CN101907631B - 微流控芯片内的双液体毛细微流控制阀及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
微流控芯片内的双液体毛细微流控制阀及其制作方法，涉及用于微流控芯片上实现两种液体同时进样的毛细微流控制机构；它解决目前微流控技术中存在的难以实现两种具有不同亲介质特性的微量液体同时进样的技术难题，本发明所述的第一支流凹槽、第二支流凹槽和输出凹槽的横截面宽度相等；气道凹槽的横截面宽度小于第一支流凹槽、第二支流凹槽和输出凹槽的横截面宽度；第二支流凹槽和输出凹槽的深度相等，第一支流凹槽的深度小于第二支流凹槽的深度；第二支流凹槽和输出凹槽的深度小于气道凹槽的深度；第一支流凹槽和第二支流凹槽的末端汇通于输出凹槽的输入端，气道凹槽的末端汇通于第二支流凹槽的末端前。本发明适用于高亲液体同时进样的装置结构中。
Description
技术领域
本发明涉及用于微流控芯片上实现两种液体同时进样的毛细微流控制阀，特别是一种适用于生物检测中实现两种具有不同亲介质特性的微量液体同步进给的控制机构。
背景技术
微流控芯片是当前微全分析***(Miniaturized Total Analysis Systems)发展的热点领域。微流控芯片将用于完成样品处理、输运、定量、混合和探测等过程的微结构集成于芯片之上，构成微流控技术实现的主要平台。在芯片上，液体的混合操作需要两种液体同时进入微混合器，该功能由Y型进样微通道完成。通常Y型进样微通道内两种液体在两进样分支的交汇处毛细流动的截止由疏水区微阀或扩张阀实现，然后通过液体触发的方式实现交汇处微阀的开启，从而实现两种液体的同时进样。在微通道内局部沉积C4F8，或制作OTS疏水区可形成疏水阀；毛细扩张阀主要是通过微通道内深度或宽度方向尺寸的突变实现毛细流动的截止功能。疏水阀的制作需要进行局部表面处理，会增加工艺复杂性和加工难度，工艺兼容性差；扩张阀主要是依靠尺寸的扩张来实现流动的截止，对高亲液体易失效。因此，通常的Y型进样微通道存在加工工艺复杂，工艺兼容性差，难以实现高亲液体同时进样和存在液体残留的缺点。
发明内容
本发明的目的是为解决目前微流控技术中存在的难以实现两种具有不同亲介质特性的微量液体同时进样的技术难题，提出一种微流控芯片内的双液体毛细微流控制阀及其制作方法。
本发明微流控芯片内的双液体毛细微流控制阀，是表面上设有凹槽的聚二甲基硅氧烷(PDMS)基片贴置在玻璃片表面上构成的Y型毛细通道，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、输出凹槽和气道凹槽；所述第一支流凹槽、第二支流凹槽和输出凹槽的横截面宽度相等；所述气道凹槽的横截面宽度小于第一支流凹槽、第二支流凹槽和输出凹槽的横截面宽度；所述第二支流凹槽和输出凹槽的深度相等，第一支流凹槽的深度小于第二支流凹槽的深度；第二支流凹槽和输出凹槽的深度小于气道凹槽的深度；所述第一支流凹槽和第二支流凹槽的末端汇通于输出凹槽的输入端，气道凹槽的末端汇通于第二支流凹槽的末端前，所述气道凹槽的进口端距输出凹槽输入端的长度大于第一支流凹槽进口端与第二支流凹槽进口端距输出凹槽输入端的长度，所述的毛细微流控制阀提供离心力的旋转中心位于双液体毛细微流控制阀的两个支流液体通道和气体通道的进口端一侧，旋转中心提供离心力使封堵于第一支流液体通道与第二支流液体通道末端的气体向旋转中心方向运动而由气体通道的进口排出，第二支流液体通道内的液体与第一支流液体通道内的液体在扩张阀处汇合，进而使两支液体流沿输出液体通道同时流出，毛细微流控制阀具有提供离心力的旋转中心，旋转中心位于双液体毛细微流控制阀的第一支流凹槽构成的第一支流液体通道、第二支流凹槽构成的第二支流液体通道和第二支流液体通道与气道凹槽构成的气体通道的进口端一侧，旋转中心提供离心力使封堵于第一支流凹槽构成的第一支流液体通道与第二支流凹槽构成的第二支流液体通道末端的气体向旋转中心方向运动而由第二支流液体通道与气道凹槽构成的气体通道的进口排出，第二支流凹槽构成的第二支流液体通道内的液体与第一支流凹槽构成的第一支流液体通道内的液体在扩张阀处汇合，进而使两支液体流沿输出液体通道同时流出。
微流控芯片内的双液体毛细微流控制阀的制作方法，该方法的具体步骤为：
步骤一、在氧化后的硅单晶片的表面上旋涂光刻胶，光刻出所述第一支流凹槽、第二支流凹槽、输出凹槽和气道凹槽的光刻胶图形，将所述光刻胶图形坚膜后湿法腐蚀二氧化硅，然后将第一支流凹槽、第二支流凹槽、输出凹槽和气道凹槽其余部分的光刻胶去除，获得第一支流凹槽、第二支流凹槽、输出凹槽和气道凹槽通道的二氧化硅掩模图形；
步骤二、在步骤一获得的二氧化硅掩模图形上蒸镀1μm厚的铝膜，然后在所述铝膜上旋涂光刻胶，光刻出所述的第二支流凹槽、输出凹槽和气道凹槽的光刻胶图形，坚膜后湿法腐蚀铝，获得铝掩模图形，然后将所述第二支流凹槽、输出凹槽和气道凹槽的其余部分的光刻胶去除，获得第二支流凹槽、输出凹槽和气道凹槽的铝掩模图形；
步骤三、在步骤二获得的铝掩模图形的硅晶片上旋涂光刻胶，光刻出气道凹槽的光刻胶图形，坚膜后去胶，获得胶掩模图形；
步骤四、将步骤二获得的铝掩模图形和步骤三获得的胶掩模图形的硅晶片进行感应耦合等离子体干法刻蚀，获得硅基阴模模具；所述感应耦合等离子体干法刻蚀的过程为：
步骤A、首先刻蚀10μm，然后除去胶掩模，获得含有铝和二氧化硅掩模图形的硅晶片；
步骤B、在步骤A的基础上继续刻蚀170μm，然后除去铝掩模，继续刻蚀30μm，获得硅基阴模模具；
步骤五、采用微模铸工艺，将液态聚二甲基硅氧烷浇注于硅基阴模模具上，然后进行真空脱气、加热、冷却后脱模；获得聚二甲基硅氧烷阳模模具；
步骤六、在步骤五所述的聚二甲基硅氧烷阳模模具上浇注液态聚二甲基硅氧烷，然后进行真空脱气、加热、冷却后脱模；获得聚二甲基硅氧烷基片；
步骤七、对步骤六获得的聚二甲基硅氧烷基片上的第一支流凹槽、第二支流凹槽和气道凹槽的末端处分别打孔，分别为第一支流的进口端、第二支流凹槽的进口端和气道凹槽的进口端；
步骤八、将步骤七获得的打孔后的聚二甲基硅氧烷基片与玻璃片贴合，获得微流控芯片内双液体毛细微流控制阀。
本发明双液体毛细微流控制阀的工作原理为：
深度较小的第一支流凹槽所构成的第一支流液体通道与深度较大的第二支流凹槽所构成的第二支流液体通道和输出凹槽所构成的输出液体通道的交汇处分别形成两扩张阀，第二支流液体通道与气道凹槽所构成的气体通道的交汇处也有扩张阀形成。当一种液体由第一支流液体通道的进口加入后，在毛细作用下液体到达与输出液体通道交汇处的扩张阀处时，毛细流动被截止。然后由第二支流液体通道的进口处加入另一种液体，该液体亦在毛细作用下流向其该通道末端，由于被封堵在第一支流液体通道与第二支流液体通道末端的气体被压缩，使得气压与毛细压平衡，而使得第二支流液体通道的液体截止于气体通道与该第二支流液体通道的交汇处。然后提供离心力，旋转中心位于该双液体毛细微流控制阀的上述两个支流液体通道和气体通道的进口端一侧，在离心力作用下，被封堵于第一支流液体通道与第二支流液体通道末端的气体因向旋转中心方向运动而由气体通道的进口而排出，第二支流液体通道内的液体到达两支流液体通道的交汇处，与第一支流液体通道内的液体在扩张阀处汇合，进而使两支液体流沿输出液体通道同时流出。该双液体毛细微流控制阀结构简单，能够同时实现两种液体(其中一种可为高亲液体)的毛细流动在交汇处的阻断，进而实现在离心力下两种液体的同时进样，且Y型微通道交汇处无液体残余；另外，选用聚合物等廉价材料，使制作工艺极大简化，成本降低。
本发明的有益效果：本发明微流控芯片内的双液体毛细微流控制阀，可以实现高亲液体在Y型微通道交汇处的阻断；在离心力场内气体易顺利排出，提高了对高亲液体毛细流动于交汇处截止的可靠性，从而有效的保证了两种液体进样的同时性；且避免了液体在Y型微通道交汇处的残余；其结构材料廉价，工艺简单，可有效缩短器件的制作周期和降低制作成本。
附图说明
图1是本发明微流控芯片内双液体毛细微流控制阀的立体示意图；
图2是图1中所示PDMS基片的立体示意图；
图3是图2中所示PDMS基片的A-A剖面示意图。
图中：1、PDMS基片，1-1、第一支流凹槽，1-1-1、第一支流凹槽进口端，1-2、第二支流凹槽，1-2-1、第二支流凹槽进口端，1-3、输出凹槽，1-4、气道凹槽，1-4-1、气道凹槽进口端，2、玻璃片。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图3说明本实施方式，微流控芯片内的双液体毛细微流控制阀，是表面上设有凹槽的PDMS基片1贴置在玻璃片2表面上构成的Y型毛细通道，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、输出凹槽1-3和气道凹槽1-4；所述第一支流凹槽1-1、第二支流凹槽1-2和输出凹槽1-3的横截面宽度相等；所述气道凹槽1-4的横截面宽度小于第一支流凹槽1-1、第二支流凹槽1-2和输出凹槽1-3的横截面宽度；所述第二支流凹槽1-2和输出凹槽1-3的深度相等，第一支流凹槽1-1的深度小于第二支流凹槽1-2的深度；第二支流凹槽1-2和输出凹槽1-3的深度小于气道凹槽1-4的深度；所述第一支流凹槽1-1和第二支流凹槽1-2的末端汇通于输出凹槽1-3的输入端，气道凹槽1-4的末端汇通于第二支流凹槽1-2的末端前，所述气道凹槽1-4的进口端1-4-1距输出凹槽1-3输入端的长度大于第一支流凹槽1-1进口端1-1-1与第二支流凹槽1-2进口端1-2-1距输出凹槽1-3输入端的长度。
本实施方式所述气道凹槽1-4的末端汇通于第二支流凹槽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的末端汇通于输出凹槽1-3的输入端之前的任意的位置。
本实施方式所述的第一支流凹槽1-1、输出凹槽1-3和第二支流凹槽1-2的深度分别为30μm、200μm和200μm，其宽度均为600μm；所述气道凹槽1-4的深度为240μm、宽度为100μm。
具体实施方式二、本实施方式为具体实施方式一所述的微流控芯片内的双液体毛细微流控制阀的制作方法，该方法的具体步骤为：
步骤一、在氧化后的Si单晶片的表面上旋涂光刻胶，光刻出所述第一支流凹槽1-1、第二支流凹槽1-2、输出凹槽1-3和气道凹槽1-4的光刻胶图形，然后将所述光刻胶图形坚膜后湿法腐蚀SiO2，然后将第一支流凹槽1-1、第二支流凹槽1-2、输出凹槽1-3和气道凹槽1-4其余部分的光刻胶去除，获得第一支流凹槽1-1、第二支流凹槽1-2、输出凹槽1-3和气道凹槽1-4通道的SiO2掩模图形；
步骤二、在步骤一获得的SiO2掩模图形上蒸镀1μm厚的铝膜，然后在所述铝膜上旋涂光刻胶，光刻出所述的第二支流凹槽1-2、输出凹槽1-3和气道凹槽1-4的光刻胶图形，坚膜后湿法腐蚀铝，获得铝掩模图形，然后将所述第二支流凹槽1-2、输出凹槽1-3和气道凹槽1-4的其余部分的光刻胶去除，获得第二支流凹槽1-2、输出凹槽1-3和气道凹槽1-4的铝掩模图形；
步骤三、在步骤二获得的铝掩模图形的Si晶片上旋涂光刻胶，光刻出气道凹槽1-4的光刻胶图形，坚膜后去胶，获得胶掩模图形；
步骤四、将步骤二获得的铝掩模图形和步骤三获得的胶掩模图形的Si晶片进行ICP干法刻蚀，获得Si基阴模模具；所述ICP干法刻蚀的过程为：
步骤A、首先刻蚀10μm，然后除去胶掩模，获得含有铝掩模图形的Si晶片；
步骤B、在步骤A的基础上继续刻蚀170μm，然后除去铝掩模，继续刻蚀30μm，获得Si基阴模模具；
步骤五、采用微模铸方法，将液态PDMS浇注于Si基阴模模具上，然后进行真空脱气、加热、冷却后脱模；获得PDMS阳模模具；
步骤六、在步骤五所述的PDMS阳模模具上浇注液态PDMS，然后进行真空脱气、加热、冷却后脱模；获得PDMS基片1；
步骤七、对步骤六获得的PDMS基片1上的第一支流凹槽1-1、第二支流凹槽1-2和气道凹槽1-4的末端处分别打孔，分别为第一支流1-1的进口端1-1-1、第二支流凹槽1-2的进口端1-2-1和气道凹槽1-4的进口端1-4-1；
步骤八、将步骤七获得的打孔后的PDMS基片1与玻璃片2贴合，获得微流控芯片内双液体毛细微流控制阀。
本实施方式中步骤一所述的Si单晶片的厚度可以为380μm、600μm或者800μm。
本实施方式中步骤五和步骤六所述的进行真空脱气、加热、冷却和脱模；获得PDMS阳模模具；所述的加热温度为120℃，加热固化时间为15分钟。
本实施方式中步骤五获得的PDMS阳模模具的结构与步骤四获得的Si基阴模模具的结构互补；所述的液态PDMS与固化剂按10∶1的比例混合而成。
本实施方式中步骤六获得的PDMS基片1的结构与步骤四获得的Si基阴模模具的结构相同。
本实施方式所述的玻璃片(2)的材质为硼硅玻璃片，所述硼硅玻璃片的尺寸与SiO2单晶片的尺寸相同；厚度为1mm。
Claims (8)
1.微流控芯片内的双液体毛细微流控制阀，是表面上设有凹槽的聚二甲基硅氧烷基片(1)贴置在玻璃片(2)上构成的Y型毛细通道，其特征是：所述聚二甲基硅氧烷基片(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)、输出凹槽(1-3)和气道凹槽(1-4)；所述第一支流凹槽(1-1)、第二支流凹槽(1-2)和输出凹槽(1-3)的横截面宽度相等；所述气道凹槽(1-4)的横截面宽度小于第一支流凹槽(1-1)、第二支流凹槽(1-2)和输出凹槽(1-3)的横截面宽度；所述第二支流凹槽(1-2)和输出凹槽(1-3)的深度相等，第一支流凹槽(1-1)的深度小于第二支流凹槽(1-2)的深度；第二支流凹槽(1-2)和输出凹槽(1-3)的深度小于气道凹槽(1-4)的深度；所述第一支流凹槽(1-1)和第二支流凹槽(1-2)的末端汇通于输出凹槽(1-3)的输入端，气道凹槽(1-4)的末端汇通于第二支流凹槽(1-2)的末端前，所述气道凹槽(1-4)的进口端(1-4-1)距输出凹槽(1-3)输入端的长度大于第一支流凹槽(1-1)进口端(1-1-1)与第二支流凹槽(1-2)进口端(1-2-1)距输出凹槽(1-3)输入端的长度，毛细微流控制阀具有提供离心力的旋转中心，旋转中心位于双液体毛细微流控制阀的第一支流凹槽(1-1)构成的第一支流液体通道、第二支流凹槽(1-2)构成的第二支流液体通道和第二支流液体通道与气道凹槽(1-4)构成的气体通道的进口端一侧，旋转中心提供离心力使封堵于第一支流凹槽(1-1)构成的第一支流液体通道与第二支流凹槽(1-2)构成的第二支流液体通道末端的气体向旋转中心方向运动而由第二支流液体通道与气道凹槽(1-4)构成的气体通道的进口排出，第二支流凹槽(1-2)构成的第二支流液体通道内的液体与第一支流凹槽(1-1)构成的第一支流液体通道内的液体在扩张阀处汇合，进而使两支液体流沿输出液体通道同时流出。
2.基于权利要求1所述的微流控芯片内的双液体毛细微流控制阀的制作方法，其特征是，该方法的具体步骤为：
步骤一、在氧化后的硅单晶片的表面上旋涂光刻胶，光刻出所述第一支流凹槽(1-1)、第二支流凹槽(1-2)、输出凹槽(1-3)和气道凹槽(1-4)的光刻胶图形，将所述光刻胶图形坚膜后湿法腐蚀二氧化硅，然后将第一支流凹槽(1-1)、第二支流凹槽(1-2)、输出凹槽(1-3)和气道凹槽(1-4)其余部分的光刻胶去除，获得第一支流凹槽(1-1)、第二支流凹槽(1-2)、输出凹槽(1-3)和气道凹槽(1-4)通道的二氧化硅掩模图形；
步骤二、在步骤一获得的二氧化硅掩模图形上蒸镀1μm厚的铝膜，然后在所述铝膜上旋涂光刻胶，光刻出所述的第二支流凹槽(1-2)、输出凹槽(1-3)和气道凹槽(1-4)的光刻胶图形，坚膜后湿法腐蚀铝，获得铝掩模图形，然后将所述第二支流凹槽(1-2)、输出凹槽(1-3)和气道凹槽(1-4)的其余部分的光刻胶去除，获得第二支流凹槽(1-2)、输出凹槽(1-3)和气道凹槽(1-4)的铝掩模图形；
步骤三、在步骤二获得的铝掩模图形的硅晶片上旋涂光刻胶，光刻出气道凹槽(1-4)的光刻胶图形，坚膜后去胶，获得胶掩模图形；
步骤四、将步骤二获得的铝掩模图形和步骤三获得的胶掩模图形的硅晶片进行感应耦合等离子体干法刻蚀，获得硅基阴模模具；所述感应耦合等离子体干法刻蚀的过程为：
步骤A、首先刻蚀10μm，然后除去胶掩模，获得含有铝和二氧化硅掩模图形的硅晶片；
步骤B、在步骤A的基础上继续刻蚀170μm，然后除去铝掩模，继续刻蚀30μm，获得硅基阴模模具；
步骤五、采用微模铸工艺，将液态聚二甲基硅氧烷浇注于硅基阴模模具上，然后进行真空脱气、加热、冷却后脱模；获得聚二甲基硅氧烷阳模模具；
步骤六、在步骤五所述的聚二甲基硅氧烷阳模模具上浇注液态聚二甲基硅氧烷，然后进行真空脱气、加热、冷却后脱模；获得聚二甲基硅氧烷基片(1)；
步骤七、对步骤六获得的聚二甲基硅氧烷基片(1)上的第一支流凹槽(1-1)、第二支流凹槽(1-2)和气道凹槽(1-4)的末端处分别打孔，分别为第一支流(1-1)的进口端(1-1-1)、第二支流凹槽(1-2)的进口端(1-2-1)和气道凹槽(1-4)的进口端(1-4-1)；
步骤八、将步骤七获得的打孔后的聚二甲基硅氧烷基片(1)与玻璃片(2)贴合，获得微流控芯片内双液体毛细微流控制阀。
3.根据权利要求2所述的微流控芯片内的双液体毛细微流控制阀的制作方法，其特征在于，所述硅单晶片的厚度为380μm、600μm或者800μm。
4.根据权利要求2所述的微流控芯片内的双液体毛细微流控制阀的制作方法，其特征在于，步骤五和步骤六所述的进行真空脱气、加热、冷却和脱模；获得聚二甲基硅氧烷阳模模具；所述的加热温度为120℃，加热固化时间为15分钟。
5.根据权利要求2所述的微流控芯片内的双液体毛细微流控制阀的制作方法，其特征在于，步骤五获得的聚二甲基硅氧烷阳模模具的结构与步骤四获得的硅基阴模模具的结构互补。
6.根据权利要求2所述的微流控芯片内的双液体毛细微流控制阀的制作方法，其特征在于，步骤五所述的液态聚二甲基硅氧烷与固化剂按10∶1的比例混合而成。
7.根据权利要求2所述的微流控芯片内的双液体毛细微流控制阀的制作方法，其特征在于，步骤六获得的聚二甲基硅氧烷基片(1)的结构与步骤四获得的硅基阴模模具的结构相同。
8.根据权利要求2所述的微流控芯片内的双液体毛细微流控制阀的制作方法，其特征在于，所述玻璃片(2)的材质为硼硅玻璃片，所述硼硅玻璃片的尺寸与硅单晶片的尺寸相同。
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- 2010-07-19 CN CN2010102295466A patent/CN101907631B/zh not_active Expired - Fee Related
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| CN101907631A (zh) | 2010-12-08 |
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