一種微流體自律運動的微流控芯片及制造方法、注液裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種微流控芯片，尤其涉及一種微流體自律運動的微流控芯片及制造方法、注液裝置。
【背景技術】
[0002]微流控芯片是將微機電加工技術、測試分析技術、數字信息技術等高度集成化的產物，它將生物化學分析、分離，醫學病毒、基因檢測等功能集成到一塊芯片上。隨著信息技術的發展，運用微流控芯片檢測技術，可以實現遠程診斷，遠程醫療等。微流控芯片是利用其內部的微流道并根據不同的使用要求，對測試液、樣液等進行分離、混合、反應等來實現其功能，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、化學刻蝕等方法制作，化學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的阻力。光刻技術是相對較成熟的技術，也是目前微流芯片基板制造中應用較多的技術手段。光刻法要經過基板清洗烘干、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，且成本較高，很難將微流芯片推廣應用，目前微流控芯片主要應用于實驗研宄中。所以目前需要尋找一種簡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、高溫熱鍵合、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合，鍵合力有限，容易發生漏液現象；高溫熱鍵合的方法對基板和蓋板的平面度要求較高，進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備較昂貴，所以成本較高。目前微流控系統內流體驅動的方式有壓力驅動、氣動微泵驅動、離心力驅動、電滲驅動等方式。壓力驅動和氣動微泵驅動下的液體流動有脈動性缺點，尤其當液體在低速流動情況下脈動性較明顯；離心力驅動是利用芯片旋轉時產生的離心力來驅動芯片流道內的液體流動，此時芯片內的液體同時受力，不易實現復雜控制。且由于芯片工作時需要旋轉，所以難以與送樣設備、檢測設備、信息采集設備聯用；電滲驅動是利用流道表面產生的電荷并通過外加電場驅動芯片內的流體運動。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生電荷，所以芯片制作材料受到限制。另外此方法穩定性有待提尚。

【發明內容】

[0003]本發明的目的在于提供一種高精度，易封裝、易驅動微流控芯片及其制作方法。本發明所述微流控芯片制作、封裝和驅動方法可以有效解決目前微流控芯片內流道表面質量不夠高，封裝易出現漏液、設備昂貴且成本高，流體驅動不夠靈活、設備復雜等問題。
[0004]本發明可通過如下技術方案實現:
[0005]本發明一方面提供了一種微流體自律運動的微流控芯片，包括芯片基板、蓋板，所述芯片基板上設置有橫截面呈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，所述微流道從入口到出口深度逐漸變深，且變化規律為ΔΗ = Δ Ltan β , ΔΗ為流道深度增量，Δ L為流道長度增量，(K β〈10度。
[0006]進一步地，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置于芯片基板的混合反應池。
[0008]進一步地，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的流動速度。
[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單測試項目的批量操作。曲線流道微流控芯片主要用于相對較復雜的測試項目。為了增加流體在芯片微流道內的流動性，兩種芯片的流道深度都是從入口到出口逐漸加深。
[0010]本發明另一方面提供了一種微流體自律運動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的方式封裝，超聲波發生器發出的超聲電信號經過超聲波換能器、變幅桿、工具頭作用在蓋板表面，沿蓋板繼續向下傳播直至蓋板與芯片基板的接觸面，然后在接觸面產生高頻機械振動，兩接觸面產生高頻摩擦并升溫，最后發生融合使蓋板和芯片基板緊密結合在一起，不易發生漏液，且封裝效率高。
[0013]進一步地，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，轉速為2000?3000轉/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運動，進給速度為0.1?0.2米/分，每次進給深度為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，分度盤旋轉一定角度，磨削下一條微流道，直到磨削出所有微流道。
[0017]進一步地，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，砂輪轉速η為2000?10000轉/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，砂輪進給速度V為0.1?0.2米/分，每次進給深度a為I?3微米，使用水冷卻。
[0019]進一步地，步驟2中所述超聲波換能器接收到的超聲電信號的頻率為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，另一頭與注射器內液體相接觸；
[0022]或者，
[0023]所述注液裝置包括一個一端與工具頭相連、另一端連接管道的轉接頭，所述轉接頭中間設有流體通道，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]本發明的流體驅動方式同樣采用超聲波輔助，其一超聲震動施加在活塞式注射器的“活塞”上，“活塞”產生高頻振動的同時會對與其相接觸的液體產生高頻的往復推力，從而驅使液體向流道內流動。其二超聲震動施加在管道上，管道將超聲震動傳遞給流體，且震動沿流體流動方向傳播，流體內產生的高頻振動驅使其相前流動。
[0025]本發明與現有技術相比具有如下優點:
[0026](I)本發明制作的微流控芯片內部的微流道微是通過精密磨削的方法制作，與化學蝕刻相比流道成型精度更高更高、流道內壁面表面質量更高，更易于流體流動。
[0027](2)與光刻法相比，本發明采用的精密磨削方法制作精度高、工藝更簡單、生產效率更高且成本更低。
[0028](3)本發明采用的微流控芯片的封裝方法，芯片基板和蓋板結合緊密，不易漏液，且不會出現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，設備簡單，且容易實現輕量化和高效率生產。
[0029](4)本發明微流控芯片內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的方式，可以實現流道內流體的自律流動。與微泵驅動、電滲驅動相比本驅動方法更容易實現連續、精準、快速驅動。
【附圖說明】
[0030]圖1為本發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為本發明微流控芯片微流道截面示意圖。
[0033]圖4為本發明微流控芯片微流道深度增量原理圖。
[0034]圖5為本發明微流控芯片直線形微流道加工示意圖。
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