CN102247786A - 微流体控制器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了微流体控制器件及其制造方法，提供了具有多台阶微通道的塑料微流体控制器件及其制造方法。该器件包括下基板和接触下基板的流体通道基板，该流体通道基板在结合到下基板的一侧具有多台阶微通道，该多台阶微通道至少具有两个深度。因此，通过使用具有不同通道深度的多台阶微通道控制流体来在通道深度方向上控制毛细力，该器件能够精确地控制流体流动。多台阶微图案通过重复光刻和转印而形成，从而易于形成具有平坦表面和精确控制的高度的多台阶微通道。

Description

微流体控制器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种微流体控制器件(microfluid control device)以及制造该微流体控制器件的方法，更具体地，涉及具有多台阶微通道的塑料微流体控制器件及其制造方法。

背景技术

微流体控制器件是芯片上实验室(lab-on-a-chip)的关键部件，并应用于要求精密流体控制的各种器件，诸如蛋白质芯片、DNA芯片、药物输送***、微型综合分析***和微反应器。

根据控制微流体的方法，微流体控制器件可以使用微致动法、电渗(electrosmotic)法或毛细流动法实现，微致动法用于在流体通道或腔室上实现塑料微型泵和阀，电渗法利用通过在微流体之间施加电压产生的电渗透(electromosis)来驱动流体。

例如，利用毛细流动法的微流体控制器件使用微管的内表面与流体之间的表面张力产生的吸引或排斥来控制流体的流动和流速。当流体使用毛细力控制时，微流体控制器件不需要单独的致动器或附加的电源，并很少有故障。

近来，已经提出应用于使用毛细流动的流体控制器件或生物芯片的微塑料微结构的各种结构。例如，已经提出了诊断生物芯片结构，用于仅使用通过毛细力的流动来输送样品、依次在流体通道和腔室中进行反应以及通过光学方法测量样品的反应量。此外，已经提出通过在通道中安装具有均匀深度的六角形微型柱来产生毛细力或通过调节具有均匀深度的通道的宽度和角度来控制毛细力的方法。

这样的微流体控制器件可以通过诸如计算机数字控制过程的精细加工或半导体工艺中的干法蚀刻来制造。

然而，该精细加工提供粗糙的表面，在形成微图案上存在限制。因此，难以使用毛细力精确地控制流体。此外，使用半导体工艺制造微流体控制器件具有工艺困难、制造时间长和制造成本高的问题。

同时，由于用于诊断疾病的微流体控制器件是一次性的(disposable)，它通常由聚合物制造。通常，其已经通过直接加工聚合物或形成模具并将模具转印到聚合物而制造。

然而，使用聚合物的常规微流体控制器件难以控制微通道的表面形状。由于静电或微小颗粒附着在通道的表面上或者通道的表面特性根据时间的变化，也难以控制流体的流速。

发明内容

本发明涉及使用多台阶微通道控制微流体的微流体控制器件以及制造该微流体控制器件的方法。

本发明的一个方面提供了一种微流体控制器件，该微流体控制器件包括：下基板；以及流体通道基板，接触下基板并在结合到下基板的一侧具有多台阶微通道，该多台阶微通道至少具有两个深度。

本发明的另一方面提供了一种制造微流体控制器件的方法，该方法包括：形成具有多台阶微图案的模具；通过将模具的多台阶微图案转印到流体通道基板，形成至少具有两个深度的多台阶微通道；以及将具有多台阶微通道的流体通道基板结合到下基板。

附图说明

通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，本发明的以上和其它的特征以及优点对于本领域普通技术人员将变得更加明显，附图中：

图1A和图1B示出根据本发明示范性实施例的微流体控制器件的结构；

图1C和图1D示出根据本发明示范性实施例的微流体控制器件的控制微流体的原理；

图2A至图2F是示出根据本发明示范性实施例形成模具原型(prototype)的方法的截面图；

图3是示出根据本发明示范性实施例的形成模具的方法的截面图；

图4A至图4D是示出根据本发明示范性实施例的形成流体通道基板的方法的截面图；以及

图5A和图5B是示出根据本发明示范性实施例的流体通道基板结合到下基板的截面图。

具体实施方式

在下文，将详细描述本发明的示范性实施例。然而，本发明不限于以下公开的实施例，而是可以以各种形式实施。为了清晰，将省略与本发明的描述不相关的部分，贯穿整个说明书，相似的部件将用相似的附图标记来表示。

贯穿整个说明书，当部分“包括”或“包含”部件时，除非另外限定，该部分可以包括而不是排除另一个元件。另外，术语这里使用的“部分”或“单元”是指至少拥有一个功能或操作的单元。

图1A和图1B示出根据本发明示范性实施例的微流体控制器件的结构。图1A是透视图，图1B是沿图1A的线I-I’截取的截面图。

如图1A和图1B所示，根据本发明的示范性实施例的微流体控制器件100包括下基板120以及与下基板120接触的流体通道基板110，流体通道基板110具有多台阶微通道150，多台阶微通道150在与下基板120的结合侧至少具有两个深度。这里，流体通道基板110还可以包括流体入口130和流体出口140以及分离孔，空气可通过分离孔以帮助流体流动。下基板120还可以包括传感器和反应器。

流体通道基板110和下基板120可以由聚合物形成，它们可以具有相同或不同的结构。

多台阶微通道150具有根据位置的各个深度，通道的深度通过多台阶来控制。这里，台阶152、154、156和158的宽度(W)和高度(H)可以根据微流体控制器件的用途和应用而改变。因此，由于台阶152、154、156和158的宽度和高度，毛细力可以根据通道的位置而被精确地控制。

例如，由于通道形成为在使流体快速通过的部分和在因反应而阻挡流体的流动的部分具有不同的深度，所以流体可以以高精度和再现性控制。因此，每个台阶152、154、156或158的高度(H)可以为1至1000μm，每个台阶152、154、156或158的宽度(W)可以为1至100000μm。

多台阶微通道150的表面可以被化学或物理地处理以控制疏水性或亲水性。

图1C和图1D示出根据本发明示范性实施例的微流体控制器件的控制微流体的原理。图1C是多台阶微通道的透视图，图1D示出多台阶微通道的截面图。

如图1C所示，根据本发明示范性实施例的微流体控制器件100可以在微通道的深度D1和D2上被控制。换句话说，由于微流体控制器件100的通道可以形成为具有各种深度的多台阶结构，所以毛细力可以在深度方向上被控制。

根据本发明示范性实施例的微流体控制器件100可以在通道的深度D1和D2以及宽度W1、W2和W3上被控制。因此，通过同时控制通道的宽度W1和W2以及深度D1和D2，毛细力可以被更精确地控制。

例如，在用于增大流体的流速的部分中，可以增大通道的深度D1和/或宽度W1，从而减小毛细力。在用于阻挡流体的流动的部分、阀部分或降低流速的部分中，减小了通道的深度D2和/或宽度W2和W3，从而增大了毛细力。

如图1D所示，通过同时控制通道的宽度(W1＞W3＞W2)和深度(D1＞D2)，可以有效减少微流体所经过的微通道的截面。例如，与当仅控制通道的宽度(W1＞W3＞W2)来减小微通道的截面(W1×D1＞W3×D1＞W2×D1)时相比，当通道的宽度(W1＞W3＞W2)和深度(D1＞D2)被同时控制时，可以有效减小微通道的截面(W1×D1＞W3×D1＞W2×D1)。

同样地，通过使用水平和垂直方向的控制因素，流体的阻挡、阀调节、通过和汇合可以被更精确地和可再现地控制。具体地，在生物微机电***(bio-MEMS)中用于疾病的早期诊断和的化学分析的的芯片的情况下，根据本发明示范性实施例的多台阶微通道的应用能够通过精确地控制和可再现地控制超微流体而提供更精确的分析。

此外，当毛细力仅在水平方向上控制时，通道的宽度和形状不得不被控制，因此会增大芯片的尺寸。然而，当毛细力也在垂直方向上控制时，芯片的尺寸不会增大。

为了制造包括多台阶微通道的微流体控制器件，可以使用加工或半导体工艺。然而，根据加工工艺，通道会具有粗糙的表面，因此在流体控制上的可再现性会降低。与机械加工相比，根据半导体工艺，可以获得更平滑的表面，但是通道可以形成为具有仅1μm或更小的深度，且制造成本变得较高。结果，生产率低于一次性塑料芯片产品的生产率。在下文，将参照附图描述适于形成多台阶微通道的制造微流体控制器件的方法。

图2A至图5B是示出根据本发明示范性实施例的制造微流体控制器件的方法的截面图。

根据本发明的示范性实施例，形成具有多台阶微图案的模具原型，具有多台阶微图案的模具使用模具原型来形成。接着，通过将模具的多台阶微图案转印到流体通道基板来形成至少具有两个深度的多台阶微通道。然后，具有多台阶微通道的流体通道基板结合到下基板，从而完成微流体控制器件。

根据本发明，当微流体控制器件通过将模具的多台阶微图案转印到流体通道基板而制造时，由于获得了通道的平滑的表面，流体控制的可再现性变高，并获得了低的制造成本和高生产率。由于通道的深度可以被控制在从微米到厘米的不同单位，所以毛细力被精确地控制，从而流体可以被更精确地控制。

图2A至图2F是示出根据本发明示范性实施例的形成模具原型的方法的截面图。

如图2A所示，光致抗蚀剂220涂敷到硅基板210，掩模图案230形成在光致抗蚀剂220上。

这里，光致抗蚀剂220可以是环氧基光致抗蚀剂。环氧基光致抗蚀剂220可以容易地通过曝光形成期望的图案，在热硬化之后不会被额外的曝光损坏或变形，并能够形成微图案。可以使用示范性的环氧基光致抗蚀剂，SU-8基光致抗蚀剂。

涂敷的光致抗蚀剂220的厚度可以根据光致抗蚀剂的粘性、旋涂装置的每单位转数以及时间来控制。例如，光致抗蚀剂220可以以500至5000rpm的旋转速度来涂敷，并可以形成为1至100μm的厚度。

微图案的宽度W由掩模图案230的宽度W4确定，掩模图案230可以具有1至100000μm的宽度W2。

如图2B所示，第一图案220A使用掩模图案230作为蚀刻阻挡物通过曝光和显影形成。这里，第一图案220A的形成可以通过具有1μm或更大的分辨率的光刻来进行。

接着，第一图案220A通过热硬化工艺来固化。这里，热硬化工艺可以在显影之前和之后进行。

结果，形成具有微图案的模具原型，多台阶微图案可以通过重复包括光致抗蚀剂的涂敷、掩模图案的形成、微图案的形成和硬化的工艺而形成。

如图2C所示，光致抗蚀剂240涂敷到包括固化的第一图案220A的所得产物的整个表面上，掩模图案250形成在光致抗蚀剂240上。

如图2D所示，第二图案240A使用掩模图案250作为蚀刻阻挡物通过曝光和显影形成。接着，第二图案240A通过热硬化而固化。

如图2E所示，光致抗蚀剂260涂敷到包括固化的第二图案240A的所得产物的整个表面上，掩模图案270形成在光致抗蚀剂260上。

如图2F所示，第三图案260A使用掩模图案270作为蚀刻阻挡物形成。接着，第三图案260A通过热硬化而固化。

结果，制造了具有三台阶微图案的模具原型200。这里，微图案的台阶的数目可以根据工艺重复的次数来控制，微图案的形状可以根据掩模图案230、250或270的形状而改变。

图3是示出根据本发明示范性实施例形成模具的方法的截面图。

如图3所示，使用具有多台阶微图案的模具原型200来形成模具300。例如，金属模具可以通过电镀形成。具体地，籽晶薄膜可以形成在模具原型200上，金属模具可以通过电镀形成。

这里，籽晶薄膜可以由诸如Ti、Cr、Al或Au的金属形成从而具有单层或双层。模具300可以形成为具有足够的厚度从而在接下来的转印工艺中不弯曲或破裂。

然后，尽管在附图中没有示出，模具原型200通过湿法蚀刻去除。

图4A至图4D是示出根据本发明的示范性实施例的形成流体通道基板的方法的截面图。

如图4A所示，制备了包括多台阶微图案的模具300以及用于转印形成在模具300的表面上的多台阶微图案的基板400。

这里，基板400可以是聚合物基板，其可以由环烯烃共聚物(COC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、环烯烃聚合物(COP)、液晶聚合物(LCP)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰胺(PA)、聚乙烯(PE)、聚酰亚胺(PI)、聚丙烯(PP)、聚苯醚(PPE)、聚苯乙烯(PS)、聚甲醛(POM)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚砜(PES)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、氟化乙烯丙烯(FEP)、过氟烷基化物(PFA)或其合成物形成。

基板400可以通过注塑成型、热模压、铸造、立体平版印刷、激光消融(laser ablation)、快速原型设计(rapid prototyping)、丝网印刷、诸如数字控制加工的常规机械加工或诸如光刻的半导体工艺形成。

如图4B所示，模具300的多台阶微图案转印到基板400。

例如，当使用由聚合物形成的基板400时，多台阶微图案可以使用注塑成型、热模压或铸造来转印。结果，具有复杂形状的多台阶微图案可以容易地转印到聚合物基板400，因此可以完成具有多台阶微通道的流体通道基板400A。如上所述，当多台阶微通道通过转印形成在聚合物基板400上时，通道可以形成为具有从几微米到几厘米的深度。

如图4C所示，在完成多台阶微图案到流体通道基板400A的转印之后，去除模具300。在附图中，形成在流体通道基板400A上的多台阶微流体通道由附图标记“410”来指示。

如图4D所示，流体通道基板400A被蚀刻以形成用于注入流体的流体入口420以及用于排出流体的流体出口430。在附图中，具有流体入口420和流体出口430的流体通道基板由附图标记“400B”来指示。此外，尽管没有在附图中示出，但是可以进一步形成让空气通过的孔。

图5A和图5B是示出根据本发明示范性实施例的流体通道基板结合到下基板的截面图。

如图5A所示，制备具有多台阶微流体通道410的流体通道基板400B和下基板500。

这里，下基板500可以由与流体通道基板400B类似的聚合物形成。流体通道基板400B和下基板500可以由相同或不同的聚合物结构来形成。下基板500的材料的示例与上述流体通道基板400的材料的示例相同。

流体通道基板400B和下基板500可以由具有相同疏水性或亲水性，或者具有不同的疏水性或亲水性的材料形成。可选地，流体通道基板400B和下基板500的表面的一部分可以由具有不同疏水性或亲水性的材料形成。同样地，由于可以控制流体通道基板400B和下基板500的表面改性，所以可以控制流体的流速。

如图5B所示，微流体控制器件通过将流体通道基板400B结合到下基板500而制造。

这里，当流体通道基板400B和下基板500由相同的材料形成时，流体通道基板400B到下基板500的结合可以通过使用热、化学物质或超声波的熔合粘附方法来进行。

当流体通道基板400B和下基板500由不同的材料形成时，流体通道基板400B到下基板500的结合可以使用液体型粘合材料、粉末粘合材料或纸状薄膜型粘合材料来进行。

特别地，可以使用UV硬化剂。此外，可以要求室温或低温以防止生化材料在结合期间改性，在此情形下，可以使用仅用压力进行结合的压敏粘合剂。

根据本发明，通过使用具有不同深度的多台阶微通道来控制流体，微流体控制器件在通道深度方向上调节毛细力并精确控制流体的流动。此外，通过重复光刻和转印微图案来形成多台阶微图案，可以容易地形成表面平坦且高度被精确控制的多台阶微通道。

因此，流体可以使用垂直多台阶超微结构被可再现地和精确地控制。根据本发明的微流体控制器件及其制造方法可以应用于各种芯片上实验室生物器件，包括蛋白质芯片、DNA芯片、药物输送***、微型综合分析***和生化微反应器。

尽管已经参照本发明的特定示范性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可以在形式和细节上进行各种改变而不背离本发明由权利要求书限定的精神和范围。

本申请要求于2010年3月24日提交的韩国专利申请No.10-2010-0026154以及于2010年8月12日提交的韩国专利申请No.10-2010-0077699的优先权和权益，其全部内容通过引用结合于此。

Claims (14)

1.一种微流体控制器件，包括：

下基板；和

流体通道基板，接触所述下基板并且在结合到所述下基板的一侧具有多台阶微通道，该多台阶微通道至少具有两个深度。

2.如权利要求1所述的器件，其中所述多台阶微通道的毛细力在通道的深度方向上被控制。

3.如权利要求1所述的器件，其中所述多台阶微通道具有一个台阶，该台阶的深度为1至1000μm。

4.如权利要求1所述的器件，其中所述多台阶微通道具有一个台阶，该台阶的宽度为1至100000μm。

5.如权利要求1所述的器件，其中所述流体通道基板和所述下基板由相同或不同的聚合物结构形成。

6.如权利要求1所述的器件，其中所述多台阶微通道的表面被化学处理，以控制疏水性或亲水性。

7.一种制造微流体控制器件的方法，包括：

形成具有多台阶微图案的模具；

通过将所述模具的所述多台阶微图案转印到流体通道基板，形成至少具有两个深度的多台阶微通道；以及

将具有所述多台阶微通道的所述流体通道基板结合到下基板。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述流体通道基板和所述下基板由相同或不同的聚合物形成。

9.如权利要求7所述的方法，其中所述流体通道基板使用粘合剂或超声接合而结合到所述下基板。

10.如权利要求7所述的方法，其中所述模具的形成包括：

形成具有多台阶微图案的模具原型；以及

使用所述模具原型通过电镀形成金属模具。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述模具原型的形成包括：

涂敷光致抗蚀剂到硅基板的表面；

通过图案化所述光致抗蚀剂形成微图案；以及

硬化所述微图案，

其中重复所述光致抗蚀剂的涂敷、所述掩模图案的形成、所述微图案的形成以及所述硬化，以形成所述多台阶微图案。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述光致抗蚀剂是环氧或SU-8基光致抗蚀剂。

13.如权利要求10所述的方法，其中所述金属模具的形成包括：

在所述模具原型上形成籽晶薄层；

通过电镀形成所述金属模具；以及

通过湿法蚀刻去除所述模具原型。

14.如权利要求7所述的方法，其中所述转印通过注塑成型、热模压或铸造进行。

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