现，微流控技术在分子生物学、分析化学以及现场即时医疗诊断等领域展现出巨大的应用前景。其中,基于印制电路板(Printed circuit board, PCB)的微流控芯片技术由于低成本、易集成、标准化程度高等优点，被认为最具商业化潜力。

集成电路成熟的微加工技术是微流控技术早期发展的基础，基于硅基和玻璃的制作工艺就源自Micro electric mechanical systems(MEMS)技术，但由于硅和玻璃材料加工时间长、工艺复杂和设备要求高等问题，研究者纷纷转向成本较低、工艺相对简单且设计制作快速的聚合物材料研究，由此发展出一系列适合不同类型聚合物材料的制作。这些成熟的工艺使微流控芯片具有批量化生产的能力，但随之而来的芯片与电路系统集成的封装问题，成为阻碍微流控技术发展的关键因素。

常规办法是通过焊接、光刻等方式封装电路板和微流控芯片，但这种方式较为昂贵，且制作工艺较为复杂。或者是使用PDMS制作芯片，在制作的过程中，PDMS参与等离子键合，将PDMS材质的微流控芯片与电路板贴合在一起。这些办法一般只能针对特殊材质的微流控芯片使用，不具备普适性。因此，寻找一种具有普适性的封装方式具有重要现实意义。

发明内容

本专利提供一种微流控芯片与电路板结合的封装方法及其应用。

微流控芯片基础结构包括上盖板层，主体层，下盖板层，所述主体层上设置有储液腔、流道。而带电路板的微流控芯片，其特征在于将电路板作为其结构中的下盖板层，电路板上设置有电子元件。因此，从上到下为：“上盖板层、上粘合层、芯片主体层、下粘合层、电路板”的顺序贴合在一起，形成完整的带电路板的微流控芯片。

其中，由于上盖板层结构简单，通常使用惰性材料作为上粘合层即可贴合主体层；但电路板由于存在电子元件，且电子元件凸出电路板，结构和功能更复杂，所以如何贴合电路板与芯片主体层成为了封装带电路板的微流控芯片的关键。而下粘合层可以是双面胶，或者是可固化的液态结构胶。

使用前者时，一般双面胶的材质韧性较差，贴在较平的面上时可获得较好的贴合效果，但较难应对贴和面的弯折或者凹凸不平。为了让双面胶更好地贴合芯片主体层与电路板，需要对基础结构改进，使芯片主体层在底部为PCB电路板上的电子元件预留空位，且让双面胶在电子元件处镂空，从上至下形成“上盖板层、上粘合层、芯片主体层、镂空双面胶、电路板”的结构。

为了防止微流体在芯片工作时接触到电子元件，从而造成不必要的污染，通常会涂覆一层惰性材料或生物兼容涂层，从上至下形成“上盖板层、上粘合层、芯片主体层、镂空双面胶、生物兼容涂层、电路板”的结构。此时，微流控芯片可以与电路板封装在一起，且不需要担心生物污染的情况。

当使用可固化的液体结构胶时，由于液体结构胶具有一定流动性和体积，PCB电路板上电子元件可以被淹没，所以电子元件的高度不影响平坦度。但是考虑到微流控芯片的流道较细，容易堵塞，若液体结构胶直接与微流控芯片接触，会很容易堵塞流道造成不必要的成本浪费。所以，使用此类胶时，必须对微流控芯片的底面进行保护。

底面保护是为了保护微小流道，可以使用未镂空的双面胶贴合底面流道，形成“上盖板层、上粘合层、芯片主体层、双面胶、结构胶、电路板”结构。

但更好的办法是使用镂空的双面胶贴合微流控芯片与硬质薄片（如：亚克力薄片），此时既可以对微流控芯片的底面做平坦化处理，且流体接触更质薄片（如：亚克力薄片），不需要接触双面胶，又保证了生物兼容性。优化至此，微流控芯片形成了“上盖板层、上粘合层、芯片主体层、镂空双面胶、硬质薄片、结构胶、电路板”结构。

此外，考虑到可固化的液体结构胶具有流动性，为了防止封装时结构胶溢出，在电路板上使用环形结构作为围栏（如：可为亚克力材质），先固定环形围栏于电路板上，再在围栏内加入结构胶。

该结构制作过程包括以下步骤：

1)对双面胶进行镂空处理，准备环形围栏结构，以及和芯片等大的硬质薄片（如亚克力薄片）和上盖板层；

2)对芯片主体层的底面贴上镂空双面胶；

3)双面胶另一面贴上硬质薄片；

4)在电路板上固定环形围栏；

5)在围栏内灌入可固化的液体结构胶；

6)将贴好硬质薄片和上盖层的微流控芯片轻轻盖在结构胶上；

7)静置，直至结构胶固化；

8)待加入试剂后，在芯片主体层的另一面使用上粘合层贴上上盖板层。

此外，在与芯片主体层上储液腔的对应位置，可在电路板设置凸出温敏电阻和/或加热电阻。这些电阻嵌入储液腔下方为其预留好的空位中，满足储液腔内反应的温度需求。

本专利提供的技术方案具有以下效果：

1.本专利的封装方式更具有普适性，无论是PDMS，还是塑料、PI板、PC板制作的微流控芯片都可以使用此结构将芯片和电路板封装在一起。本专利令带电路板的微流控芯片的封装不再局限于特定材质，且封装工艺简单可行，因此可使用更加优质且低廉的材料制作微流控芯片，降低制作成本，更具有商业潜力。

2.本专利考虑了PCB电路板上电子元件高度的问题，提出了双面胶镂空法和使用液态结构胶的办法解决，后者结构胶具有流动性，可以调节胶水厚度，具有较高的可定制性。所以，本专利可基本实现平面与平面之间的贴合，贴合效果更好，不会出现边缘翘起或电子元件凸起等问题。

3.本专利考虑了生物兼容性。微流控芯片较多应用于生化检测，所以必须保证所有微流体接触的都是生物兼容的材料。为了防止胶水或者电子元件对生物分子的污染，本专利通过涂覆生物兼容涂层，或尽可能让流道接触亚克力板等已知的稳定材质，实现此关键且基础的需求。

附图说明：

参照附图，本专利的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本实用新型的技术方案，而并非意在对本实用新型的保护范围构成限制。

图1是本专利中提出的“上盖板层、上粘合层、芯片主体层、镂空双面胶、生物兼容涂层、电路板”结构的单层展示，体现了各层的位置和大小。

图2是使用此结构封装完成后的基于PCB板的微流控芯片的侧视图。

图3是本专利中提出的“上盖板层、上粘合层、芯片主体层、镂空双面胶、亚克力薄片、结构胶、电路板”结构的单层展示，体现了各层间的位置和大小。

图4为使用此结构封装完成后的基于PCB板的微流控芯片的侧视图。

图中各数字对应的结构为：

1.芯片主体层

2.微流道

3.芯片上为电阻嵌入预留的空位

4.生物兼容涂层

5.双面胶

6.电子元件

7.电路板

8.亚克力薄片

9.环形亚克力围栏

10.结构胶

11.上粘合层

12.上盖板层。

具体实施方式

图1-4和以下说明描述了本专利的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本专利。为了教导本专利技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本专利的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本专利的多个变型。由此，本专利并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

具体实施例1

“微流控芯片+镂空双面胶+生物兼容涂层+电路板”结构。图1示意性给出了封装所需的各层。实施例中使用的微流控芯片主体层直径为120mm，厚3mm；电路板直径为120mm，厚1.5mm，电阻凸起电路板约0.8mm；上盖板层采用亚克力材质，直径120mm，厚1mm；上粘合层使用与下粘合层相同的双面胶材质，双面胶直径为120mm，厚约100μm，下粘合层使用激光雕刻机镂空，上粘合层保持完整；生物兼容涂层为医用涂层Parylene。

首先使用真空镀膜机在电阻上镀上200nm左右的生物兼容涂层Parylene，之后贴上双面胶，将另一面贴合在微流控芯片上，需要注意的是，电子元件应进入对应的预留空位中，不能凸起，保证微流控芯片和电路板之间双面胶的贴合是平面的。待加入试剂后，使用双面胶粘合上盖板层亚克力板。由此完成微流控芯片与电路板的封装，如图2所示。此过程考虑了生物兼容性以及电子元件的高度。

具体实施例2

“微流控芯片+镂空双面胶+亚克力板+结构胶+电路板”结构。图3示意性给出了封装的各层。实施例中使用的微流控芯片直径为120mm，厚3mm；电路板直径为120mm，厚1.5mm，电阻凸起电路板约0.8mm；上盖板层为亚克力材质，直径120mm，厚1mm；上粘合层使用与下粘合层相同的双面胶材质，双面胶直径为120mm，厚约100μm，下粘合层使用激光雕刻机镂空，上粘合层保持完整；亚克力薄片直径为120mm，采用厚度为0.3mm的薄片；环形亚克力围栏外直径120mm，内直径112mm，厚1mm；结构胶采用AB混合型（体积比2.5:1）的环氧树脂。

首先处理微流控芯片，在微流控芯片背面贴上双面胶，双面胶另一面贴上0.3mm厚的亚克力板薄片。此步骤是为了保护微流控芯片的微流道，并且使其底面平坦化。

之后，处理电路板。在电路板的最外圈固定环形亚克力板，实施例中固定使用的是紫外线粘合剂，将环形亚克力板完全贴合于电路板上。之后按照体积比2.5:1混合AB溶液，制作液态结构胶，搅拌约3分钟至液体如水般，没有丝状物。将约10ml的结构胶倒在电路板上，需要注意结构胶一定要淹没电阻，且表面尽可能平坦，结构胶的厚度约1mm。

静置消泡，约20min之后，将底面处理过的微流控芯片，以亚克力为底面缓缓地盖在结构胶之上，尽可能不要产生气泡，或者挤出结构胶。之后放于通风处，约18h，结构胶固化。待加入试剂后，使用双面胶粘合上盖板层的亚克力板。至此封装完毕，结构如图4.

两个实施例中，需注意电路板、微流控芯片、双面胶三者的外径应相同。在实施例2中，亚克力板直径应与微流控芯片相同，且尽可能薄；环形亚克力板的厚度应大于电阻的高度，且外径应与电路板相同，内径应大于电路板上电子元件所在的最大半径。

Claims

1.一种带电路板的微流控芯片，其特征在于，包括芯片体、粘合层、电路板，所述芯片体包括芯片主体层、上盖板层，所述芯片体上设置有储液腔、流道，所述电路板作为所述主体层的下盖板层，电路板上设置有电子元件，以从上到下为：上盖板层、上粘合层、芯片主体层、下粘合层、电路板的顺序贴合在一起，形成完整的带电路板的微流控芯片。

2.根据权利要求1所述的带电路板的微流控芯片，其特征在于，所述芯片主体层与电路板贴合面的表面上与电板上有凸出表面的电子元件的位置对应的位置设置凹陷空间，以便于贴合。

3.根据权利要求1所述的带电路板的微流控芯片，其特征在于，所述粘合层为化学惰性材料或生物兼容性材料。

4.根据权利要求1所述的带电路板的微流控芯片，其特征在于，所述粘合层为双面胶。

5.根据权利要求4所述的带电路板的微流控芯片，其特征在于，所述双面胶为镂空双面胶层，在对应储液腔、流道的位置镂空。

6.根据权利要求1或2所述的带电路板的微流控芯片，其特征在于，所述粘合层为化学惰性材料或生物兼容性涂层。

7.根据权利要求1所述的带电路板的微流控芯片，其特征在于，在芯片主体层下方，还设置一层下盖板层，即，以从上到下为：“上盖板层、上粘合层、芯片体主体层、粘合层、下盖板层、下粘合层、电路板”的顺序贴合在一起，形成完整的带电路板的微流控芯片。

8.根据权利要求1所述的带电路板的微流控芯片，其特征在于，所述电路板上与芯片主体层上设置的储液腔的位置对应设置有凸出所述电路板表面的温敏电阻和/或加热电阻，所述温敏电阻和/或加热电阻伸入到芯片体中的储液腔内。