基於層流的多通道壓力檢測晶片及其製造和測壓方法

2023-07-03 20:15:21 1

專利名稱：基於層流的多通道壓力檢測晶片及其製造和測壓方法
技術領域：
本發明涉及微流控壓力檢測領域，特別涉及一種基於層流的多通道壓力檢測晶片 及其製造和測壓方法。
背景技術：
層流是流體的一種流動狀態，當流體流速很小時，流體分層流動，互不混合，稱為 層流，或稱為片流；在流體出現層流現象時，各層流體的壓力與流體所佔流路的寬度之間存 在一定的聯繫，在一定的壓力範圍內，所述壓力與寬度之間存在正比關係，利用這一關係， 可通過對層流流體寬度的直觀測量來獲取流體的壓力。現有的流體壓力檢測裝置一般需要流體的量比較多，壓力比較大，才能達到比較 精確的測量，難以實現對微流流體的精確測量，甚至不能進行測量(如需測量人體毛細血 管內流體的壓力)，尤其是近年來微流控技術的快速發展，更是增大了微流測量技術的需 求。與此同時，由於微流流體測量的流體流量小、壓力低，對微流流體測量裝置的加工 製造技術也提出了挑戰，現有的加工方法難以製造出高精度的測量裝置，也是造成微流體 測量難度大的重要原因之一。針對上述不足，本發明探索了一種基於層流的多通道流體壓力檢測晶片，該晶片 基於流體的層流特性，可同時對多個待測流體進行精確測量，同時，還探索了製造該晶片的 方法和使用該晶片對微流流體進行測壓的方法。

發明內容
有鑑於此，本發明提供一種基於層流的多通道流體壓力檢測晶片，通過所述的制 造方法可製造出高精度的測壓晶片，實現同時對多個待測流體進行精確測量，同時，還提出 了該晶片的製造和測壓方法。本發明的目的之一是提供一種基於層流的多通道壓力檢測晶片，包括晶片體，所 述晶片體上設置有Y形流路、待測液入口、參比液入口和廢液出口，所述Y形流路由待測液 支路、參比液支路和廢液支路交匯形成，待測液支路與待測液入口連通，參比液支路與參比 液入口連通，廢液支路與廢液出口連通。進一步，所述晶片體上並列設置有至少兩個Y形流路和與待測液支路一一對應的 待測液入口，相鄰兩個Y形流路的參比液支路相互連通；進一步，所述晶片體為長方體結構，晶片體的上表面設置有Y形微結構凹槽，與晶片體上表面密封配合設置有透明的上蓋玻片使Y形微結構凹槽槽口密封；所述待測液入 口、參比液入口和廢液出口均設置於晶片體的下表面，待測液入口通過貫穿晶片體上、下表 面的通孔與待測液支路連通；參比液入口通過設置於晶片體下表面的微結構凹槽、貫穿芯 片體上表面和下表面的通孔與參比液支路連通，與晶片體下表面密封配合設置有透明的下 蓋玻片使微結構凹槽槽口密封；所述廢液出口通過貫穿晶片體上表面、下表面的通孔和設置於晶片體上表面的微結構凹槽與廢液支路連通；進一步，還包括與待測液入口、參比液入口和廢液出口一一對應的外接導管，所述 外接導管穿過下蓋玻片並分別與待測液入口、參比液入口和廢液出口連通；進一步，所述待測液支路和參比液支路上均設置有儲液池。本發明的目的之二是提供一種製造上述的基於層流的多通道壓力檢測晶片的方 法，包括以下步驟a)製作模具通過光刻技術分別在兩塊矽片表面上加工出與晶片體上表面對應 的上模和與晶片體下表面結構對應的下模；b)配製原料將PDMS (聚二甲基矽氧烷)預聚物與固化劑按重量10 1的比例 混合，在乾淨的培養皿中攪拌均勻；C)真空處理將混合好的PDMS混合液放入真空泵中抽真空；d)模塑成型將步驟a中製作的上模和下模平行並列設置於有機玻璃模具中形成 一個一面開口的腔體，調整上模和下模之間距離為2mm，緩慢倒入步驟c處理後的PDMS混合 液，靜置5 IOmin後放入加熱裝置，在溫度為78°C條件下加熱60分鐘後取出，並冷卻至常 溫使PDMS固化，將固化後的PDMS從上模和下模上剝離，即得到晶片體；e)打孔製作分別與晶片體上表面和下表面對應的上蓋玻片和下蓋玻片，在晶片 體和下蓋玻片的相應位置上打孔；f)清洗鍵合將上蓋玻片和下蓋玻片使用丙酮、無水酒精和去離子水清洗並吹 幹，並對晶片體、上蓋玻片和下蓋玻片進行等離子處理後，分別將晶片體的上、下表面與上、 下蓋玻片鍵合即得到多通道壓力檢測晶片。進一步，所述步驟a也可通過印製電路板的方法在兩個基板上印製分別與晶片體 上表面和下表面對應的結構來製作上模和下模；進一步，所述步驟a也可通過光刻技術在PMMA材料基板上刻出與晶片體上表面和 下表面對應結構來製作上模和下模。本發明的目的之三是提供一種使用上述基於層流的多通道壓力檢測晶片進行測 壓的方法，包括以下步驟a)參數測定將上述多通道壓力檢測晶片置於顯微鏡下，向參比液入口輸入壓力恆定的參比液，向其中一個Y形流路對應的待測液入口輸入壓力ρ可調的測試液，壓力ρ的 可調範圍為待測液壓力的0. 5 1. 5倍，兩股液流通過Y形流路交匯並發生層流現象，記錄 測試液的壓力P1並測量和記錄測試液所佔流路的寬度X1，逐漸增加或降低測試液壓力，記 錄測試液的壓力P2並測量和記錄測試液所佔流路的寬度X2，重複上述操作，最後記錄測試 液的壓力Pn和χη，以P為縱軸X為橫軸建立平面直角坐標系，通過上述記錄值在直角坐標 系內繪製測試液壓力P與測試液所佔流路寬度X之間的關係圖，取所述關係圖的線性部分， 其對應的縱坐標範圍Pmin Pmax即為該Y形流路的可準確測壓的範圍，從圖中可得出線 性部分關係式P = cx+a中的c和a的值，其中，c為線性部分的斜率，a為線性部分延長線 與縱軸的交點對應的值，重複上述方法，測得晶片體上每個Y形流路對應的c和a值；b)進樣測寬向待測液入口輸入壓力P'未知的待測液，同時，向參比液入口輸入 壓力恆定的參比液，兩股液流在Y形流路處發生層流現象，測量並記錄待測液所佔流道的 寬度χ'；
c)計算通過ρ' = ex' +a得出待測液壓力。發明的有益效果本發明的目的之一是提供一種基於層流的多通道壓力檢測芯 片，用於微流控領域對微流流體壓力進行精確測量，通過Y形流路使待測液和參比液形成 層流，以便於對層流進行觀察和測量；本發明的目的之二是提供一種製造該壓力檢測晶片 的方法，通過該方法可製造出精確度高的測壓晶片，對微流流體的低壓力具有較高的靈敏 度；本發明的目的之三是提供一種使用該壓力檢測晶片檢測微流流體壓力的方法，可通過 直觀的測量和簡單的計算，得到微流流體的壓力。


下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述。圖1為本發明的結構示意圖；
圖2為晶片體的上表面結構示意圖；圖3為晶片體的下表面結構示意圖；圖4為圖1的I處局部放大圖；圖5為圖2的II處局部放大圖；圖6為圖2的III處局部放大圖；圖7為微流流體的壓力與其所佔流路寬度的關係圖。
具體實施例方式圖1為本發明的結構示意圖，圖2為晶片體的上表面結構示意圖，圖3為晶片體的 下表面結構示意圖，圖4為圖1的I處局部放大圖，圖5為圖2的II處局部放大圖，如圖所 示本實施例的基於層流的多通道壓力檢測晶片，包括晶片體1，所述晶片體1上設置有Y 形流路、待測液入口 2、參比液入口 3和廢液出口 4，所述Y形流路由待測液支路5、參比液支 路6和廢液支路7交匯形成，待測液支路5與待測液入口 2連通，參比液支路6與參比液入 口 3連通，廢液支路7與廢液出口 4連通，使用時，向待測液入口輸入壓力未知的待測液，向 參比液入口輸入壓力恆定的參比液，待測液和參比液在Y形流路匯合，並產生層流現象，通 過該裝置並利用層流的特性，可得出待測液的壓力。本實施例中，所述晶片體1上並列設置有六個Y形流路和與待測液支路一一對應 的待測液入口，相鄰兩個Y形流路的參比液支路相互連通，設置多個待測液入口，可實現同 時對多個通道的待測液進行測壓，相鄰的Y形流路的參比液支路交匯連通，通過一個參比 液入口和微結構凹槽即可對多個Y形流路輸入參比液，可簡化連通參比液支路和參比液入 口的微結構凹槽的結構，減少加工量。本實施例中，所述晶片體1為長方體結構，晶片體1的上表面設置有Y形微結構凹 槽，與晶片體1上表面密封配合設置有透明的上蓋玻片8使Y形微結構凹槽槽口密封；所述 待測液入口 2、參比液入口 3和廢液出口 4均設置於晶片體1的下表面，待測液入口 2通過 貫穿晶片體1上、下表面的通孔與待測液支路5連通；參比液入口 3通過設置於晶片體1下 表面的微結構凹槽、貫穿晶片體1上、下表面的通孔與參比液支路6連通，與晶片體1下表 面密封配合設置有透明的下蓋玻片9使微結構凹槽槽口密封；所述廢液出口 4通過貫穿芯 片體1上、下表面的通孔和設置於晶片體1上表面的微結構凹槽與廢液支路7連通，流體通道以微結構凹槽的方式分別設置於晶片體的上、下表面上，便於加工製造。本實施例中，所述基於層流的多通道壓力檢測晶片還包括與待測液入口 2、參比液 入口 3和廢液出口 4 一一對應的外接導管10，所述外接導管10穿過下蓋玻片9並分別與待 測液入口 2、參比液入口 3和廢液出口 4連通，用於待測液輸入，同時，可根據實際進樣流量 的需要確定外接導管的尺寸。本實施例中，所述待測液支路5和參比液支路6上均設置有儲液池11，使液流在交 匯前得到緩衝，並保持流路通暢。本實施例還提供一種基於層流的多通道壓力檢測晶片的方法，包括以下步驟a)製作模具通過光刻技術分別在兩塊矽片表面上加工出與晶片體上表面對應 的上模和與晶片體下表面結構對應的下模，另外，也可通過在PMMA材料基板上刻出或採用 印製電路板的方法在基板上印製與晶片體上、下表面對應的結構來製作上模和下模；b)配製原料將PDMS (聚二甲基矽氧烷)預聚物與固化 劑按重量10 1的比例 混合，在乾淨的培養皿中攪拌均勻，PDMS具備抗腐蝕、抗氧化、透明的特點，採用PDMS作為 晶片材料，使晶片不易被腐蝕損壞，並且可以較好的觀察實驗結果；c)真空處理將混合好的PDMS混合液放入真空泵中抽真空，以排除混合液中的氣 體，防止在其成型後產生氣泡破壞流路；d)模塑成型將步驟a中製作的上模和下模平行並列設置於有機玻璃模具中形成 一個一面開口的腔體，調整上模和下模之間距離為2mm，緩慢倒入步驟c處理後的PDMS混合 液，靜置8分鐘後放入加熱裝置，在溫度為78 °C條件下加熱60分鐘後取出，並冷卻至常溫使 PDMS固化，將固化後的PDMS從上模和下模上剝離，即得到晶片體；e)打孔製作分別與晶片體上表面和下表面對應的上蓋玻片和下蓋玻片，在晶片 體和下蓋玻片的相應位置上打孔，以便於安裝導管。f)清洗鍵合將上蓋玻片和下蓋玻片使用丙酮、無水酒精和去離子水清洗並吹 幹，並對晶片體、上蓋玻片和下蓋玻片進行等離子處理後，分別將晶片體的上、下表面與上、 下蓋玻片鍵合即得到多通道壓力檢測晶片，採用氧等離子體氧化處理，晶片體與上、下蓋玻 片之間可形成Si-O鍵，實現不可逆鍵合，可使晶片的強度提高，能承受較大的外加壓力，同 時親水性得到改善。另外，也可採用紫外線照射活化鍵合的方式來實現本發明的目的。當 然，直接利用範德化力來進行可逆鍵合，操作更簡單，同樣能實現本發明的目的，但強度不 高，不耐高壓，容易脫離。圖6為圖2的III處局部放大圖；圖7為微流流體的壓力與其所佔流路寬度的關 系圖，如圖所示本實施例還提供一種使用上述基於層流的多通道壓力檢測晶片進行測壓 的方法，包括以下步驟a)參數測定將上述多通道壓力檢測晶片置於顯微鏡下，向參比液入口輸入壓力 恆定的參比液，向其中一個Y形流路對應的待測液入口輸入壓力ρ可調的測試液，壓力ρ的 可調範圍為待測壓力的0. 5 1. 5倍，如當待測壓力在IOcm水柱左右時，範圍可設為5至 15cm水柱，並在這個範圍內取一些壓力值作為待測點。將參比溶液壓力設為IOcm水柱。兩 股液流通過Y形流路交匯並發生層流現象，記錄測試液的壓力P1並測量和記錄測試液所佔 流路的寬度X1,逐漸增加或降低測試液壓力，記錄測試液的壓力P2並測量和記錄測試液所 佔流路的寬度x2，重複上述操作，最後記錄測試液的壓力Pn(cm水柱)和χη( μ m)，得到一組壓力和測試液所佔流路寬度的值(P，X)為(15，52. 5)、(14，51)、(13,49)、(12,45. 5),(11, 41)、(10，37. 5)、(9，33. 5)、(8，29)、(7，25. 5)、(6，22)，以 ρ 為縱軸 χ 為橫軸建立平面直角坐 標系，通過上述記錄值在直角坐標系內繪製測試液壓力P與測試液所佔流路寬度χ之間的 關係圖，取所述關係圖的線性部分，其對應的縱坐標範圍Pmin Pmax即為該Y形流路的可 準確測壓的範圍，從圖中可得出線性部分關係式P = cx+a中的c值為0. 25,a值為0. 625， 其中，c為線性部分的斜率，a為線性部分延長線與縱軸的交點對應的值，重複上述方法，測 得晶片體上每個Y形流路對應的c和a值，本實施例選其中之一進行測量；b)進樣測寬向待測液入口輸入壓力P'未知的待測液，同時，向參比液入口輸入 壓力恆定的參比液，兩股液流在Y形流路處發生層流現象，測量並記錄待測液所佔流道的 寬度 X'，為 38. 5μvm ;
formula see original document page 8得出待測液壓力為10. 25cm水柱。最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較 佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技 術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和範圍，其均應涵蓋在本 發明的權利要求範圍當中。
權利要求
一種基於層流的多通道壓力檢測晶片，其特徵在於包括晶片體(1)，所述晶片體(1)上設置有Y形流路、待測液入口(2)、參比液入口(3)和廢液出口(4)，所述Y形流路由待測液支路(5)、參比液支路(6)和廢液支路(7)交匯形成，待測液支路(5)與待測液入口(2)連通，參比液支路(6)與參比液入口(3)連通，廢液支路(7)與廢液出口(4)連通。
2.根據權利要求1所述的多通道壓力檢測晶片，其特徵在於所述晶片體(1)上並列 設置有至少兩個Y形流路和與待測液支路一一對應的待測液入口，相鄰兩個Y形流路的參 比液支路相互連通。
3.根據權利要求2所述的多通道壓力檢測晶片，其特徵在於所述晶片體(1)為長方 體結構，晶片體(1)的上表面設置有Y形微結構凹槽，與晶片體(1)上表面密封配合設置有 透明的上蓋玻片(8)使Y形微結構凹槽槽口密封；所述待測液入口(2)、參比液入口(3)和 廢液出口(4)均設置於晶片體(1)的下表面，待測液入口(2)通過貫穿晶片體(1)上表面 和下表面的通孔與待測液支路(5)連通；參比液入口(3)通過設置於晶片體(1)下表面的 微結構凹槽、貫穿晶片體(1)上、下表面的通孔與參比液支路(6)連通，與晶片體(1)下表 面密封配合設置有透明的下蓋玻片(9)使微結構凹槽槽口密封；所述廢液出口(4)通過貫 穿晶片體(1)上表面、下表面的通孔和設置於晶片體(1)上表面的微結構凹槽與廢液支路 (7)連通。
4.根據權利要求3所述的基於層流的多通道壓力檢測晶片，其特徵在於還包括與待 測液入口(2)、參比液入口(3)和廢液出口(4) 一一對應的外接導管(10)，所述外接導管 (10)穿過下蓋玻片(9)並分別與待測液入口(2)、參比液入口(3)和廢液出口⑷連通。
5.根據權利要求4所述的基於層流的多通道壓力檢測晶片，其特徵在於所述待測液 支路(5)和參比液支路(6)上均設置有儲液池(11)。
6.製造權利要求1所述的基於層流的多通道壓力檢測晶片的方法，其特徵在於包括 以下步驟a)製作模具通過光刻技術分別在兩塊矽片表面上加工出與晶片體上表面對應的上 模和與晶片體下表面結構對應的下模；b)配製原料將PDMS(聚二甲基矽氧烷)預聚物與固化劑按重量10 1的比例混合， 在乾淨的培養皿中攪拌均勻；c)真空處理將混合好的PDMS混合液放入真空泵中抽真空；d)模塑成型將步驟a中製作的上模和下模平行並列設置於有機玻璃模具中形成一個 一面開口的腔體，調整上模和下模之間距離為2mm，緩慢倒入步驟c處理後的PDMS混合液， 靜置5 IOmin後放入加熱裝置，在溫度為78°C條件下加熱60分鐘後取出，並冷卻至常溫 使PDMS固化，將固化後的PDMS從上模和下模上剝離，即得到晶片體；e)打孔製作分別與晶片體上表面和下表面對應的上蓋玻片和下蓋玻片，在晶片體和 下蓋玻片的相應位置上打孔；f)清洗鍵合將上蓋玻片和下蓋玻片使用丙酮、無水酒精和去離子水清洗並吹乾，並 對晶片體、上蓋玻片和下蓋玻片進行等離子處理後，分別將晶片體的上、下表面與上、下蓋 玻片鍵合即得到多通道壓力檢測晶片。
7.根據權利要求6所述的製造多通道壓力檢測晶片的方法，其特徵在於所述步驟a 也可通過印製電路板的方法在兩個基板上印製分別與晶片體上表面和下表面對應的結構來製作上模和下模。
8.根據權利要求7所述的製造多通道壓力檢測晶片的方法，其特徵在於所述步驟a 也可通過光刻技術在PMMA材料基板上刻出與晶片體上表面和下表面對應結構來製作上模 和下模。
9.使用權利要求1所述的基於層流的多通道壓力檢測晶片進行測壓的方法，其特徵在 於包括以下步驟a)參數測定將上述多通道壓力檢測晶片置於顯微鏡下，向參比液入口輸入壓力恆定 的參比液，向其中一個Y形流路對應的待測液入口輸入壓力P可調的測試液，壓力P的可調 範圍為待測液壓力的0. 5 1. 5倍，兩股液流通過Y形流路交匯並發生層流現象，記錄測試 液的壓力P1並測量和記錄測試液所佔流路的寬度X1，逐漸增加或降低測試液壓力，記錄測 試液的壓力P2並測量和記錄測試液所佔流路的寬度x2，重複上述操作，最後記錄測試液的 壓力Pn和xn，以P為縱軸X為橫軸建立平面直角坐標系，通過上述記錄值在直角坐標系內 繪製測試液壓力P與測試液所佔流路寬度X之間的關係圖，取所述關係圖的線性部分，其對 應的縱坐標範圍Pmin Pmax即為該Y形流路的可準確測壓的範圍，從圖中可得出線性部 分關係式P = cx+a中的c和a的值，其中，c為線性部分的斜率，a為線性部分延長線與縱 軸的交點對應的值，重複上述方法，測得晶片體上每個Y形流路對應的c和a值；b)進樣測寬向待測液入口輸入壓力P'未知的待測液，同時，向參比液入口輸入壓力 恆定的參比液，兩股液流在Y形流路處發生層流現象，測量並記錄待測液所佔流道的寬度 χ'；c)計算通過P'= ex' +a得出待測液壓力。
全文摘要
本發明公開了一種基於層流的多通道壓力檢測晶片及其製造和測壓方法，用於微流控領域對微流流體壓力進行精確測量，該晶片設置Y形流路，在一定條件下，待測液和參比液通過Y形流路匯合時出現層流現象，以便於對處於層流狀態的待測液進行測量並利用層流特性得出待測液的壓力；本發明的目的之二是提供一種製造該壓力檢測晶片的方法，通過該方法可製造出精確度高的測壓晶片，對微流流體的低壓力具有較高的靈敏度；本發明的目的之三是提供一種使用該壓力檢測晶片檢測微流流體壓力的方法，可通過直觀的測量和簡單的計算，即可得到微流流體的壓力值。
文檔編號G01L7/18GK101819078SQ20101016277
公開日2010年9月1日 申請日期2010年4月30日 優先權日2010年4月30日
發明者劉暢, 廖彥劍, 楊軍, 楊國清, 羅洪豔, 鄭小林 申請人:重慶大學