一種微流體自律運(yùn)動(dòng)的微流控芯片及制造方法、注液裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微流控芯片，尤其涉及一種微流體自律運(yùn)動(dòng)的微流控芯片及制造方法、注液裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]微流控芯片是將微機(jī)電加工技術(shù)、測(cè)試分析技術(shù)、數(shù)字信息技術(shù)等高度集成化的產(chǎn)物，它將生物化學(xué)分析、分離，醫(yī)學(xué)病毒、基因檢測(cè)等功能集成到一塊芯片上。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用微流控芯片檢測(cè)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷，遠(yuǎn)程醫(yī)療等。微流控芯片是利用其內(nèi)部的微流道并根據(jù)不同的使用要求，對(duì)測(cè)試液、樣液等進(jìn)行分離、混合、反應(yīng)等來實(shí)現(xiàn)其功能，一般的微流道寬度小至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過光刻、化學(xué)刻蝕等方法制作，化學(xué)刻蝕方法圖形控制性較差，流道深寬比小，且流道表面較粗糙，粗糙的流道表面增加了流體在流道內(nèi)的阻力。光刻技術(shù)是相對(duì)較成熟的技術(shù)，也是目前微流芯片基板制造中應(yīng)用較多的技術(shù)手段。光刻法要經(jīng)過基板清洗烘干、涂底、涂膠、軟烘、加蓋掩模板、曝光、顯影、腐蝕等一系列程序，制作過程復(fù)雜，且每一步都需要精確控制才能制作出精度較高的芯片，制作周期長(zhǎng)，且成本較高，很難將微流芯片推廣應(yīng)用，目前微流控芯片主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)研宄中。所以目前需要尋找一種簡(jiǎn)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畢還需要加裝蓋板才能形成完整的微流道，目前主要有直接鍵合、高溫?zé)徭I合、粘接鍵合、等離子體輔助鍵合等方法加裝蓋板。其中直接鍵合法主要應(yīng)用于PDMS材料的微流芯片的鍵合中，此方法鍵合里是利用分子間的范德瓦爾斯力結(jié)合，鍵合力有限，容易發(fā)生漏液現(xiàn)象；高溫?zé)徭I合的方法對(duì)基板和蓋板的平面度要求較高，進(jìn)而增加了基板和蓋板的制作難度，從而增加了成本；粘接鍵合是采用粘接劑將基板與蓋板鍵合，粘接劑容易堵塞微流道；等離子輔助鍵合需要使用的高真空等離子體設(shè)備較昂貴，所以成本較高。目前微流控系統(tǒng)內(nèi)流體驅(qū)動(dòng)的方式有壓力驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)微泵驅(qū)動(dòng)、離心力驅(qū)動(dòng)、電滲驅(qū)動(dòng)等方式。壓力驅(qū)動(dòng)和氣動(dòng)微泵驅(qū)動(dòng)下的液體流動(dòng)有脈動(dòng)性缺點(diǎn)，尤其當(dāng)液體在低速流動(dòng)情況下脈動(dòng)性較明顯；離心力驅(qū)動(dòng)是利用芯片旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力來驅(qū)動(dòng)芯片流道內(nèi)的液體流動(dòng)，此時(shí)芯片內(nèi)的液體同時(shí)受力，不易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制。且由于芯片工作時(shí)需要旋轉(zhuǎn)，所以難以與送樣設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備、信息采集設(shè)備聯(lián)用；電滲驅(qū)動(dòng)是利用流道表面產(chǎn)生的電荷并通過外加電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)。此方法需要很高的外部電壓，由于只有特定的芯片材料才能使流道壁產(chǎn)生電荷，所以芯片制作材料受到限制。另外此方法穩(wěn)定性有待提尚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種高精度，易封裝、易驅(qū)動(dòng)微流控芯片及其制作方法。本發(fā)明所述微流控芯片制作、封裝和驅(qū)動(dòng)方法可以有效解決目前微流控芯片內(nèi)流道表面質(zhì)量不夠高，封裝易出現(xiàn)漏液、設(shè)備昂貴且成本高，流體驅(qū)動(dòng)不夠靈活、設(shè)備復(fù)雜等問題。
[0004]本發(fā)明可通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0005]本發(fā)明一方面提供了一種微流體自律運(yùn)動(dòng)的微流控芯片，包括芯片基板、蓋板，所述芯片基板上設(shè)置有橫截面呈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，同時(shí)，所述微流道從入口到出口深度逐漸變深，且變化規(guī)律為ΔΗ = Δ Ltan β , ΔΗ為流道深度增量，Δ L為流道長(zhǎng)度增量，(K β〈10度。
[0006]進(jìn)一步地，所述微流道呈放射狀分布于芯片基板上且相交于同一入口，各條微流道呈直線形，各微流道的V槽夾角為30?180度。
[0007]進(jìn)一步地，所述微流道為曲線形，其V槽夾角為30?90度，所述微流道的出口連接設(shè)置于芯片基板的混合反應(yīng)池。
[0008]進(jìn)一步地，所述芯片基板和蓋板的材料為透光性聚合物石英、PMMA, PDMS或玻璃，所述微流道的內(nèi)表面粗糙度為10納米?30納米，V槽尖端圓弧半徑為10微米?20微米，以提高流體在微流道內(nèi)的流動(dòng)速度。
[0009]微流道截面形狀為V形，其形式分為直線流道和曲線流道兩種。直線流道陣列式微流控芯片主要用于簡(jiǎn)單測(cè)試項(xiàng)目的批量操作。曲線流道微流控芯片主要用于相對(duì)較復(fù)雜的測(cè)試項(xiàng)目。為了增加流體在芯片微流道內(nèi)的流動(dòng)性，兩種芯片的流道深度都是從入口到出口逐漸加深。
[0010]本發(fā)明另一方面提供了一種微流體自律運(yùn)動(dòng)的微流控芯片的制造方法，包括步驟:
[0011]步驟1、磨削微流道，采用金剛石砂輪在芯片基板按預(yù)定軌跡磨削出微流道；
[0012]步驟2、封裝芯片基板和蓋板，采用超聲波輔助震動(dòng)的方式封裝，超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲電信號(hào)經(jīng)過超聲波換能器、變幅桿、工具頭作用在蓋板表面，沿蓋板繼續(xù)向下傳播直至蓋板與芯片基板的接觸面，然后在接觸面產(chǎn)生高頻機(jī)械振動(dòng)，兩接觸面產(chǎn)生高頻摩擦并升溫，最后發(fā)生融合使蓋板和芯片基板緊密結(jié)合在一起，不易發(fā)生漏液，且封裝效率高。
[0013]進(jìn)一步地，所述步驟I具體包括:
[0014]步驟11、將金剛石砂輪精密修整成V形尖端，尖端的夾角與所需加工的微流道截面夾角相同，取值為30?180度，所述金剛石砂輪為金屬基或樹脂基金剛石砂輪，直徑為150毫米，粒度300?4000目，金剛石濃度100% ；
[0015]步驟12、將金剛石砂輪安裝在精密磨床主軸上，轉(zhuǎn)速為2000?3000轉(zhuǎn)/分，芯片基板裝夾水平分度盤上，金剛石砂輪沿與芯片基板表面成一定角度的折線刀具軌跡做直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)給速度為0.1?0.2米/分，每次進(jìn)給深度為I?3微米，使用水冷卻，利用砂輪尖端在芯片基板I表面磨削出微流道；
[0016]步驟13、一條微流道磨削完，分度盤旋轉(zhuǎn)一定角度，磨削下一條微流道，直到磨削出所有微流道。
[0017]進(jìn)一步地，所述步驟I具體包括:
[0018]將圓柱形金剛石砂輪的柄部夾持在五軸精密機(jī)床上，圓柱形金剛石砂輪的砂輪頭直徑為2?50毫米，粒度300?4000目，金剛石濃度100%，砂輪頭端面與側(cè)面形成的尖角的角度為30?90度；圓柱形金剛石砂輪的軸線與芯片基板表面的法線方向夾角α為45度，砂輪轉(zhuǎn)速η為2000?10000轉(zhuǎn)/分，沿曲線刀具軌跡利用尖角在芯片基片表面磨削出微流道，砂輪進(jìn)給速度V為0.1?0.2米/分，每次進(jìn)給深度a為I?3微米，使用水冷卻。
[0019]進(jìn)一步地，步驟2中所述超聲波換能器接收到的超聲電信號(hào)的頻率為10?130kHZ，超聲波的功率為50?1500瓦，變幅桿的變幅比為I?15。
[0020]本發(fā)明還提供一種用于所述的微流控芯片的注液裝置，包括一端連接微流控芯片入口、另一端連接注液裝置出口的管道，所述注液裝置另一端依次連接工具頭、變幅桿、超聲波換能器，所述超聲波換能器接收到的超聲電信號(hào)的頻率為10?130kHZ，超聲波的功率為50?1500瓦，變幅桿的變幅比為I?15。
[0021]進(jìn)一步地，所述注液裝置包括出口連接管道的活塞式注射器，所述活塞式注射器的活塞的一端與超聲波的工具頭相接觸，另一頭與注射器內(nèi)液體相接觸；
[0022]或者，
[0023]所述注液裝置包括一個(gè)一端與工具頭相連、另一端連接管道的轉(zhuǎn)接頭，所述轉(zhuǎn)接頭中間設(shè)有流體通道，外部試液通過所述流體通道的孔入口流入流體通道再通過連接管道流入微流道的入口。
[0024]本發(fā)明的流體驅(qū)動(dòng)方式同樣采用超聲波輔助，其一超聲震動(dòng)施加在活塞式注射器的“活塞”上，“活塞”產(chǎn)生高頻振動(dòng)的同時(shí)會(huì)對(duì)與其相接觸的液體產(chǎn)生高頻的往復(fù)推力，從而驅(qū)使液體向流道內(nèi)流動(dòng)。其二超聲震動(dòng)施加在管道上，管道將超聲震動(dòng)傳遞給流體，且震動(dòng)沿流體流動(dòng)方向傳播，流體內(nèi)產(chǎn)生的高頻振動(dòng)驅(qū)使其相前流動(dòng)。
[0025]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0026](I)本發(fā)明制作的微流控芯片內(nèi)部的微流道微是通過精密磨削的方法制作，與化學(xué)蝕刻相比流道成型精度更高更高、流道內(nèi)壁面表面質(zhì)量更高，更易于流體流動(dòng)。
[0027](2)與光刻法相比，本發(fā)明采用的精密磨削方法制作精度高、工藝更簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率更高且成本更低。
[0028](3)本發(fā)明采用的微流控芯片的封裝方法，芯片基板和蓋板結(jié)合緊密，不易漏液，且不會(huì)出現(xiàn)像粘接封裝方法存在的膠水堵塞流道的問題。采用超聲波輔助封裝的方法與等離子輔助封裝相比，設(shè)備簡(jiǎn)單，且容易實(shí)現(xiàn)輕量化和高效率生產(chǎn)。
[0029](4)本發(fā)明微流控芯片內(nèi)的微流道深度從流體入口到流體出口逐漸變深，且采用超聲波輔助流動(dòng)的方式，可以實(shí)現(xiàn)流道內(nèi)流體的自律流動(dòng)。與微泵驅(qū)動(dòng)、電滲驅(qū)動(dòng)相比本驅(qū)動(dòng)方法更容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)、精準(zhǔn)、快速驅(qū)動(dòng)。
【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明直線形微流道微流控芯片三維形貌示意圖。
[0031]圖2為本發(fā)明曲線形微流道微流控芯片三維形貌示意圖。
[0032]圖3為本發(fā)明微流控芯片微流道截面示意圖。
[0033]圖4為本發(fā)明微流控芯片微流道深度增量原理圖。
[0034]圖5為本發(fā)明微流控芯片直線形微流道加工示意圖。
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