CN105521840B - 一种微流控芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微流控芯片，包括：第一键合元件、第二键合元件、用于此两个键合元件键合的键合溶液，以及用于辅助键合的键合溶液注入孔、排气孔、辅助键合流道、辅助键合毛细结构。本发明采用在微流控芯片两键合表面制作出一种特殊的辅助键合微结构，该微结构形成一系列闭合的回路；在键合时，只有在这种特殊的辅助键合微结构内充满键合溶液；这样，在所有辅助键合微结构处，相邻两块微流控芯片基板都被牢固的键合在一起；而其他位置则不会与键合溶液接触，进而保持原始形貌；由于此键合方法可以采用粘接胶水和键合溶剂等作为键合溶液，因此可以实现高键合强度。

Description

一种微流控芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及微流控领域，特别涉及微流控芯片的结构与制造方法。

背景技术

随着微流控芯片技术在生物、医学、化学等检测领域越来越广泛的应用，芯片的内部结构和功能也愈加复杂，因而其制造难度也在逐渐增加。例如，某些芯片要求在内部预封装某些冻干或风干的试剂；某些芯片要求在内部嵌入各类物质如石蜡、柔性膜等；而某些芯片内部具有光学检测腔体，要求检测腔体位置处达到光学镜面级别，等等。这些都对目前现有的芯片键合技术提出了新的挑战，使得现有芯片键合工艺难以满足要求，现简述如下：

热压键合法是最常用的一种键合方式，其原理是在接近材料玻璃化温度下，对两结合面施加一定的正向压力(通常为亚Mpa级别)，使得两面通过分子力结合在一起的方法。它的优势是实现简单，制作容易，无需复杂设备。然而，在接近玻璃化的温度情况下，大部分需要嵌入到芯片内部试剂都将失效，同时，高温使得芯片的内部流道、腔体等形状结构发生形变，使得本应具有的光学平面发生变形。另外，热压键合法还具有键合强度不足(通常几十psi)，容易开裂，可靠性差等缺点，只能适用于一般要求不高的微流控芯片键合。

超声键合法是另一种常用的键合方式，它在制作微流控芯片时，同时制作一些凸起的“筋”，有些人称之为微导能结构。在键合时，将上下微流控芯片基板对齐压合后，通过超声产生的局部高温熔融该微导能结构，进而使上下微流控芯片基板在熔融位置“焊接”起来。超声键合法的优势在于其键合强度高(亚MPa级别)，缺点是超声的穿透力不足，当键合厚度超过一定值时(例如，5mm)，超声能量将因材料的阻挡而锐减，导致键合不上。同时，键合部位的高温将产生热变形，使得附近的微流道变形。

胶粘键合法是一种采用液体胶或固体胶对微流控芯片进行键合的方式，其键合过程是在常温下，在微流控芯片各基板层之间充满胶后压合并等待胶凝固。此键合方法可获得较高的强度，但残留的胶溶液堵塞沟道。同时，对于需要预先封装冻干试剂的芯片来说，胶水会与试剂直接接触，导致试剂失效。

溶剂键合法与液体胶粘法相似，不过其使用的是一种具有挥发性的辅助溶剂。该键合方法具有胶粘键合法的高键合强度优势，同时，由于键合溶剂的挥发性，键合完成之后流道不会堵塞。同样，此键合工艺对于需要预先封装冻干试剂的微流控芯片同样不合适。同时，溶剂键合法会腐蚀微流控芯片流道和腔体，增大了表面粗糙度。

由此可见，上述四种键合方法各有优缺点，但都会对微流控芯片内部流道、腔体和需要预先封装的试剂产生一定的损害，甚至会导致芯片不可用，影响了微流控芯片。如果能够发明一种结构与制造方法，该方法能够常温下操作，在实现高强键合的同时，同时键合溶液还不会与微流控流道、腔体和需要预先封装的试剂接触，进而保证流道、腔体和预先封装的试剂的完整性，对于微流控芯片的制作与发展，以及微流控芯片向医学检测临床应用将具有非常积极意义。

发明内容

本发明的目的是为了克服前面所述的几种键合工艺制备微流控芯片的不足，采用在微流控芯片两键合表面制作出一种特殊的辅助键合微结构，该微结构形成一系列闭合的回路；在键合时，只有在这种特殊的辅助键合微结构内充满键合溶液；这样，在所有辅助键合微结构处，相邻两块微流控芯片基板都被牢固的键合在一起；而其他位置则不会与键合溶液接触，进而保持原始形貌；由于此键合方法可以采用粘接胶水和键合溶剂等作为键合溶液，因此可以实现高键合强度。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种微流控芯片的结构，包括：

第一键合元件，该元件具有第一和第二表面，其中至少所述表面之一包含微结构；

第二键合元件，该元件具有有第一和第二表面，其中所述第二键合元件与所述第一键合元件键合的表面包含与第一键合元件相互连通的微流体路径；

键合溶液，用于将第一键合元件和第二键合元件键合；

以及辅助键合组合结构，其位于键合元件上非功能区域，所述辅助键合组合结构用于注入和存储键合溶液，使键合溶液形成闭合的回路；

其中，所述第一、第二键合元件，其材质选自聚苯乙烯材料、聚碳酸脂材料或丙烯酸类聚合物材料中的一种；

所述键合溶液选自丙酮、丁酮、氯仿、二氯乙烷、乙腈，以及环氧胶中的一种；

所述微结构为微流体路径、微通道、微储槽、微阀、微过滤器中的一种。

优选的是，所述辅助键合组合结构包括：

键合溶液注入孔，其为通孔，用于注入键合溶液；

辅助键合流道，其与键合溶液注入孔连通，用于键合溶液的流通和存储；

辅助键合毛细结构，其由辅助键合微毛细槽流道组成，用于促使键合溶液按目标流向流动；

以及排气孔，其为通孔，其与辅助键合流道连通，用于排出流道中的气体；

其中，所述辅助键合流道、辅助键合毛细结构位于第一键合元件上非功能区域，且其所在表面为第一、第二键合元件的结合面，所述键合溶液注入孔、排气孔位于第一键合元件或第二键合元件上非功能区域，且为通孔，并与辅助键合流道连通，键合时键合溶液从键合溶液注入孔进入，填充辅助键合流道和辅助键合毛细结构后到达排气孔。

优选的是，所述辅助键合微毛细槽流道为多组，所述辅助键合微毛细槽流道宽度值范围为10～500μm，长度范围为1mm～5mm。

优选的是，所述辅助键合微毛细槽流道数量为5～20个。

优选的是，所述辅助键合流道与所述微流体路径之间的距离为0.5～2mm，所述辅助键合流道的宽度值大于500μm。

优选的是，其进一步包含N个键合元件，其所具有的键合结合面为N-1个，所述N个键合元件通过所述N-1个键合结合面上的辅助键合组合结构和所述键合溶液键合。

本发明的另一个目的是提供一种微流控芯片的制备方法，包括如下步骤：

步骤(1)：在一定的温度下，将所需键合的键合元件按次序上下叠放并对齐后，施加一定的正向压力，以保证相邻的键合表面紧密接触；

步骤(2)：通过辅助键合组合结构的注入孔向键合元件结合面注入键合溶液，并充满辅助键合流道和辅助键合毛细结构，到达排气孔位置；

步骤(3)：保持键合压力，静置至键合完成。

优选的是，所述步骤(1)中一定温度指温度范围为0度至65度，在此温度范围内，能保证键合溶液为液态，且键合元件不会因为高温而发生形变。

优选的是，一定温度指温度范围为15度到30度，因为此温度为室温，不需要额外的开销即可实现。所述一定的正向压力范围为5～20个psi。

优选的是，所述步骤(3)中当键合溶液为环氧胶水，保持键合压力，常温静置24h；当键合溶液为丙酮、丁酮、氯仿、二氯乙烷、乙腈中的一种时，保持键合压力，常温静置时间5～30min。

优选的是，所述辅助键合组合结构至少设有一组。

优选的是，所述微流体路径、辅助键合流道、辅助键合微毛细槽流道的深度值相同。

本发明至少包括以下有益效果：

(1)本发明采用在微流控芯片两键合表面制作出一种特殊的辅助键合微结构，该微结构形成一系列闭合的回路，在键合时，只有在这种特殊的辅助键合微结构内充满键合溶液；在所有辅助键合微结构处，相邻两块微流控芯片基板都被牢固的键合在一起；而其他位置则不会与键合溶液接触，进而保持原始形貌；由于此键合方法可以采用粘接胶水和键合溶剂等作为键合溶液，因此可以实现高键合强度；

(2)本发明的采用的辅助键合毛细结构，可以促使键合溶液按目标流向充满流道，可完全排除辅助键合流道的气体，使键合溶液全部充满辅助键合流道，可以实现整个基板的全面高强度键合；

(3)本发明采用在微流控芯片两键合表面制作出一种特殊的辅助键合微结构，故本发明的键合溶剂可以选自胶粘剂或者强有机溶剂或弱有机溶剂的一种，在满足高键合强度、保持保证芯片的沟道具有原始光洁度和形貌的同时，还增大了键合溶液的可选择性，使得微流体芯片的生产过程具有经济和简易等特性；

(4)本发明提供的工艺方案，可以在室温下对键合元件进行键合，不仅能保证键合元件不会因高温而发生形变，还能降低成本，提高经济效益；

(5)本专利提供的工艺方案，可以保证芯片的沟道具有原始光洁度和形貌，并且原理清晰，过程简单，非常适合于批量生产；这对于改进微流控芯片的制备方法，提高微流控芯片质量具有积极意义；进而，对于提高生物医学检测领域的检测精度、效率和可靠性，改善现在医疗检测水平具有积极意义。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的一个具体实施方式的简单的微流控芯片图；

图2为本发明的具备辅助键合结构的简单微流控芯片图；

图3为本发明所述的简单微流控芯片图的辅助键合毛细结构图；

图4为本发明所述的简单微流控芯片图的键合过程键合溶液流向示意图；

图5为本发明所述的简单微流控芯片图的辅助键合毛细结构图的另一种实施方式；

图6为本发明为增加键合强度而额外增加辅助键合结构的芯片示意图；

图7为本发明因流道复杂而具备多个辅助键合结构的芯片示意图；

图8为本发明的一个具体实施方式的一种十字门进样的微流控芯片示意图；

图9为本发明的一个具体实施方式的一种十字门进样的微流控芯片键合加压图；

图10为本发明的一个具体实施方式的十字门进样芯片键合过程中溶液流向示意图。

具体实施方式

下面结合图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

本文所使用词语“微结构”通常是指具有多个壁的微流体基本元件上的结构特性，所述壁至少在一个方向上的尺寸约0.1微米至约1000微米范围内，这些特性可为但不限与微通道，微流体路径，微储槽，微阀或微过滤器。

图1为一简单的微流控芯片，其仅包含一个进口103、一个出口107以及一段微流体路径-----流道106。为了实现该芯片的键合，在键合元件10和11上制作用于辅助键合组合结构，见图2，在第一键合元件10上制作键合溶液注入孔101、排气孔102，在第二键合元件11上制作了辅助键合流道104、辅助键合毛细结构105。

图3详细讲述了辅助键合毛细结构105的基本组成单元—辅助键合微毛细流道1051，辅助键合微毛细流道1051宽度值可以为10μm～500μm，长度可以为1mm～5mm等。辅助键合毛细结构105包含多组辅助键合微毛细流道1051，数量可以为5～20个。由于辅助键合微毛细流道1051的微小径向尺寸，使得键合溶液在其内具有极强的毛细作用力，使键合溶液可以快速充满每一个辅助键合微毛细流道1051。

另一方面，微小的截面尺寸使得辅助键合微毛细流道1051具有较大的流阻，相对于辅助键合流道104而言，这个流阻可以高几个数量级。这样的微毛细结构设计可以保证，在注入键合溶液过程中，键合溶液首先充满辅助键合毛细结构105，然后沿辅助键合流道104流动直至排气口处，并与辅助键合微毛细流道1051出口处的键合溶液相连形成闭环。

图4进一步阐述了键合溶液的注入过程。在从键合溶液注入孔101注入键合溶液时，键合溶液首先接触键合溶液注入孔101附近的辅助键合毛细结构105的1052端，并在毛细力的作用下迅速充满辅助键合毛细结构105，直至流到1053端。此时由于辅助键合微毛细流道1051结构的结束和出口的增大，毛细力迅速减小并消失，使得键合溶液到达1053端后便停止。并且由于辅助键合毛细结构105的流阻远大于辅助键合流道104的流阻，使得后续的注入时，键合溶液沿箭头方向充满整个辅助键合流道104，并到达辅助键合毛细结构105的1053端后与辅助键合微毛细流道1051中的键合溶液相连并流至排气孔102此时即可停止键合溶液的注入。键合元件10和键合元件11通过整个键合溶液回路有机的键合在一起。

为了保证键合的强度和密封性，辅助键合流道104与流道106之间的间距取0.5mm～2mm左右比较合适。辅助键合流道104的宽度直接与键合强度相关，其值应大于500μm。

作为本实施方式的另一个技术方案，辅助键合流道、辅助键合毛细结构、键合溶液注入孔和排气孔可以在一个键合元件上，如图5所示，一简单的微流控芯片，其仅包含一个进口303、一个出口307以及一段微流体路径-----流道306。为了实现该芯片的键合，在键合元件31制作辅助键合组合结构，即键合溶液注入孔301、排气孔302、辅助键合流道304、辅助键合毛细结构30，以及微流体路径-----流道306，在键合元件30上制作进口303、出口307。通过从键合溶液注入孔301注入键合溶液，键合元件30和键合元件31通过整个键合溶液回路有机的键合在一起。

本发明的方案并不局限于两个键合元件的键合。例如，当键合元件为(N)个时，所具有的键合结合面为(N-1)，如果在每对键合结合面的其中一面上制作辅助键合流道与辅助键合毛细结构，并且将键合溶液注入孔和排气孔由此键合结合面向一个方向贯通该方向上的所有键合元件，此时即可通过键合溶液注入孔和排气孔对该键合结合面进行注入键合溶液的操作，并完成键合。

本发明方案每个键合结合表面并不局限于一组辅助键合流道、辅助键合毛细结构、键合溶液注入孔和排气孔，在某些情况下，为了实现更高强度的键合，可以采用几组这样的组合，见图6，此键合芯片具有3组辅助键合流道、辅助键合毛细结构、键合溶液注入孔和排气孔。

在另一种情况下，由于实现微流控芯片功能的流道比较复杂，为了保证密封性而必须采取几组辅助键合流道、辅助键合毛细结构、键合溶液注入孔和排气孔的结构。见图7，该微流控芯片具有5条微流体路径，因此设计了四组辅助键合流道、辅助键合毛细结构、键合溶液注入孔和排气孔。外围边界的一组用以增强芯片强度。

图8至图10为本发明的另一个实施方式，以一常用的十字门进样芯片为例，简述本发明的具体实施方案。该芯片具有样品池205、样品废液池206、缓冲液池204、缓冲废液池207，以及用于连接各池的十字流道208。样品和缓冲液在外加电场力的作用下以实现进样，制作材料为PMMA，键合溶液为丙酮。该芯片的制作步骤为：

步骤1：制作微流控芯片键合元件20与21。

在键合元件21上制作微流体路径-----十字流道208，以及用于辅助键合流道2031、2032和辅助键合毛细结构2051、2052。辅助键合流道2031具有宽度1mm，其与十字流道208之间的间距为0.5mm。辅助键合流道2032具有宽度3mm。辅助键合流道2031、2032与辅助键合毛细流道2051、2052与十字流道208一体完成，三者具有相同的深度值100μm。辅助键合毛细结构2051、2052均具有10条辅助键合微毛细槽流道，每条辅助键合微毛细槽流道宽200μm，长度3mm。

在键合元件20上制作微结构----样品池205、样品废液池206、缓冲液池204、缓冲废液池207，以及用于注入键合溶液的键合溶液注入孔2011、2012和排气孔2021、2022。样品池205、样品废液池206、缓冲液池204、缓冲废液池207具有直径5mm，键合溶液注入孔2011和排气孔2021具有直径1mm，键合溶液注入孔2012和排气孔2022具有直径3mm。见图8。

步骤2：将微流控芯片键合元件20与21对齐后，对之施加正向键合压力10psi，并保持之。见图9。

步骤3：分别向键合溶液注入孔2011、2012注入键合溶液丙酮。丙酮先充满辅助键合毛细结构2051和2052后，在辅助键合流道2031和2032中以箭头方向运动，并充满整个沟道直至到达排气孔2021、2022。此时停止注入键合溶液。见图10。

步骤4：保持键合压力，常温静置时间10min即完成键合。

作为本实施方式的另一个技术方案，键合溶液选择环氧胶水，在上述步骤4中，保持键合压力，常温静置时间24h即完成键合，进一步为了减少键合时间，可以选择将待芯片静置于烘箱中，当烘烤温度为40℃，保持键合压力，烘烤3小时即完成键合；当烘烤温度为60℃，保持键合压力，烘烤1小时即完成键合。

实验测得该微流控芯片内部管道可以承受0.5MPa的流体压力而不会被破坏。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种微流控芯片，其特征在于，包括：

第一键合元件，该元件具有第一和第二表面，其中至少所述表面之一包含微结构；

第二键合元件，该元件具有有第一和第二表面，其中所述第二键合元件与所述第一键合元件键合的表面包含与第一键合元件相互连通的微流体路径；

键合溶液，用于将第一键合元件和第二键合元件键合；

以及辅助键合组合结构，其位于键合元件上非功能区域，所述辅助键合组合结构用于注入和存储键合溶液，使键合溶液形成闭合的回路；

其中，所述辅助键合组合结构包括：

键合溶液注入孔，其为通孔，用于注入键合溶液；

辅助键合流道，其与所述键合溶液注入孔连通，用于所述键合溶液的流通和存储；

辅助键合毛细结构，其由辅助键合微毛细槽流道组成，用于促使所述键合溶液按目标流向流动；

以及排气孔，其为通孔，其与辅助键合流道连通，用于排出流道中的气体；

其中，所述辅助键合流道、辅助键合毛细结构位于第二键合元件上非功能区域，且其所在表面为第一、第二键合元件的结合面，所述键合溶液注入孔、排气孔位于第一键合元件或第二键合元件上非功能区域，且为通孔，并与所述辅助键合流道连通，键合时键合溶液从键合溶液注入孔进入，填充辅助键合流道和辅助键合毛细结构后到达排气孔；

所述第一、第二键合元件，其材质选自聚苯乙烯材料、聚碳酸脂材料或丙烯酸类聚合物材料中的一种；

所述键合溶液选自丙酮、丁酮、氯仿、二氯乙烷、乙腈或环氧胶中的一种；

所述微结构为微流体路径、微储槽、微阀、微过滤器中的一种。

2.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述辅助键合微毛细槽流道为多组，所述辅助键合微毛细槽流道宽度值范围为10～500μm，长度范围为1mm～5mm。

3.如权利要求2所述的微流控芯片，其特征在于，所述辅助键合微毛细槽流道数量为5～20个。

4.如权利要求3所述的微流控芯片，其特征在于，所述辅助键合流道与所述微流体路径之间的距离为0.5～2mm，所述辅助键合流道的宽度值大于500μm。

5.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，其进一步包含N个键合元件，其所具有的键合结合面为N-1个，所述N个键合元件通过所述N-1个键合结合面上的辅助键合组合结构和所述键合溶液键合。

6.一种如权利要求1～5任一项所述的微流控芯片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)：在一定的温度下，将所需键合的键合元件按次序上下叠放并对齐后，施加一定的正向压力，以保证相邻的键合表面紧密接触；

步骤(2)：通过辅助键合组合结构的键合溶液注入孔向键合元件结合面注入键合溶液，并充满辅助键合流道和辅助键合毛细结构，到达排气孔位置；

步骤(3)：保持键合压力，静置至键合完成；

其中，所述步骤(1)中一定温度指温度范围为0度至65度，所述一定的正向压力范围为5～20个psi。

7.如权利要求6所述的微流控芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中一定温度是温度范围为15度至30度。

8.如权利要求7所述的微流控芯片的制备方法，其特征在于，所述微流体路径、辅助键合流道、辅助键合微毛细槽流道的深度值相同。