專利名稱：基于工業(yè)標準印刷電路板工藝的新型微流控芯片制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于微乳液滴制備的新型微流控芯片的制作方法，屬于微流控芯片的制作技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，微流控系統(tǒng)已經(jīng)成為微機電系統(tǒng)的一個重要分支，具有尺寸小，無效體積小，功耗低，控制精度高，響應(yīng)速度快等優(yōu)點，主要應(yīng)用于生物檢測、微乳液成型、先進功能材料制備等方面。比較常見的微流控芯片的制作方法主要有三種，分別為刻蝕成型、軟光刻鑄造、毛 細玻璃管裝配。文獻KPhysics of Fluids, 2005, 17: 013601)報道的硅基微通道工藝，采用體硅刻蝕工藝進行制作，加工尺寸深寬比大，加工精度高，得到的微通道器件可耐高壓(13. 6個標準大氣壓)。文獻2 (Science, 2005，308: 537-541)報道了毛細玻璃管微通道的制備工藝，將圓形毛細玻璃管加熱后，拉制出一個圓錐形的幾何外形，將這個被精確拉制的圓形毛細玻璃管裝配到一個方形的玻璃毛細管中，就形成了微流匯聚型微流控芯片。中國發(fā)明專利CN102580799A公開了一種毛細玻璃管裝配工藝，首先按照設(shè)計的通道結(jié)構(gòu)在載玻片上切割出相應(yīng)的玻璃片組件，將其在基片上搭建出通道結(jié)構(gòu)，將蓋片鍵合，將圓形毛細玻璃管與聚四氟乙烯管裝配至組件玻璃片通道，從而形成微流匯聚型微流控芯片。文獻
3(Analytical Chemistry, 1998，70(23) : 4974-4984)報道了一種軟光刻鑄造聚二甲基硅氧烷(PDMS)微通道的制作方法，利用光刻技術(shù)在硅片上制作鑄造模具，再將PDMS預(yù)聚物澆注在模具上固化，然后將PDMS揭下，并與玻璃鍵合，從而形成微流控芯片?？涛g成型法成本過高、成品率低、加工周期長，且國內(nèi)代加工的單位少，與外部管路的連接需要另行設(shè)計專用的夾具；毛細玻璃管裝配法基于手工制作，重復(fù)性較差；軟光刻鑄造法重復(fù)性好，制作簡單，但由于PDMS等聚合物材料具有透氣性，且易變形，更重要的是，PDMS與多種油相有機溶劑相溶，使得PDMS微流控芯片的應(yīng)用受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有微流控芯片制作中存在的問題，提出一種新型制作工藝，該工藝基于工業(yè)標準的印刷電路板(PCB)技術(shù)，結(jié)合表面處理工藝制作微流控芯片；制成的微流控芯片一致性好，研制周期短，制作成本低，可批量生產(chǎn)，且所制備的微流控芯片適用于多種有機溶劑的微流控芯片的制作方法。本發(fā)明的計數(shù)方式一種微流控芯片的制作方法，包括如下步驟
(1)根據(jù)預(yù)先設(shè)計微流控芯片的微通道結(jié)構(gòu)和流體出入孔，設(shè)計微流控芯片的PCB板的幾何形狀；利用標準的PCB板設(shè)計軟件，繪制PCB板圖，其中，微通道的寬度為150-1000微米，流體出入通孔直徑I. 2至3毫米；
(2)根據(jù)繪制PCB板圖在選好的覆銅厚度15至90微米的基材上將微通道結(jié)構(gòu)刻蝕出來，同時打出流體出入通孔，然后進行鍍金，得到微流控芯片主體；其中，鍍金厚度I至3微米；基材厚度為O. 6至3毫米；
(3)取450-650微升的紫外固化膠，使用勻膠機在載玻片表面，以勻膠速度為1500-5000轉(zhuǎn)/分鐘，時間30-60秒進行均勻涂膠；
(4)將步驟3制備的得到的載玻片有膠面與步驟2制備得到的微流控芯片主體貼合，施加均勻載荷夾緊；
(5)將微流控芯片主體與載玻片在夾緊狀態(tài)下放置在紫外固化盒中，在功率為4至400瓦，固化I分鐘至2小時，取出后靜置24小時，即得到微流控芯片。進一步，所述步驟3還可以為取450-650微升的紫外固化膠，將紫外固化膠與乙醇以體積比為1:1-10:1混合后，使用勻膠機在載玻片表面，以勻膠速度為1500-5000轉(zhuǎn)/分鐘，時間30-60秒進行均勻涂膠。進一步，所述的基材包括紙基材、玻璃布基材、環(huán)氧樹脂類基材、聚酯樹脂類基材、 耐熱熱塑性基材或撓性覆銅箔基材。進一步，所述載玻片為鈉玻璃、鉀玻璃、鋁鎂玻璃、鉛玻璃、硼硅玻璃或石英玻璃。本發(fā)明提供的制作方法具有以下優(yōu)點
I、本發(fā)明所用的材料為標準型號的載玻片和可批量生產(chǎn)的基于工業(yè)標準的PCB板，PCB工藝標準化程度高，成品率高，工藝參數(shù)調(diào)整方便，成本低，且耐有機溶劑腐蝕，不易吸附樣品。2、本發(fā)明涉及的制作環(huán)境不依賴于超凈制作環(huán)境，在普通的實驗室即可完成。3、本發(fā)明涉及的采取紫外固化的鍵合技術(shù)不需要超凈和高溫環(huán)境。4、本發(fā)明涉及的微流控芯片的入口和出口與微通道一同加工成型，避免了芯片在鉆孔的初始和結(jié)束階段造成微通道邊界的塌陷，也避免了玻璃的碎裂情況。


圖I為基于印刷電路板技術(shù)的微流控芯片制作工藝流程圖。圖中1 一 PCB板圖；2 —基材；3 — PCB板微流控芯片主體；4 一玻璃蓋板；5 —紫外固化膠。圖2為實施例I中的標準工業(yè)PCB板圖。圖中6 —外相流體入口 ；7 —內(nèi)相流體入口 ；8 —微流匯聚結(jié)構(gòu)；9 一收集池；10 —流體出口。圖3為實施例I中微乳液滴在微流匯聚結(jié)構(gòu)處生成圖。圖4為實施例3中的并行通道微流控芯片的標準工業(yè)PCB板圖。圖中11 —微通道I ; 12—微通道2; 13—微通道3; 14—微通道4。圖5為實施例3中并行通道生成微乳液滴的尺寸分布圖。
具體實施例方式下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規(guī)方法，一般PCB加工企業(yè)均可完成。下述實施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑得到。
下述實施例中的工藝流程如無特殊說明，均如圖I所示。根據(jù)微流控芯片的微通道結(jié)構(gòu)，設(shè)計覆銅幾何形狀的PCB板圖1，陰影部分為覆銅區(qū)域，白色部分為刻蝕銅層后形成的微通道，黑色部分為流體出入口通孔；由印刷電路制板廠根據(jù)PCB板圖I在基材2上加工得到PCB板微流控芯片主體3 ;在玻璃蓋板4上旋涂紫外固化膠5 ;將PCB板微流控芯片主體3的覆銅面與玻璃蓋板4的涂膠面粘合；將粘合后的PCB板微流控芯片主體3與玻璃蓋板4放入紫外固化盒中固化，完成微流控芯片的制作。實施例I、微流匯聚結(jié)構(gòu)微流控芯片制作水包油型微乳液滴
設(shè)計微流控芯片的通道結(jié)構(gòu)為微流匯聚結(jié)構(gòu)，如圖2中8所示，此結(jié)構(gòu)中微通道的寬度為300微米。圖2中陰影部分為覆銅區(qū)域，白色部分為刻蝕銅層后形成的微通道，黑色部分為流體出入口通孔。圖2中外相流體入口 6和內(nèi)相流體入口 7的尺寸為I. 2毫米，流體出口
10的尺寸為3毫米。圖2中收集池9用來觀察生成的微乳液滴，它的尺寸為18毫米X 14毫米。此設(shè)計的PCB板整體尺寸為76. 2毫米X 25. 4毫米，與標準硼硅玻璃載玻片尺寸相 同，環(huán)氧樹脂類基材厚度為I毫米，覆銅厚度為70微米，鍍金厚度為3微米，按照圖I的工藝流程，使用勻膠機將稀釋后的紫外固化膠(膠和乙醇體積比為2:1) 650微升在載玻片表面進行旋涂，勻膠速度為3000轉(zhuǎn)/分鐘，勻膠時間為40秒。粘結(jié)后，施加均勻載荷將PCB板與載玻片夾緊，在夾緊狀態(tài)下將微流控芯片放置在功率為4瓦的紫外固化盒中固化2小時，靜置24小時。在微流控芯片的背面用環(huán)氧樹脂膠將型號為20G的針頭粘結(jié)在流體的出入口處，使用內(nèi)徑為O. 86毫米的塑料管與針頭相連用來引入和引出流體。使用圖2的結(jié)構(gòu)制作水包油型微乳液滴，首先對微通道進行親水處理，將親水劑(3-Aminoprogyl triethoxysilane)通入微通道密封并靜置2個小時，再通入去離子水清洗。在石蠟油中加入聚合物EM90 (I wt%)，并使用漩渦攪拌器將其充分混合，作為內(nèi)相流體。在水中加入聚乙烯醇(10 wt %)，加熱至80°C并攪拌使其溶解，作為外相流體。用微量注射泵分別將內(nèi)相與外相流體注入微流控芯片，在微流匯聚結(jié)構(gòu)處生成微乳液滴，可在顯微鏡下觀察收集池中的微乳液滴。實施例2、微流匯聚結(jié)構(gòu)微流控芯片制作油包水型微乳液滴
設(shè)計微流控芯片的微通道結(jié)構(gòu)為微流匯聚結(jié)構(gòu)，如圖2所示，此結(jié)構(gòu)中微通道的寬度為150微米。圖2中外相流體入口 6和內(nèi)相流體入口 7的尺寸為I. 2毫米；流體出口 10的尺寸為3毫米。此設(shè)計的PCB板整體尺寸為76. 2毫米X 25. 4毫米，與標準石英玻璃載玻片尺寸相同，撓性覆銅箔基材厚度為O. 6毫米，覆銅厚度為15微米，鍍金厚度為2微米，按照圖I的工藝流程，使用勻膠機將稀釋后的紫外固化膠(膠和乙醇體積比為1:1)550微升在載玻片表面進行旋涂，勻膠速度為1500轉(zhuǎn)/分鐘，勻膠時間為35秒。粘結(jié)后，施加均勻載荷將PCB板與載玻片夾緊，在夾緊狀態(tài)下將微流控芯片放置在功率為100瓦的紫外固化盒中固化10分鐘，靜置24小時。在微流控芯片的背面用環(huán)氧樹脂膠將型號為20G的針頭粘結(jié)在流體的出入口處，使用內(nèi)徑為O. 86毫米的塑料管與針頭相連用來引入和引出流體。使用圖2的結(jié)構(gòu)制作油包水型微乳液滴，在硅油中加入道康寧749 (2 wt%)，并使用漩渦攪拌器將其充分混合，作為外相流體。使用去離子水作為內(nèi)相流體。使用微量注射泵分別將內(nèi)相與外相流體注入微流控芯片，在微流匯聚結(jié)構(gòu)處生成微乳液滴。實施例3、并行通道微流控芯片的制作 該實施例制作的工藝流程圖如圖I所示。
設(shè)計微流控芯片由四個具有微流匯聚結(jié)構(gòu)的并行通道組成，如圖4所示，圖4中陰影部分為覆銅區(qū)域，白色部分為刻蝕銅層后形成的微通道，黑色部分為流體出入口通孔。此設(shè)計的PCB板整體尺寸為75毫米X 38毫米，與另一種標準鋁鎂玻璃載玻片尺寸相同，聚酯樹脂類基材厚度為3毫米，覆銅厚度為90微米，鍍金厚度為I微米，外相流體入口 6和內(nèi)相流體入口 7的尺寸為2毫米，按照圖I的工藝流程，使用勻膠機將紫外固化膠450微升在載玻片表面進行旋涂，勻膠速度為5000轉(zhuǎn)/分鐘，勻膠時間為30秒。粘結(jié)后，施加均勻載荷將PCB板與載玻片夾緊，在夾緊狀態(tài)下將微流控芯片放置在功率為400瓦的紫外固化盒中固化I分鐘，靜置24小時。在微流控芯片的背面用環(huán)氧樹脂膠將型號為20G的針頭粘結(jié)在流體的出入口處，使用內(nèi)徑為O. 86毫米的塑料管與針頭相連用來引入和引出流體。使用圖4的結(jié)構(gòu)制作水包油型微乳液滴，首先對微通道進行親水處理，將親水劑(3-Aminoprogyl triethoxysilane)通入微通道密封并靜置2個小時,再通入去離子水清洗。在石蠟油中加入聚合物EM90( I wt%),并使用漩渦攪拌器將其充分混合，作為內(nèi)相流體。在水中加入聚乙烯醇(10 wt %)，加熱至80°C并攪拌使其溶解，作為外相流體。使用微量注射泵分別將內(nèi)相與外相流體注入微流控芯片，在微流匯聚結(jié)構(gòu)處生成微乳液滴。在相同條件下，并行通道微流控芯片的生產(chǎn)效率可以達到實施例I中的四倍，大大提高了生產(chǎn)效率。 圖5為本實施例制作的微流控芯片在外相流體1000微升/小時，內(nèi)相流體300微升/小時的流量下，并行通道生成微乳液滴的尺寸分布圖，可以看出液滴具有良好的均一性。實施例4、微流匯聚結(jié)構(gòu)微流控芯片制作油包水型微乳液滴
設(shè)計微流控芯片的微通道結(jié)構(gòu)為微流匯聚結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)中微通道的寬度為150微米。外相流體入口和內(nèi)相流體入口的尺寸為I. 2毫米；流體出口的尺寸為3毫米。此設(shè)計的PCB板整體尺寸為76. 2毫米X 25. 4毫米，與標準鉀玻璃載玻片尺寸相同，紙基材厚度為O. 6毫米，覆銅厚度為15微米，鍍金厚度為3微米，按照圖I的工藝流程，使用勻膠機將稀釋后的紫外固化膠(膠和乙醇體積比為10:1) 600微升在鈉玻璃載玻片表面進行旋涂，勻膠速度為4500轉(zhuǎn)/分鐘，勻膠時間為45秒。粘結(jié)后，施加均勻載荷將PCB板與載玻片夾緊，在夾緊狀態(tài)下將微流控芯片放置在功率為20瓦的紫外固化盒中固化I. 5小時，靜置24小時。在微流控芯片的背面用環(huán)氧樹脂膠將型號為20G的針頭粘結(jié)在流體的出入口處，使用內(nèi)徑為
O.86毫米的塑料管與針頭相連用來引入和引出流體。在硅油中加入道康寧749 (2 wt%)，并使用漩渦攪拌器將其充分混合，作為外相流體。使用去離子水作為內(nèi)相流體。使用微量注射泵分別將內(nèi)相與外相流體注入微流控芯片，在微流匯聚結(jié)構(gòu)處生成微乳液滴。實施例5、并行通道微流控芯片的制作
設(shè)計微流控芯片由四個具有微流匯聚結(jié)構(gòu)的并行通道組成，此設(shè)計的PCB板整體尺寸為75毫米X 38毫米，與另一種標準鈉玻璃載玻片尺寸相同，玻璃布基材厚度為3毫米，覆銅厚度為90微米，鍍金厚度為I微米，外相流體入口 6和內(nèi)相流體入口 7的尺寸為2毫米，按照圖I的工藝流程，使用勻膠機紫外固化膠500微升在載玻片表面進行旋涂，勻膠速度為2000轉(zhuǎn)/分鐘，勻膠時間為60秒。粘結(jié)后，施加均勻載荷將PCB板與載玻片夾緊，在夾緊狀態(tài)下將微流控芯片放置在功率為200瓦的紫外固化盒中固化O. 5小時，靜置24小時。在微流控芯片的背面用環(huán)氧樹脂膠將型號為20G的針頭粘結(jié)在流體的出入口處，使用內(nèi)徑為O.86毫米的塑料管與針頭相連用來引入和引出流體。首先對微通道進行親水處理,將親水劑(3-Aminoprogyl triethoxysilane)通入微通道密封并靜置2個小時，再通入去離子水清洗。在石蠟油中加入聚合物EM90(1 wt%),并使用漩渦攪拌器將其充分混合，作為內(nèi)相流體。在水中加入聚乙烯醇(10 wt %)，加熱至80°C并攪拌使其溶解，作為外相流體。使用微量注射泵分別將內(nèi)相與外相流體注入微流控 芯片，在微流匯聚結(jié)構(gòu)處生成微乳液滴。在相同條件下，并行通道微流控芯片的生產(chǎn)效率可以達到實施例I中的四倍，大大提高了生產(chǎn)效率。
權(quán)利要求
1.基于工業(yè)標準印刷電路板工藝的新型微流控芯片制作方法， 其特征在于，包括如下步驟 (1)根據(jù)預(yù)先設(shè)計微流控芯片的微通道結(jié)構(gòu)和流體出入孔，設(shè)計微流控芯片的PCB板的幾何形狀；利用標準的PCB板設(shè)計軟件，繪制PCB板圖，其中，微通道的寬度為150-1000微米，流體出入通孔直徑I. 2至3毫米； (2)根據(jù)繪制PCB板圖在選好的覆銅厚度15至90微米的基材上將微通道結(jié)構(gòu)刻蝕出來，同時打出流體出入通孔，然后進行鍍金，得到微流控芯片主體；其中，鍍金厚度I至3微米；基材厚度為O. 6至3毫米； (3)取450-650微升的紫外固化膠，使用勻膠機在載玻片表面，以勻膠速度為1500-5000轉(zhuǎn)/分鐘，時間30-60秒進行均勻涂膠； (4)將步驟3制備的得到的載玻片有膠面與步驟2制備得到的微流控芯片主體貼合，施加均勻載荷夾緊； (5)將微流控芯片主體與載玻片在夾緊狀態(tài)下放置在紫外固化盒中，在功率為4至400瓦，固化I分鐘至2小時，取出后靜置24小時，即得到微流控芯片。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述步驟3還可以為取450-650微升的紫外固化膠，將紫外固化膠與乙醇以體積比為1:1-10:1混合后，使用勻膠機在載玻片表面，以勻膠速度為1500-5000轉(zhuǎn)/分鐘，時間30-60秒進行均勻涂膠。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于所述的基材包括紙基材、玻璃布基材、環(huán)氧樹脂類基材、聚酯樹脂類基材、耐熱熱塑性基材或撓性覆銅箔基材。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于所述載玻片為鈉玻璃、鉀玻璃、鋁鎂玻璃、鉛玻璃、硼硅玻璃或石英玻璃。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于工業(yè)標準印刷電路板(PCB)工藝的新型微流控芯片制作方法。制作方法包括如下步驟根據(jù)微流控芯片的微通道結(jié)構(gòu)，設(shè)計PCB板覆銅的幾何形狀；利用標準的PCB板設(shè)計軟件，根據(jù)覆銅幾何形狀繪制PCB板圖；由印刷電路制板廠根據(jù)PCB板圖直接加工得到PCB板微流控芯片主體；在玻璃蓋板上旋涂紫外固化膠；將PCB板微流控芯片主體的覆銅面與玻璃蓋板的涂膠面粘合；將粘合后的PCB板微流控芯片主體與玻璃蓋板放入紫外固化盒中固化。本發(fā)明微流控芯片的入口和出口與微通道一同加工成型；標準化程度高，成品率高，成本低，且通道也適用于有機溶劑；制作環(huán)境不依賴于超凈和高溫條件。既適合于工業(yè)用大規(guī)模批量生產(chǎn)，也適合于科研用小批量試制。
文檔編號B81C1/00GK102923643SQ20121044600
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月9日
發(fā)明者李疆, 邢帥, 董恩凱 申請人:北京科技大學(xué)