微流控晶片內的雙液體毛細微流控制閥及其製作方法

2023-04-29 15:28:51 2

專利名稱：微流控晶片內的雙液體毛細微流控制閥及其製作方法
技術領域：
本發明涉及用於微流控晶片上實現兩種液體同時進樣的毛細微流控制閥，特別是 一種適用於生物檢測中實現兩種具有不同親介質特性的微量液體同步進給的控制機構。
背景技術：
微流控晶片是當前微全分析系統(Miniaturized Total Analysis Systems)發展 的熱點領域。微流控晶片將用於完成樣品處理、輸運、定量、混合和探測等過程的微結構集 成於晶片之上，構成微流控技術實現的主要平臺。在晶片上，液體的混合操作需要兩種液 體同時進入微混合器，該功能由Y型進樣微通道完成。通常Y型進樣微通道內兩種液體在 兩進樣分支的交匯處毛細流動的截止由疏水區微閥或擴張閥實現，然後通過液體觸發的方 式實現交匯處微閥的開啟，從而實現兩種液體的同時進樣。在微通道內局部沉積C4F8，或制 作OTS疏水區可形成疏水閥；毛細擴張閥主要是通過微通道內深度或寬度方向尺寸的突變 實現毛細流動的截止功能。疏水閥的製作需要進行局部表面處理，會增加工藝複雜性和加 工難度，工藝兼容性差；擴張閥主要是依靠尺寸的擴張來實現流動的截止，對高親液體易失 效。因此，通常的Y型進樣微通道存在加工工藝複雜，工藝兼容性差，難以實現高親液體同 時進樣和存在液體殘留的缺點。

發明內容
本發明的目的是為解決目前微流控技術中存在的難以實現兩種具有不同親介質 特性的微量液體同時進樣的技術難題，提出一種微流控晶片內的雙液體毛細微流控制閥及 其製作方法。本發明微流控晶片內的雙液體毛細微流控制閥，是表面上設有凹槽的聚二甲基矽 氧烷(PDMS)基片貼置在玻璃片表面上構成的Y型毛細通道，所述PDMS基片表面上的凹槽 包括第一支流凹槽、第二支流凹槽、輸出凹槽和氣道凹槽；所述第一支流凹槽、第二支流凹 槽和輸出凹槽的橫截面寬度相等；所述氣道凹槽的橫截面寬度小於第一支流凹槽、第二支 流凹槽和輸出凹槽的橫截面寬度；所述第二支流凹槽和輸出凹槽的深度相等，第一支流凹 槽的深度小於第二支流凹槽的深度；第二支流凹槽和輸出凹槽的深度小於氣道凹槽的深 度；所述第一支流凹槽和第二支流凹槽的末端匯通於輸出凹槽的輸入端，氣道凹槽的末端 匯通於第二支流凹槽的末端前，所述氣道凹槽的進口端距輸出凹槽輸入端的長度大於第一 支流凹槽進口端與第二支流凹槽進口端距輸出凹槽輸入端的長度。微流控晶片內的雙液體毛細微流控制閥的製作方法，該方法的具體步驟為步驟一、在氧化後的Si單晶片的表面上旋塗光刻膠，光刻出所述第一支流凹槽、 第二支流凹槽、輸出凹槽和氣道凹槽的光刻膠圖形，將所述光刻膠圖形堅膜後溼法腐蝕鋁 SiO2,然後將第一支流凹槽、第二支流凹槽、輸出凹槽和氣道凹槽其餘部分的光刻膠去除， 獲得第一支流凹槽、第二支流凹槽、輸出凹槽和氣道凹槽通道的SiO2掩模圖形；步驟二、在步驟一獲得的SiO2掩模圖形上蒸鍍1 μ m厚的鋁膜，然後在所述鋁膜上旋塗光刻膠，光刻出所述的第二支流凹槽、輸出凹槽和氣道凹槽的光刻膠圖形，堅膜後溼法 腐蝕鋁，獲得鋁掩模圖形，然後將所述第二支流凹槽、輸出凹槽和氣道凹槽的其餘部分的光 刻膠去除，獲得第二支流凹槽、輸出凹槽和氣道凹槽的鋁掩模圖形；步驟三、在步驟二獲得的鋁掩模圖形的Si晶片上旋塗光刻膠，光刻出氣道凹槽的 光刻膠圖形，堅膜後去膠，獲得膠掩模圖形；步驟四、將步驟二獲得的鋁掩模圖形和步驟三獲得的膠掩模圖形的Si晶片進行 ICP幹法刻蝕，獲得Si基陰模模具；所述ICP幹法刻蝕的過程為步驟A、首先刻蝕10 μ m，然後除去膠掩模，獲得含有鋁掩模圖形的Si晶片； 步驟B、在步驟A的基礎上繼續刻蝕170 μ m,然後除去鋁掩模，繼續刻蝕30 μ m，獲 得Si基陰模模具；步驟五、採用微模鑄方法，將液態PDMS澆注於Si基陰模模具上，然後進行真空脫 氣、加熱、冷卻後脫模；獲得PDMS陽模模具；步驟六、在步驟五所述的PDMS陽模模具上澆注液態PDMS，然後進行真空脫氣、加 熱、冷卻後脫模；獲得PDMS基片；步驟七、對步驟六獲得的PDMS基片上的第一支流凹槽、第二支流凹槽和氣道凹槽 的末端處分別打孔，分別為第一支流凹槽的進口端、第二支流凹槽的進口端和氣道凹槽的 進口端；步驟八、將步驟七獲得的打孔後的PDMS基片與玻璃片貼合，獲得微流控晶片內雙 液體毛細微流控制閥。本發明雙液體毛細微流控制閥的工作原理為深度較小的第一支流凹槽所構成的第一支流液體通道與深度較大的第二支流凹 槽所構成的第二支流液體通道和輸出凹槽所構成的輸出液體通道的交匯處分別形成兩擴 張閥，第二支流液體通道與氣道凹槽所構成的氣體通道的交匯處也有擴張閥形成。當一種 液體由第一支流液體通道的進口加入後，在毛細作用下液體到達與輸出液體通道交匯處的 擴張閥處時，毛細流動被截止。然後由第二支流液體通道的進口處加入另一種液體，該液體 亦在毛細作用下流向其該通道末端，由於被封堵在第一支流液體通道與第二支流液體通道 末端的氣體被壓縮，使得氣壓與毛細壓平衡，而使得第二支流液體通道的液體截止於氣體 通道與該第二支流液體通道的交匯處。然後提供離心力，旋轉中心位於該雙液體毛細微流 控制閥的上述兩個支流液體通道和氣體通道的進口端一側，在離心力作用下，被封堵於第 一支流液體通道與第二支流液體通道末端的氣體因向旋轉中心方向運動而由氣體通道的 進口而排出，第二支流液體通道內的液體到達兩支流液體通道的交匯處，與第一支流液體 通道內的液體在擴張閥處匯合，進而使兩支液體流沿輸出液體通道同時流出。該雙液體毛 細微流控制閥結構簡單，能夠同時實現兩種液體(其中一種可為高親液體)的毛細流動在 交匯處的阻斷，進而實現在離心力下兩種液體的同時進樣，且Y型微通道交匯處無液體殘 餘；另外，選用聚合物等廉價材料，使製作工藝極大簡化，成本降低。本發明的有益效果本發明微流控晶片內的雙液體毛細微流控制閥，可以實現高 親液體在Y型微通道交匯處的阻斷；在離心力場內氣體易順利排出，提高了對高親液體毛 細流動於交匯處截止的可靠性，從而有效的保證了兩種液體進樣的同時性；且避免了液體 在Y型微通道交匯處的殘餘；其結構材料廉價，工藝簡單，可有效縮短器件的製作周期和降低製作成本。


圖1是本發明微流控晶片內雙液體毛細微流控制閥的立體示意圖；圖2是圖1中所示PDMS基片的立體示意圖；圖3是圖2中所示PDMS基片的A-A剖面示意圖。圖中1、PDMS基片，1-1、第一支流凹槽，1-1-1、第一支流凹槽進口端，1-2、第二支 流凹槽，1-2-1、第二支流凹槽進口端，1-3、輸出凹槽，1-4、氣道凹槽，1-4-1、氣道凹槽進口 端，2、玻璃片。
具體實施例方式具體實施方式
一、結合圖1至圖3說明本實施方式，微流控晶片內的雙液體毛細微 流控制閥，是表面上設有凹槽的PDMS基片1貼置在玻璃片2表面上構成的Y型毛細通道， 所述PDMS基片1表面上的凹槽包括第一支流凹槽1-1、第二支流凹槽1-2、輸出凹槽1-3和 氣道凹槽1-4 ；所述第一支流凹槽1-1、第二支流凹槽1-2和輸出凹槽1-3的橫截面寬度相 等；所述氣道凹槽1-4的橫截面寬度小於第一支流凹槽1-1、第二支流凹槽1-2和輸出凹槽 1-3的橫截面寬度；所述第二支流凹槽1-2和輸出凹槽1-3的深度相等，第一支流凹槽1-1 的深度小於第二支流凹槽1-2的深度；第二支流凹槽1-2和輸出凹槽1-3的深度小於氣道 凹槽1-4的深度；所述第一支流凹槽1-1和第二支流凹槽1-2的末端匯通於輸出凹槽1-3 的輸入端，氣道凹槽1-4的末端匯通於第二支流凹槽1-2的末端前，所述氣道凹槽1-4的進 口端1-4-1距輸出凹槽1-3輸入端的長度大於第一支流凹槽1-1進口端1-1-1與第二支流 凹槽1-2進口端1-2-1距輸出凹槽1-3輸入端的長度。本實施方式所述氣道凹槽1-4的末端匯通於第二支流凹槽1-2的末端前，所述的 末端前是指第一支流凹槽1-1和第二支流凹槽1-2的末端匯通於輸出凹槽1-3的輸入端 之前的任意的位置。本實施方式所述的第一支流凹槽1-1、輸出凹槽1-3和第二支流凹槽1-2的深度分 別為30 μ m、200 μ m和200 μ m,其寬度均為600 μ m ；所述氣道凹槽1-4的深度為240 μ m、寬 度為100 μ m。
具體實施方式
二、本實施方式為具體實施方式
一所述的微流控晶片內的雙液體毛 細微流控制閥的製作方法，該方法的具體步驟為步驟一、在氧化後的Si單晶片的表面上旋塗光刻膠，光刻出所述第一支流凹槽 1-1、第二支流凹槽1-2、輸出凹槽1-3和氣道凹槽1-4的光刻膠圖形，然後將所述光刻膠圖 形堅膜後溼法腐蝕SiO2,然後將第一支流凹槽1-1、第二支流凹槽1-2、輸出凹槽1-3和氣道 凹槽1-4其餘部分的光刻膠去除，獲得第一支流凹槽1-1、第二支流凹槽1-2、輸出凹槽1-3 和氣道凹槽1-4通道的SiO2掩模圖形；步驟二、在步驟一獲得的SiO2掩模圖形上蒸鍍1 μ m厚的鋁膜，然後在所述鋁膜上 旋塗光刻膠，光刻出所述的第二支流凹槽1-2、輸出凹槽1-3和氣道凹槽1-4的光刻膠圖形， 堅膜後溼法腐蝕鋁，獲得鋁掩模圖形，然後將所述第二支流凹槽1-2、輸出凹槽1-3和氣道 凹槽1-4的其餘部分的光刻膠去除，獲得第二支流凹槽1-2、輸出凹槽1-3和氣道凹槽1-4的鋁掩模圖形；步驟三、在步驟二獲得的鋁掩模圖形的Si晶片上旋塗光刻膠，光刻出氣道凹槽 1-4的光刻膠圖形，堅膜後去膠，獲得膠掩模圖形；步驟四、將步驟二獲得的鋁掩模圖形和步驟三獲得的膠掩模圖形的Si晶片進行 ICP幹法刻蝕，獲得Si基陰模模具；所述ICP幹法刻蝕的過程為步驟A、首先刻蝕10 μ m，然後除去膠掩模，獲得含有鋁掩模圖形的Si晶片；步驟B、在步驟A的基礎上繼續刻蝕170 μ m,然後除去鋁掩模，繼續刻蝕30 μ m，獲 得Si基陰模模具；步驟五、採用微模鑄方法，將液態PDMS澆注於Si基陰模模具上，然後進行真空脫 氣、加熱、冷卻後脫模；獲得PDMS陽模模具；步驟六、在步驟五所述的PDMS陽模模具上澆注液態PDMS，然後進行真空脫氣、加 熱、冷卻後脫模；獲得PDMS基片1 ；步驟七、對步驟六獲得的PDMS基片1上的第一支流凹槽1-1、第二支流凹槽1_2和 氣道凹槽1-4的末端處分別打孔，分別為第一支流1-1的進口端1-1-1、第二支流凹槽1-2 的進口端1-2-1和氣道凹槽1-4的進口端1-4-1 ；步驟八、將步驟七獲得的打孔後的PDMS基片1與玻璃片2貼合，獲得微流控晶片 內雙液體毛細微流控制閥。本實施方式中步驟一所述的Si單晶片的厚度可以為380 μ m、600 μ m或者800 μ m。本實施方式中步驟五和步驟六所述的進行真空脫氣、加熱、冷卻和脫模；獲得 PDMS陽模模具；所述的加熱溫度為120°C，加熱固化時間為15分鐘。本實施方式中步驟五獲得的PDMS陽模模具的結構與步驟四獲得的Si基陰模模具 的結構互補；所述的液態PDMS與固化劑按10 1的比例混合而成。本實施方式中步驟六獲得的PDMS基片1的結構與步驟四獲得的Si基陰模模具的 結構相同。本實施方式所述的玻璃片(2)的材質為硼矽玻璃片，所述硼矽玻璃片的尺寸與 SiO2單晶片的尺寸相同；厚度為1mm。
權利要求
微流控晶片內的雙液體毛細微流控制閥，是表面上設有凹槽的PDMS基片(1)貼置在玻璃片(2)上構成的Y型毛細通道，其特徵是所述PDMS基片(1)表面上的凹槽包括第一支流凹槽(1 1)、第二支流凹槽(1 2)、輸出凹槽(1 3)和氣道凹槽(1 4)；所述第一支流凹槽(1 1)、第二支流凹槽(1 2)和輸出凹槽(1 3)的橫截面寬度相等；所述氣道凹槽(1 4)的橫截面寬度小於第一支流凹槽(1 1)、第二支流凹槽(1 2)和輸出凹槽(1 3)的橫截面寬度；所述第二支流凹槽(1 2)和輸出凹槽(1 3)的深度相等，第一支流凹槽(1 1)的深度小於第二支流凹槽(1 2)的深度；第二支流凹槽(1 2)和輸出凹槽(1 3)的深度小於氣道凹槽(1 4)的深度；所述第一支流凹槽(1 1)和第二支流凹槽(1 2)的末端匯通於輸出凹槽(1 3)的輸入端，氣道凹槽(1 4)的末端匯通於第二支流凹槽(1 2)的末端前，所述氣道凹槽(1 4)的進口端(1 4 1)距輸出凹槽(1 3)輸入端的長度大於第一支流凹槽(1 1)進口端(1 1 1)與第二支流凹槽(1 2)進口端(1 2 1)距輸出凹槽(1 3)輸入端的長度。
2.基於權利要求1所述的微流控晶片內的雙液體毛細微流控制閥的製作方法，其特徵 是，該方法的具體步驟為步驟一、在氧化後的Si單晶片的表面上旋塗光刻膠，光刻出所述第一支流凹槽(1-1)、 第二支流凹槽(1-2)、輸出凹槽(1-3)和氣道凹槽(1-4)的光刻膠圖形，將所述光刻膠圖形 堅膜後溼法腐蝕SiO2，然後將第一支流凹槽(1-1)、第二支流凹槽(1-2)、輸出凹槽(1-3)和 氣道凹槽(1-4)其餘部分的光刻膠去除，獲得第一支流凹槽(1-1)、第二支流凹槽(1-2)、輸 出凹槽(1-3)和氣道凹槽(1-4)通道的SiO2掩模圖形；步驟二、在步驟一獲得的SiO2掩模圖形上蒸鍍1 μ m厚的鋁膜，然後在所述鋁膜上旋塗 光刻膠，光刻出所述的第二支流凹槽(1-2)、輸出凹槽(1-3)和氣道凹槽(1-4)的光刻膠圖 形，堅膜後溼法腐蝕鋁，獲得鋁掩模圖形，然後將所述第二支流凹槽(1-2)、輸出凹槽(1-3) 和氣道凹槽(1-4)的其餘部分的光刻膠去除，獲得第二支流凹槽(1-2)、輸出凹槽(1-3)和 氣道凹槽(1-4)的鋁掩模圖形；步驟三、在步驟二獲得的鋁掩模圖形的Si晶片上旋塗光刻膠，光刻出氣道凹槽(1-4) 的光刻膠圖形，堅膜後去膠，獲得膠掩模圖形；步驟四、將步驟二獲得的鋁掩模圖形和步驟三獲得的膠掩模圖形的Si晶片進行ICP幹 法刻蝕，獲得Si基陰模模具；所述ICP幹法刻蝕的過程為步驟A、首先刻蝕10 μ m，然後除去膠掩模，獲得含有鋁和SiO2掩模圖形的Si晶片； 步驟B、在步驟A的基礎上繼續刻蝕170 μ m,然後除去鋁掩模，繼續刻蝕30 μ m,獲得Si 基陰模模具；步驟五、採用微模鑄工藝，將液態PDMS澆注於Si基陰模模具上，然後進行真空脫氣、加 熱、冷卻後脫模；獲得PDMS陽模模具；步驟六、在步驟五所述的PDMS陽模模具上澆注液態PDMS，然後進行真空脫氣、加熱、冷 卻後脫模；獲得PDMS基片(1)；步驟七、對步驟六獲得的PDMS基片(1)上的第一支流凹槽(1-1)、第二支流凹槽(1-2) 和氣道凹槽(1-4)的末端處分別打孔，分別為第一支流(1-1)的進口端(1-1-1)、第二支流 凹槽(1-2)的進口端(1-2-1)和氣道凹槽(1-4)的進口端(1-4-1)；步驟八、將步驟七獲得的打孔後的PDMS基片(1)與玻璃片(2)貼合，獲得微流控晶片 內雙液體毛細微流控制閥。
3.根據權利要求2所述的微流控晶片內的雙液體毛細微流控制閥的製作方法，其特徵 在於，所述Si單晶片的厚度為380μπι、600μπι或者800 μ m。
4.根據權利要求2所述的微流控晶片內的雙液體毛細微流控制閥的製作方法，其特徵 在於，步驟五和步驟六所述的進行真空脫氣、加熱、冷卻和脫模；獲得PDMS陽模模具；所述 的加熱溫度為120°C，加熱固化時間為15分鐘。
5.根據權利要求2所述的微流控晶片內的雙液體毛細微流控制閥的製作方法，其特徵 在於，步驟五獲得的PDMS陽模模具的結構與步驟四獲得的Si基陰模模具的結構互補。
6.根據權利要求2所述的微流控晶片內的雙液體毛細微流控制閥的製作方法，其特徵 在於，步驟五所述的液態PDMS與固化劑按10 1的比例混合而成。
7.根據權利要求2所述的微流控晶片內的雙液體毛細微流控制閥的製作方法，其特徵 在於，步驟六獲得的PDMS基片(1)的結構與步驟四獲得的Si基陰模模具的結構相同。
8.根據權利要求2所述的微流控晶片內的雙液體毛細微流控制閥的製作方法，其特徵 在於，所述玻璃片(2)的材質為硼矽玻璃片，所述硼矽玻璃片的尺寸與Si單晶片的尺寸相 同。
全文摘要
微流控晶片內的雙液體毛細微流控制閥及其製作方法，涉及用於微流控晶片上實現兩種液體同時進樣的毛細微流控制機構；它解決目前微流控技術中存在的難以實現兩種具有不同親介質特性的微量液體同時進樣的技術難題，本發明所述的第一支流凹槽、第二支流凹槽和輸出凹槽的橫截面寬度相等；氣道凹槽的橫截面寬度小於第一支流凹槽、第二支流凹槽和輸出凹槽的橫截面寬度；第二支流凹槽和輸出凹槽的深度相等，第一支流凹槽的深度小於第二支流凹槽的深度；第二支流凹槽和輸出凹槽的深度小於氣道凹槽的深度；第一支流凹槽和第二支流凹槽的末端匯通於輸出凹槽的輸入端，氣道凹槽的末端匯通於第二支流凹槽的末端前。本發明適用於高親液體同時進樣的裝置結構中。
文檔編號G01N35/10GK101907631SQ20101022954
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月19日 優先權日2010年7月19日
發明者劉永順, 劉震宇, 吳一輝, 張平, 鄧永波, 黎海文 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所