一種透明膠帶雕刻微流控芯片模具的快速制備方法
【專利摘要】本發明的目的是建立一種透明膠帶雕刻微米級深度的、用于制造PDMS微流控芯片的模具的快速制備方法。通過手術刀雕刻透明膠帶制成陰模和陽模，進一步制作微流控芯片模具，可通過改變粘附透明膠帶的種類或層數來控制微流控芯片通道深度，其通道深度和寬度都可達到20μm～10000μm，且通道形狀、寬度和深度都可以根據需要設計更改。此方法通過雕刻透明膠帶而成的陽模模具可以直接用來澆鑄制成所需PDMS成品；而用透明膠帶制成的陰模，則需要先用環氧樹脂澆鑄，等環氧樹脂固化干燥后，即成為能夠反復多次使用的環氧樹脂陽模模具。該方法操作簡單、成本低廉，有望在一般實驗室普及，并對微流控加工設計起推動作用。
【專利說明】一種透明膠帶雕刻微流控芯片模具的快速制備方法
【技術領域】
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[0001]本發明涉及一種微流控芯片模具快速制備方法，是一種透明膠帶雕刻微米級深度通道的模具制作方法。
技術背景:
[0002]微流控技術是近年來發展起來的在微尺度控制流體流動的技術。因其使用方便、價格低廉，已經廣泛運用到生物分析、細胞和微生物培養以及藥物合成篩選等領域，是下一代病原體檢測、生物學研究以及藥物合成、篩選平臺構建的基礎。
[0003]微流控芯片加工方法主要分為直接加工法和模具復制法，其中直接加工法主要是使用激光燒蝕、計算機數字控制(CNC)雕刻或者刻蝕等方式在芯片材料上直接加工出微流體通道等結構；而模具復制法則通過基于模具的澆鑄聚合成型或者熱壓復制成型進行微結構的制作。由于模具復制法在微流控芯片的批量生產中具有前者無法比擬的優勢，例如加工成本低、復制精度高、可一次性批量制備等特點，所以廣泛采用模具復制法來進行制作。然而，目前所使用的微流控芯片模具多為硅、金屬N1、光刻膠等，模具加工方法主要通過光刻結合刻蝕等微加工方法進行制備，設備和加工成本昂貴。例如，采用基于金屬Ni模具的熱壓或注塑成型方法，可以制備熱塑性材料的微流控芯片，包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PO、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。上述的這些模具，主要采用光刻方法進行制備，雖然光刻法可以獲得高質量的模具，但是光刻法制備微流控芯片模具需要昂貴的光刻機和超凈室環境，此外還需要顯影以及后烘等工藝，過程繁瑣，成本較高，加工周期較長。此外，一旦模具的微結構確定了(例如微通道的寬度和深度)，則無法進行修改。因此，如果能夠發展一種材料成本和加工成本低廉、操作簡單易行的微流控芯片模具，對于微流控芯片的設計開發和批量生產都具有重大意義。
[0004]綜上所述，一種基于透明膠帶雕刻微米級深度通道的、用于制造聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流控芯片的模具的快速制備方法，有望對微流控設計加工起推動作用。
【發明內容】
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[0005]本發明的目的是建立一種透明膠帶雕刻微米級深度的、用于制造PDMS微流控芯片的模具的快速制備方法。其特征是通道深度由所附貼透明膠帶層數決定，通道形狀可以根據設計需要手工雕刻出。該方法操作簡單、成本低廉，有望在一般實驗室普及。
[0006]本發明所述的微流控芯片模具，其特征在于，該模具具有PDMS微流體通道進樣口和出樣口構件。
[0007]本發明所述的微流控芯片模具，其特征在于，該模具制作及其使用十分簡便，適用于PDMS、PMMA等材料的微流控芯片快速加工。
[0008]本發明所述的試驗流程大致可分為:透明膠帶陽模的雕刻一液態PDMS傾覆一PDMS的剝離；透明膠帶陰模雕刻一環氧樹脂制備陽模一液態PDMS傾覆一PDMS的剝離。其中透明膠帶陰模和陽模的雕刻為關鍵步驟，同時也是本發明的創新之處。
[0009]本發明所述的微流控芯片模具的快速制備方法，其具體技術方案如下:
[0010]本發明是一種透明膠帶雕刻微米級深度的用于制造PDMS微流控芯片模具的快速制備方法，使用雕刻透明膠帶作為PDMS通道翻制模具，使用貼附透明膠帶層數控制通道的深度，通道嵌于PDMS內。
[0011]本發明所述的方法是由手術刀手工雕刻透明膠帶制作出陰模和陽模。
[0012]本發明所述的方法具體制作步驟如下:
[0013](I)、手繪或者用電腦繪圖軟件繪制出所需模具通道圖案，并打印，如圖1所示；
[0014](2)、用等離子清洗儀清洗載玻片表面；
[0015](3)、取一片已清洗的載玻片(301)，在其上附貼上透明膠帶(302)，可選用不同種類(厚度不同，單層厚度從20?1000 μ m)的透明膠帶單層、多層或復合使用，以得到所需的通道深度；
[0016](4)、將貼有透明膠帶的載玻片放在70°C電熱板上2min ；
[0017](5)、將打印出的模具通道圖案放在已附貼透明膠帶載玻片的正下方；
[0018](6)、用手術刀雕刻出模具通道形狀，如圖2所示；
[0019](7)、將通道周圍透明膠帶(303)揭除，則可得到陽模，如圖3-dl所示；或將通道形狀的透明膠帶(304)揭除，則可得到陰模，如圖3-d2所示；
[0020](8)、用錫箔紙(305)將所得到的通道模具圍起來形成一個澆鑄模具，如圖3-e所示；
[0021](9)、將PDMS預聚體與偶聯劑(306)混合、抽真空除氣然后倒入澆鑄模具，將長3?10mm、直徑I?5mm的乳膠管放在進、出樣口(101),之后置于70°C電熱板上2h固化；
[0022](10)、將錫箔紙與PDMS和模具剝離，并將固化后的PDMS (309)與模具剝離，即可得到所需的微通道結構。
[0023]本發明所述的PDMS預聚體和偶聯劑是以質量比為5:1?10:1的比例混合而成。
[0024]本發明所述的模具深度由透明膠帶的層數和膠帶種類來控制。
[0025]本發明所述的PDMS通道深度可以達到20?10000 μ m，寬度則可以達到50?10000 μ m,寬度上限可以根據需要擴大。
[0026]本發明所述的用透明膠帶所刻的陽模模具可以直接用來澆鑄制成所需PDMS成品；而用透明膠帶制成的陰模，則可以先用環氧樹脂澆鑄倒成陽模，等環氧樹脂固化干燥后，就可以做成能夠反復多次使用的環氧樹脂陽模模具。
[0027]本發明所述的將貼有透明膠帶的載玻片放在70°C電熱板上2min，其作用是有助于膠帶與玻璃的剝離，且能使膠帶更好地與PDMS分離。
[0028]本發明方法是將PDMS混合偶聯劑倒入澆鑄模具后，在通道的進、出口放上前述的乳膠管，等PDMS固化后，即可成為溶液進樣口和出樣口(101)，該方法制作方便、省去了用打孔器打孔的工序，不易泄漏。
[0029]相比現有技術，本發明的特點體現在:
[0030]使用雕刻透明膠帶的陰模和陽模，其嵌入PDMS通道深度可以達到20?10000 μ m，且可以通過改變附貼膠帶種類和層數來改變通道深度，還可以根據設計需要改變通道形狀。
[0031]使用雕刻透明膠帶的陰模和陽模的制作簡單、材料成本低廉，與SU-8陽模制作相t匕，它無需甩膠、前烘、曝光、中烘、顯影以及后烘等繁瑣步驟，制作時間短，且透明膠帶價格要遠遠低于其他材料。
[0032]本發明將PDMS混合偶聯劑倒入澆鑄模具后，在通道的進、出口放上適當尺寸的乳膠管，等PDMS固化后，成為溶液進樣口和出樣口的方法，制作方便、省去了用打孔器打孔的工序。利用該方法制作的進出樣口使用方便、不泄漏且耐用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033]圖1為本發明方法設計制作的微流控芯片平面結構示意圖
[0034]圖2為本發明提出的透明膠帶雕刻微米級深度通道的模具形狀
[0035]圖3為本發明提出的透明膠帶雕刻微米級深度通道的PDMS微流控芯片的模具的快速制備工藝流程圖
[0036]圖中:101乳膠管樣品進出口，102微流控芯片通道，201透明膠帶雕刻的陽模模具，202載玻片，301載玻片，302貼附的透明膠帶，303通道圖形周圍透明膠帶，304雕刻的通道圖形透明膠帶，305錫箔紙，306混勻的PDMS液體，307環氧樹脂，308固化的環氧樹脂，309固化的PDMS，310玻璃(或其他芯片材料)。
【具體實施方式】
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[0037]本發明的是一種透明膠帶雕刻微米級深度通道的PDMS微流控芯片的模具的快速制備方法，其具體技術方案為:
[0038]雕刻透明膠帶陰模或陽模:
[0039](I)、手繪或者用電腦繪圖軟件繪制出所需模具通道圖案(如通道寬度為1000 μ m,形狀為三通道分叉,如圖1所示)，并打印；
[0040](2)、用等離子清洗儀清洗載玻片表面；
[0041](3)、取一片已清洗的載玻片(301)，在其表面貼上透明膠帶(302)，根據所需通道深度以及膠帶厚度確定附貼膠帶層數(如需要通道深度為ΙΟΟμπι，則需要貼附單層為50 μ m厚的透明膠帶兩層)；
[0042](4)、將打印出的模具通道圖案放在已附貼透明膠帶載玻片的正下方，并粘在載玻片下部，使其不可移動；
[0043](5)、用手術刀沿著所繪制圖案在透明膠帶上雕刻出所繪制模具通道形狀，如圖2所示；
[0044](6)、將貼有透明膠帶的載玻片放在70°C電熱板上2min，使膠帶與玻璃易于剝離，且能使膠帶更好地與PDMS分離；
[0045](7)、將通道周圍透明膠帶(303)揭除，則可得到陽模，如圖3-dl所示；或將通道形狀的透明膠帶(304)揭除，則可得到陰模，如圖3-d2所示；
[0046](8)、用錫箔紙(305)將所得到的通道模具圍起來形成一個澆鑄模具。
[0047]PDMS 制作
[0048](I)、將PDMS預聚體與偶聯劑(306)混合、抽真空除氣然后倒入澆鑄模具，將長5mm、直徑2mm的乳膠管放在進、出樣口(101),之后置于70°C電熱板上2h固化；
[0049](2)、將錫箔紙(305)與PDMS和模具剝離，并將固化后的PDMS(309)與模具剝離，即可得到所需的PDMS結構。
[0050]本發明所述的PDMS預聚體和偶聯劑是以質量比為5:1?10:1的比例混合而成。
[0051]本發明所述的模具深度由透明膠帶的層數來控制和膠帶種類來控制。
[0052]本發明所述的PDMS通道深度可以達到30?1000 μ m,且可以通過改變附貼膠帶種類和層數來改變通道深度，寬度則可以達到50?20000 μ m，寬度上限可以根據需要擴大。
[0053]本發明所述的用透明膠帶所刻的陽模模具可以直接用來澆鑄制成所需PDMS成品；而其制成的陰模則可以先用環氧樹脂澆鑄在錫箔紙圍成的澆鑄模具上，等固化干燥后，就可以做成可以反復多次使用的環氧樹脂模具。而用透明膠帶制成的陰模，則可以先用環氧樹脂澆鑄倒成陽模，等環氧樹脂固化干燥后，就可以做成能夠反復多次使用的環氧樹脂陽模模具。
[0054]本發明方法是將PDMS混合偶聯劑倒入澆鑄模具后，在通道的進、出口放上前述的乳膠管，等PDMS固化后，即可成為溶液進樣口和出樣口，該方法制作方便、省去了用打孔器打孔的工序且不易泄漏。
[0055]本發明的檢測結果證實，所制作的雕刻透明膠帶陽模和陰模尺寸與所設計的誤差在5%范圍內，滿足實驗要求。
[0056]本發明的檢測結果證實，通過本模具所制作的PDMS通道寬度和深度與所設計的誤差也在5%范圍內，滿足實驗要求。
[0057]下面通過具體實施實例進一步說明本發明的技術方案:
[0058]實施例1
[0059](I)、手繪或者用電腦繪圖軟件繪制出如圖1所示模具通道圖案，通道寬度為1000 μ m,形狀為三通道分叉，并打印；
[0060](2)、用等離子清洗儀清洗載玻片表面；
[0061](3)、取一片已清洗的載玻片(301)，在其上附貼兩層單層厚度為50 μ m的透明膠帶(302)，即所需要通道深度為100 μ m，如圖3-b ；
[0062](4)、將貼有透明膠帶的載玻片放在70°C電熱板上2min ；
[0063](5)、將打印出的模具通道圖案放在已附貼透明膠帶載玻片的正下方，并粘在載玻片下部，使其不可移動；
[0064](6)、用手術刀沿著所繪制圖案在透明膠帶上雕刻出通道形狀，如圖3-cl ；
[0065](7)、將通道周圍透明膠帶(303)揭除，得到陽模，如圖3-dl所示；
[0066](8)、用錫箔紙(305)將所得到的通道模具圍起，形成一個澆鑄模具；
[0067](9)、將PDMS預聚體與偶聯劑(306)混合、抽真空后倒入澆鑄模具，將長50mm、直徑2mm的乳膠管放在進、出樣口(101)，之后置于70°C電熱板上2h固化；
[0068](10)、將錫箔紙(305)與PDMS和模具剝離，并將固化后的PDMS (309)與模具剝離，即可得到所需的PDMS結構，如圖3-h所示。
[0069]實施例2
[0070](I)、同實例I步驟(I)，通道寬度為50 μ m,形狀為“十字”形；
[0071](2)、同實例I步驟(2);
[0072](3)、同實例I步驟(3)，在其上附貼上一層透明膠帶，即所需要通道深度為50 μ m,如圖2所示；
[0073](4)、同實例I步驟(4)；
[0074](5)、同實例I步驟(5);
[0075](6)、同實例I步驟(6);
[0076](7)、將通道形狀的透明膠帶揭除(304)，則得到陰模，如圖3-d2所示；
[0077](8)、同實例I步驟(8);
[0078](9)、將環氧樹脂(307)抽真空后倒入澆鑄模具，置于65°C電熱板上2h固化；
[0079](10)、將錫箔紙與固化的環氧樹脂模(308)具剝離，即可得到所需可以重復使用的模具，如圖3_f2所示；
[0080](11)、同實例 I 步驟(8);
[0081](12)、同實例I步驟(9)，如圖3-g2所示；
[0082](13)、同實例I步驟(10)，如圖3-1所示；
[0083] 申請人:聲明，以上列舉的僅是本發明的部分具體實施技術方案，顯然，本發明不局限于以上實施實例，還可以有更多的變形。本領域的普通技術人員能從本發明公開信的內容直接導出或對本發明選用組分的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，聯想到的所有變形，均應認為是本發明的保護范圍和公開范圍以內。
【權利要求】
1.一種透明膠帶雕刻微米級深度的、用于制造PDMS微流控芯片的模具的快速制備方法，其特征在于，通過手術刀雕刻透明膠帶制成陰模和陽模，進一步制作微流控芯片模具，可通過改變粘附透明膠帶的種類或層數來控制微流控芯片通道深度，其通道深度和寬度都可達到20μπι?ΙΟΟΟΟμπι，且通道形狀、寬度和深度都可以根據需要設計更改。
2.根據權利要求1所述的一種透明膠帶雕刻微米級深度的、用于制造PDMS微流控芯片的模具的快速制備方法，其制作步驟如下: (1)手繪或者用電腦繪圖軟件繪制出所需模具通道圖案，并打印； (2)用等離子清洗儀清洗載玻片表面； (3)取一片已清洗的載玻片(301)，在其上附貼上透明膠帶(302)，可選用不同種類(厚度不同，單層厚度從20?1000 μ m)的透明膠帶單層、多層或復合使用，以得到所需的通道深度； (4)將貼有透明膠帶的載玻片放在70°C電熱板上2min； (5)將打印出的模具通道圖案放在已附貼透明膠帶載玻片的正下方； (6)用手術刀雕刻出模具通道形狀； (7)將通道周圍透明膠帶(303)揭除，則可得到陽模；或將通道形狀的透明膠帶(304)揭除，則可得到陰模； (8)用錫箔紙(305)將所得到的通道模具圍起來形成一個澆鑄模具； (9)將PDMS預聚體與偶聯劑(306)混合、抽真空除氣然后倒入澆鑄模具，將長3?10mm、直徑I?5mm的乳膠管放在進、出樣口(101),之后置于70°C電熱板上2h固化； (10)將錫箔紙與PDMS和模具剝離，并將固化后的PDMS(309)與模具剝離，即可得到所需的微通道結構。
3.根據權利要求1-2所述的一種透明膠帶雕刻微米級深度的、用于制造PDMS微流控芯片的模具的快速制備方法，其特征在于，所制得的PDMS通道深度可以達到20?1000 μ m，寬度則可以達到50?10000 μ m，其上限可以根據需要擴大。
4.根據權利要求1-3所述的一種透明膠帶雕刻微米級深度的、用于制造PDMS微流控芯片的模具的快速制備方法，其特征在于，所述PDMS預聚體與偶聯劑混勻倒入澆鑄模具后，在通道的進、出口放上前述的乳膠管，等PDMS固化后，即可成為溶液進樣口和出樣口(101);其PDMS預聚體和偶聯劑是以質量比為5:1?10:1的比例混合而成。
5.根據權利要求1-4所述的一種透明膠帶雕刻微米級深度的、用于制造PDMS微流控芯片的模具的快速制備方法，其特征在于，所述通過雕刻透明膠帶而成的陽模模具可以直接用來澆鑄制成所需PDMS成品；而用透明膠帶制成的陰模，則需要先用環氧樹脂澆鑄，等環氧樹脂固化干燥后，即成為能夠反復多次使用的環氧樹脂陽模模具。
6.根據權利要求1-5所述的一種透明膠帶雕刻微米級深度的、用于制造PDMS微流控芯片的模具的快速制備方法，其特征在于，本發明所述的將貼有透明膠帶的載玻片放在70°C電熱板上2min，其作用是有助于膠帶與玻璃的剝離，且能使膠帶更好地與PDMS分離。
【文檔編號】B29C33/38GK104191548SQ201410449818
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月4日 優先權日:2014年9月4日
【發明者】張昊, 劉彧, 高健 申請人:齊魯工業大學