CN101819078B - 基于层流的多通道压力检测芯片及其制造和测压方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于层流的多通道压力检测芯片及其制造和测压方法，用于微流控领域对微流流体压力进行精确测量，该芯片设置Y形流路，在一定条件下，待测液和参比液通过Y形流路汇合时出现层流现象，以便于对处于层流状态的待测液进行测量并利用层流特性得出待测液的压力；本发明的目的之二是提供一种制造该压力检测芯片的方法，通过该方法可制造出精确度高的测压芯片，对微流流体的低压力具有较高的灵敏度；本发明的目的之三是提供一种使用该压力检测芯片检测微流流体压力的方法，可通过直观的测量和简单的计算，即可得到微流流体的压力值。

Description

基于层流的多通道压力检测芯片及其制造和测压方法

技术领域

本发明涉及微流控压力检测领域，特别涉及一种基于层流的多通道压力检测芯片及其制造和测压方法。

背景技术

层流是流体的一种流动状态，当流体流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流，或称为片流；在流体出现层流现象时，各层流体的压力与流体所占流路的宽度之间存在一定的联系，在一定的压力范围内，所述压力与宽度之间存在正比关系，利用这一关系，可通过对层流流体宽度的直观测量来获取流体的压力。

现有的流体压力检测装置一般需要流体的量比较多，压力比较大，才能达到比较精确的测量，难以实现对微流流体的精确测量，甚至不能进行测量(如需测量人体毛细血管内流体的压力)，尤其是近年来微流控技术的快速发展，更是增大了微流测量技术的需求。

与此同时，由于微流流体测量的流体流量小、压力低，对微流流体测量装置的加工制造技术也提出了挑战，现有的加工方法难以制造出高精度的测量装置，也是造成微流体测量难度大的重要原因之一。

针对上述不足，本发明探索了一种基于层流的多通道流体压力检测芯片，该芯片基于流体的层流特性，可同时对多个待测流体进行精确测量，同时，还探索了制造该芯片的方法和使用该芯片对微流流体进行测压的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于层流的多通道流体压力检测芯片，通过所述的制造方法可制造出高精度的测压芯片，实现同时对多个待测流体进行精确测量，同时，还提出了该芯片的制造和测压方法。

本发明的目的之一是提供一种基于层流的多通道压力检测芯片，包括芯片体，所述芯片体上设置有Y形流路、待测液入口、参比液入口和废液出口，所述Y形流路由待测液支路、参比液支路和废液支路交汇形成，待测液支路与待测液入口连通，参比液支路与参比液入口连通，废液支路与废液出口连通。

进一步，所述芯片体上并列设置有至少两个Y形流路和与待测液支路一一对应的待测液入口，相邻两个Y形流路的参比液支路相互连通；

进一步，所述芯片体为长方体结构，芯片体的上表面设置有Y形微结构凹槽，与芯片体上表面密封配合设置有透明的上盖玻片使Y形微结构凹槽槽口密封；所述待测液入口、参比液入口和废液出口均设置于芯片体的下表面，待测液入口通过贯穿芯片体上、下表面的通孔与待测液支路连通；参比液入口通过设置于芯片体下表面的微结构凹槽、贯穿芯片体上表面和下表面的通孔与参比液支路连通，与芯片体下表面密封配合设置有透明的下盖玻片使微结构凹槽槽口密封；所述废液出口通过贯穿芯片体上表面、下表面的通孔和设置于芯片体上表面的微结构凹槽与废液支路连通；

进一步，还包括与待测液入口、参比液入口和废液出口一一对应的外接导管，所述外接导管穿过下盖玻片并分别与待测液入口、参比液入口和废液出口连通；

进一步，所述待测液支路和参比液支路上均设置有储液池。

本发明的目的之二是提供一种制造上述的基于层流的多通道压力检测芯片的方法，包括以下步骤：

a)制作模具：通过光刻技术分别在两块硅片表面上加工出与芯片体上表面对应的上模和与芯片体下表面结构对应的下模；

b)配制原料：将PDMS(聚二甲基硅氧烷)预聚物与固化剂按重量10∶1的比例混合，在干净的培养皿中搅拌均匀；

c)真空处理：将混合好的PDMS混合液放入真空泵中抽真空；

d)模塑成型：将步骤a中制作的上模和下模平行并列设置于有机玻璃模具中形成一个一面开口的腔体，调整上模和下模之间距离为2mm，缓慢倒入步骤c处理后的PDMS混合液，静置5～10min后放入加热装置，在温度为78℃条件下加热60分钟后取出，并冷却至常温使PDMS固化，将固化后的PDMS从上模和下模上剥离，即得到芯片体；

e)打孔：制作分别与芯片体上表面和下表面对应的上盖玻片和下盖玻片，在芯片体和下盖玻片的相应位置上打孔；

f)清洗键合：将上盖玻片和下盖玻片使用丙酮、无水酒精和去离子水清洗并吹干，并对芯片体、上盖玻片和下盖玻片进行等离子处理后，分别将芯片体的上、下表面与上、下盖玻片键合即得到多通道压力检测芯片。

进一步，所述步骤a也可通过印制电路板的方法在两个基板上印制分别与芯片体上表面和下表面对应的结构来制作上模和下模；

进一步，所述步骤a也可通过光刻技术在PMMA材料基板上刻出与芯片体上表面和下表面对应结构来制作上模和下模。

本发明的目的之三是提供一种使用上述基于层流的多通道压力检测芯片进行测压的方法，包括以下步骤：

a)参数测定：将上述多通道压力检测芯片置于显微镜下，向参比液入口输入压力恒定的参比液，向其中一个Y形流路对应的待测液入口输入压力p可调的测试液，压力p的可调范围为待测液压力的0.5～1.5倍，两股液流通过Y形流路交汇并发生层流现象，记录测试液的压力p₁并测量和记录测试液所占流路的宽度x₁，逐渐增加或降低测试液压力，记录测试液的压力p₂并测量和记录测试液所占流路的宽度x₂，重复上述操作，最后记录测试液的压力p_n和x_n，以p为纵轴x为横轴建立平面直角坐标系，通过上述记录值在直角坐标系内绘制测试液压力p与测试液所占流路宽度x之间的关系图，取所述关系图的线性部分，其对应的纵坐标范围Pmin～Pmax即为该Y形流路的可准确测压的范围，从图中可得出线性部分关系式p＝cx+a中的c和a的值，其中，c为线性部分的斜率，a为线性部分延长线与纵轴的交点对应的值，重复上述方法，测得芯片体上每个Y形流路对应的c和a值；

b)进样测宽：向待测液入口输入压力p′未知的待测液，同时，向参比液入口输入压力恒定的参比液，两股液流在Y形流路处发生层流现象，测量并记录待测液所占流道的宽度x′；

c)计算：通过p′＝cx′+a得出待测液压力。

发明的有益效果：本发明的目的之一是提供一种基于层流的多通道压力检测芯片，用于微流控领域对微流流体压力进行精确测量，通过Y形流路使待测液和参比液形成层流，以便于对层流进行观察和测量；本发明的目的之二是提供一种制造该压力检测芯片的方法，通过该方法可制造出精确度高的测压芯片，对微流流体的低压力具有较高的灵敏度；本发明的目的之三是提供一种使用该压力检测芯片检测微流流体压力的方法，可通过直观的测量和简单的计算，得到微流流体的压力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明的结构示意图；

图2为芯片体的上表面结构示意图；

图3为芯片体的下表面结构示意图；

图4为图1的I处局部放大图；

图5为图2的II处局部放大图；

图6为图2的III处局部放大图；

图7为微流流体的压力与其所占流路宽度的关系图。

具体实施方式

图1为本发明的结构示意图，图2为芯片体的上表面结构示意图，图3为芯片体的下表面结构示意图，图4为图1的I处局部放大图，图5为图2的II处局部放大图，如图所示：本实施例的基于层流的多通道压力检测芯片，包括芯片体1，所述芯片体1上设置有Y形流路、待测液入口2、参比液入口3和废液出口4，所述Y形流路由待测液支路5、参比液支路6和废液支路7交汇形成，待测液支路5与待测液入口2连通，参比液支路6与参比液入口3连通，废液支路7与废液出口4连通，使用时，向待测液入口输入压力未知的待测液，向参比液入口输入压力恒定的参比液，待测液和参比液在Y形流路汇合，并产生层流现象，通过该装置并利用层流的特性，可得出待测液的压力。

本实施例中，所述芯片体1上并列设置有六个Y形流路和与待测液支路一一对应的待测液入口，相邻两个Y形流路的参比液支路相互连通，设置多个待测液入口，可实现同时对多个通道的待测液进行测压，相邻的Y形流路的参比液支路交汇连通，通过一个参比液入口和微结构凹槽即可对多个Y形流路输入参比液，可简化连通参比液支路和参比液入口的微结构凹槽的结构，减少加工量。

本实施例中，所述芯片体1为长方体结构，芯片体1的上表面设置有Y形微结构凹槽，与芯片体1上表面密封配合设置有透明的上盖玻片8使Y形微结构凹槽槽口密封；所述待测液入口2、参比液入口3和废液出口4均设置于芯片体1的下表面，待测液入口2通过贯穿芯片体1上、下表面的通孔与待测液支路5连通；参比液入口3通过设置于芯片体1下表面的微结构凹槽、贯穿芯片体1上、下表面的通孔与参比液支路6连通，与芯片体1下表面密封配合设置有透明的下盖玻片9使微结构凹槽槽口密封；所述废液出口4通过贯穿芯片体1上、下表面的通孔和设置于芯片体1上表面的微结构凹槽与废液支路7连通，流体通道以微结构凹槽的方式分别设置于芯片体的上、下表面上，便于加工制造。

本实施例中，所述基于层流的多通道压力检测芯片还包括与待测液入口2、参比液入口3和废液出口4一一对应的外接导管10，所述外接导管10穿过下盖玻片9并分别与待测液入口2、参比液入口3和废液出口4连通，用于待测液输入，同时，可根据实际进样流量的需要确定外接导管的尺寸。

本实施例中，所述待测液支路5和参比液支路6上均设置有储液池11，使液流在交汇前得到缓冲，并保持流路通畅。

本实施例还提供一种基于层流的多通道压力检测芯片的方法，包括以下步骤：

a)制作模具：通过光刻技术分别在两块硅片表面上加工出与芯片体上表面对应的上模和与芯片体下表面结构对应的下模，另外，也可通过在PMMA材料基板上刻出或采用印制电路板的方法在基板上印制与芯片体上、下表面对应的结构来制作上模和下模；

b)配制原料：将PDMS(聚二甲基硅氧烷)预聚物与固化剂按重量10∶1的比例混合，在干净的培养皿中搅拌均匀，PDMS具备抗腐蚀、抗氧化、透明的特点，采用PDMS作为芯片材料，使芯片不易被腐蚀损坏，并且可以较好的观察实验结果；

c)真空处理：将混合好的PDMS混合液放入真空泵中抽真空，以排除混合液中的气体，防止在其成型后产生气泡破坏流路；

d)模塑成型：将步骤a中制作的上模和下模平行并列设置于有机玻璃模具中形成一个一面开口的腔体，调整上模和下模之间距离为2mm，缓慢倒入步骤c处理后的PDMS混合液，静置8分钟后放入加热装置，在温度为78℃条件下加热60分钟后取出，并冷却至常温使PDMS固化，将固化后的PDMS从上模和下模上剥离，即得到芯片体；

e)打孔：制作分别与芯片体上表面和下表面对应的上盖玻片和下盖玻片，在芯片体和下盖玻片的相应位置上打孔，以便于安装导管。

f)清洗键合：将上盖玻片和下盖玻片使用丙酮、无水酒精和去离子水清洗并吹干，并对芯片体、上盖玻片和下盖玻片进行等离子处理后，分别将芯片体的上、下表面与上、下盖玻片键合即得到多通道压力检测芯片，采用氧等离子体氧化处理，芯片体与上、下盖玻片之间可形成Si-O键，实现不可逆键合，可使芯片的强度提高，能承受较大的外加压力，同时亲水性得到改善。另外，也可采用紫外线照射活化键合的方式来实现本发明的目的。当然，直接利用范德化力来进行可逆键合，操作更简单，同样能实现本发明的目的，但强度不高，不耐高压，容易脱离。

图6为图2的III处局部放大图；图7为微流流体的压力与其所占流路宽度的关系图，如图所示：本实施例还提供一种使用上述基于层流的多通道压力检测芯片进行测压的方法，包括以下步骤：

a)参数测定：将上述多通道压力检测芯片置于显微镜下，向参比液入口输入压力恒定的参比液，向其中一个Y形流路对应的待测液入口输入压力p可调的测试液，压力p的可调范围为待测压力的0.5～1.5倍，如当待测压力在10cm水柱左右时，范围可设为5至15cm水柱，并在这个范围内取一些压力值作为待测点。将参比溶液压力设为10cm水柱。两股液流通过Y形流路交汇并发生层流现象，记录测试液的压力p₁并测量和记录测试液所占流路的宽度x₁，逐渐增加或降低测试液压力，记录测试液的压力p₂并测量和记录测试液所占流路的宽度x₂，重复上述操作，最后记录测试液的压力p_n(cm水柱)和x_n(μm)，得到一组压力和测试液所占流路宽度的值(p，x)为：(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p为纵轴x为横轴建立平面直角坐标系，通过上述记录值在直角坐标系内绘制测试液压力p与测试液所占流路宽度x之间的关系图，取所述关系图的线性部分，其对应的纵坐标范围Pmin～Pmax即为该Y形流路的可准确测压的范围，从图中可得出线性部分关系式p＝cx+a中的c值为0.25、a值为0.625，其中，c为线性部分的斜率，a为线性部分延长线与纵轴的交点对应的值，重复上述方法，测得芯片体上每个Y形流路对应的c和a值，本实施例选其中之一进行测量；

b)进样测宽：向待测液入口输入压力p′未知的待测液，同时，向参比液入口输入压力恒定的参比液，两股液流在Y形流路处发生层流现象，测量并记录待测液所占流道的宽度x′，为38.5μm；

c)计算：通过p′＝cx′+a得出待测液压力为10.25cm水柱。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于层流的多通道压力检测芯片，其特征在于：包括芯片体(1)，所述芯片体(1)上设置有Y形流路、待测液入口(2)、参比液入口(3)和废液出口(4)，所述Y形流路由待测液支路(5)、参比液支路(6)和废液支路(7)交汇形成，待测液支路(5)与待测液入口(2)连通，参比液支路(6)与参比液入口(3)连通，废液支路(7)与废液出口(4)连通，所述待测液支路(5)和参比液支路(6)上均设置有储液池(11)，所述芯片体(1)上并列设置有至少两个Y形流路和与待测液支路一一对应的待测液入口，相邻两个Y形流路的参比液支路相互连通，所述芯片体(1)为长方体结构，芯片体(1)的上表面设置有Y形微结构凹槽，与芯片体(1)上表面密封配合设置有透明的上盖玻片(8)使Y形微结构凹槽槽口密封；所述待测液入口(2)、参比液入口(3)和废液出口(4)均设置于芯片体(1)的下表面，待测液入口(2)通过贯穿芯片体(1)上表面和下表面的通孔与待测液支路(5)连通；参比液入口(3)通过设置于芯片体(1)下表面的微结构凹槽、贯穿芯片体(1)上、下表面的通孔与参比液支路(6)连通，与芯片体(1)下表面密封配合设置有透明的下盖玻片(9)使微结构凹槽槽口密封；所述废液出口(4)通过贯穿芯片体(1)上表面、下表面的通孔和设置于芯片体(1)上表面的微结构凹槽与废液支路(7)连通。

2.根据权利要求1所述的基于层流的多通道压力检测芯片，其特征在于：还包括与待测液入口(2)、参比液入口(3)和废液出口(4)一一对应的外接导管(10)，所述外接导管(10)穿过下盖玻片(9)并分别与待测液入口(2)、参比液入口(3)和废液出口(4)连通。

3.制造权利要求1所述的基于层流的多通道压力检测芯片的方法，其特征在于：包括以下步骤：

a)制作模具：通过光刻技术分别在两块硅片表面上加工出与芯片体上表面对应的上模和与芯片体下表面结构对应的下模；

b)配制原料：将PDMS(聚二甲基硅氧烷)预聚物与固化剂按重量10∶1的比例混合，在干净的培养皿中搅拌均匀；

c)真空处理：将混合好的PDMS混合液放入真空泵中抽真空；

d)模塑成型：将步骤a中制作的上模和下模平行并列设置于有机玻璃模具中形成一个一面开口的腔体，调整上模和下模之间距离为2mm，缓慢倒入步骤c处理后的PDMS混合液，静置5～10min后放入加热装置，在温度为78℃条件下加热60分钟后取出，并冷却至常温使PDMS固化，将固化后的PDMS从上模和下模上剥离，即得到芯片体；

e)打孔：制作分别与芯片体上表面和下表面对应的上盖玻片和下盖玻片，在芯片体和下盖玻片的相应位置上打孔；

f)清洗键合：将上盖玻片和下盖玻片使用丙酮、无水酒精和去离子水清洗并吹干，并对芯片体、上盖玻片和下盖玻片进行等离子处理后，分别将芯片体的上、下表面与上、下盖玻片键合即得到多通道压力检测芯片。

4.根据权利要求3所述的制造多通道压力检测芯片的方法，其特征在于：所述步骤a也可通过印制电路板的方法在两个基板上印制分别与芯片体上表面和下表面对应的结构来制作上模和下模。

5.根据权利要求4所述的制造多通道压力检测芯片的方法，其特征在于：所述步骤a也可通过光刻技术在PMMA材料基板上刻出与芯片体上表面和下表面对应结构来制作上模和下模。

6.使用权利要求1所述的基于层流的多通道压力检测芯片进行测压的方法，其特征在于：包括以下步骤：

a)参数测定：将上述多通道压力检测芯片置于显微镜下，向参比液入口输入压力恒定的参比液，向其中一个Y形流路对应的待测液入口输入压力p可调的测试液，压力p的可调范围为待测液压力的0.5～1.5倍，两股液流通过Y形流路交汇并发生层流现象，记录测试液的压力p₁并测量和记录测试液所占流路的宽度x₁，逐渐增加或降低测试液压力，记录测试液的压力p₂并测量和记录测试液所占流路的宽度x₂，重复上述操作，最后记录测试液的压力p_n和x_n，以p为纵轴x为横轴建立平面直角坐标系，通过上述记录值在直角坐标系内绘制测试液压力p与测试液所占流路宽度x之间的关系图，取所述关系图的线性部分，其对应的纵坐标范围Pmin～Pmax即为该Y形流路的可准确测压的范围，从图中可得出线性部分关系式p＝cx+a中的c和a的值，其中，c为线性部分的斜率，a为线性部分延长线与纵轴的交点对应的值，重复上述方法，测得芯片体上每个Y形流路对应的c和a值；

b)进样测宽：向待测液入口输入压力p′未知的待测液，同时，向参比液入口输入压力恒定的参比液，两股液流在Y形流路处发生层流现象，测量并记录待测液所占流道的宽度x′；

c)计算：通过p′＝cx′+a得出待测液压力。

Images