一種基于自組裝紋路的微混合器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及用于不同物質混合的微流控芯片，屬于化學合成和微流體控制領域。
【背景技術】
[0002] 微流控芯片是指利用微流控期間，包括微栗、微閥等控制體在微流道中運動，并實 現特定功能的芯片。與傳統的分析測試方法相比，微流控芯片在化學和生物分析、檢測以及 合成過程中有非常顯著的優勢。首先，微流控芯片可將傳統的分析預處理過程，包括樣品采 集和運輸、所需的化學反應以及反應物質的分離提取等步驟全部轉換為自動化操作，大大 簡化人工投入以及可能帶入的污染，提高分析精度。其次，微流控芯片可以有效降低樣品的 消耗，還可以減少廢液的產生。這對于生物領域中制樣困難的情況非常適用。再次，集成后 的微流控芯片可以做成便攜器件，為家庭保健或落后地區的醫療服務提供新的解決辦法。 最后，微流控芯片在保證了上述優勢外，由于分析樣品少，分析容器小等因素，可以明顯提 高分析效率。
[0003] 然而，流道尺寸減小也帶來了一些問題。由于流道尺寸變小，表征慣性力與黏性力 之比的雷諾數也相應減小。根據流體力學知識，當雷諾數高于2300時才會在管道內發生湍 流，促進混合作用。而一般來講，微流控芯片中的雷諾數量級在〇. 1~100之間，流體中層 流起主導作用。此外，在宏觀流道中還會出現有浮力所產生的不規則流動現象，在微米尺度 的流道中也不會產生。因此，在有限的空間里，微觀流道內很難取得快速完全的混合效果。
[0004] 目前微混合器主要分為兩大類，即主動式微混合器和被動式微混合器。主動式微 混合器是利用所施加的外部力增加不同流體間的擴散效應來實現混合。如聲波式微混合器 是利用聲波傳遞的機械能促進流體間混合；激光式微混合器利用高功率脈沖激光在流體中 引入壓力變化從而在微流道中產生氣泡，利用氣泡的產生和破裂來破壞層流效應；交流電 滲式微混合器可以通過設計特殊的非對稱電極，通過施加交流電使管道內的流體在電滲力 的作用下產生擾動。可知主動式微混合器工作時需要通過輸入外部能量實現不同液體間充 分混合。被動式微混合器則是通過特定的流道形狀增加不同混合液體的接觸面積。例如多 管道式微混合器是將接觸后的兩種樣品沿著流動的垂直方向分隔成兩股流體，然后將分開 的兩股流體聚合，以此達到擴散時間和混合路徑加倍的目的；混沌對流式微混合器是在流 體中引入垂直于流體流動方向的對流，如設計獨特的流道結構或者在流道底部設置障礙物 達到擾亂層流產生混沌對流的效果。
[0005] 被動式微混合器可以在不消耗外部能量的情況下完成液體的混合，在便攜式設備 中可以有效節約電能。同時被動式微混合器的結構一般比主動式簡單，能夠有效減低生產 成本。但是被動式微混合器要達到較高的混合效率需要依賴混合路徑的延長，而微系統的 尺寸要求往往限制了混合路徑的長度，使得被動式微混合器的混合效率一般比主動式低。 因此，開發出一種制作步驟簡單、成本低廉且混合效率高的被動式微混合器非常有必要。
【發明內容】
[0006] 本發明針對被動式微混合器混合效率低的技術瓶頸提供一種基于流道表面自組 裝紋路的被動式微混合芯片。
[0007] 本發明技術方案如下：
[0008] 針對現有的被動式微混合器效率較低的問題，本發明通過在微混合器流道的底部 制作大面積自組裝微米級紋路，當流體流經帶有微紋路的流道時會產生垂直于流動方向的 橫向二次流動，破壞層流效應，促進流體的混合。傳統的利用軟光刻制作紋路的方法，不僅 需要運用復雜精確的光刻步驟而且制作大面積紋路較為困難。本發明所運用的在預拉伸的 彈性基底上沉積金屬薄膜的方法省去了光刻步驟且可以達到一次性制備大規模有序紋路 的目的，為高效微混合器的大規模制造提供新的思路。應當注意的是，本發明中制作微紋路 的方法不僅適用于單一微混合器中流道表面的改進，還可以方便地集成到更為復雜的微流 控系統制作過程中作為流道改進的一個步驟。
【附圖說明】：
[0009] 圖1所示是本發明中微混合器模塊流道形狀圖；
[0010] 圖2所示是本發明中微混合器模塊拉伸示意圖；
[0011] 圖3所示是本發明中需去除和保留的紋路部分示意圖；
[0012] 圖4所示是本發明中多余紋路去除步驟示意圖。
[0013] 下面結合附圖對基于自組裝紋路的微混合器制作步驟作詳細說明：
[0014] 1.制作PDMS模具。使用繪圖軟件繪制微混合器流道的形狀圖（如圖1所示），并 用高分辨率的打印機制作光刻用的掩模版。最后通過光刻法在硅片上制作用于PDMS澆鑄 的微混合器模具。
[0015] 2.制作微混合器模塊。將PDMS (Dow Corning SYLGRAD 184)基液和固化劑按10 : 1的質量比進行混合，充分攪拌后在超聲波震蕩儀中震蕩5分鐘做進一步混合。然后放入真 空干燥箱中真空去泡20分鐘。去泡過后澆鑄在步驟1中微混合器模具上。在電熱干燥箱 中90 °C烘烤2小時。PDMS微混合器模塊的尺寸為40 X 40 X 2mm3。
[0016] 3.制作自組裝紋路。將步驟2得到的微混合器模塊（帶有流道的一面朝上）放置 在特殊設計的預應力夾具上固定（如圖2所示）。利用夾具將微混合器模塊的四邊分別拉 伸5mm。將整個夾具用絕緣膠布固定在電子束蒸發與電阻蒸發復合鍍膜機（中科院沈陽科 學儀器研制中心）的硅片盤上，然后將硅片盤放置在鍍膜機的半球形支架上。鍍膜機的參 數設置如表1。緩慢釋放鍍好鋁膜后的PDMS微混合器模塊，此時PDMS模塊的上表面會形成 大面積有序微紋路。
[0017] 表1鍍膜工藝參數
[0018]
[0019] 4.去除多余紋路。由于微混合器鍵合時要求鍵合表面平整，微紋路的存在會導致 鍵合質量下降，當流道內通入過高壓力的流體時甚至會產生漏液，因此必須出去多余的紋 路（如圖3所示）。直接用規格為19mmX 32. 9m透明膠帶（Scotch)貼在整個鍵合表面上， 粘貼時注意不要引入氣泡，然后用力撕下透明膠帶。由于金屬薄膜只是覆蓋在PDMS表面， 可以通過此方法去除與透明膠帶接觸部分的微紋路（示意圖如圖4)。可多重復幾次上述步 驟保證鍵合表面金屬薄膜完全去除干凈。
[0020] 5.微混合器鍵合。在10000級無塵室中將去除了多余微紋路的微混合器模塊放入 無水酒精中震蕩清洗2分鐘。然后將微混合器模塊與平整的PDMS基底放置在深槽反應離 子刻蝕機（Trion，Minilock-Phantom III)中，用氧離子活化鍵合表面，刻蝕機參數如表2 所示。將照射完的兩片PDMS活性表面緊貼在一起，并壓上重物放置24小時。此時基于自 組裝紋路的微混合器制作完成。
[0021 ] 表2鍵合時深槽反應離子刻蝕機參數
[0022]
【主權項】
1. 基于自組裝紋路的微混合器，其特征在于，包括一基底模塊和一微混合器模塊，所述 微混合器模塊上設有液體混合流道及自組裝紋路，且所述微混合器流道及微紋路的起點和 終點設有微流控芯片進樣口和出樣口。2. 根據權利要求1所述的基于自組裝紋路的微混合器，其特征在于，所述微混合器模 塊尺寸為40 X 40 X 1mm3,基底模塊尺寸為40 X 40 X 2mm3。3. 根據權利要求1所述的基于自組裝紋路的微混合器，其特征在于，自組裝紋路的制 作步驟如下： (1) 將制作好的微混合器模塊（帶有流道的一面朝上）放置在特殊設計的預應力夾具 上固定，利用夾具將微混合器模塊的四邊分別拉伸5_，將整個夾具用絕緣膠布固定在電子 束蒸發與電阻蒸發復合鍍膜機的硅片盤上，然后將硅片盤放置在鍍膜機的半球形支架上， 鍍膜機的參數設置為蒸發源99. 4%鋁靶材，背底真空I X 10 4,惰性氣氛為Ar，基底為聚二 甲基硅氧烷，鍍膜厚度20nm，鍍膜完成后緩慢釋放鍍好鋁膜后的微混合器模塊，此時微混合 器模塊的上表面會形成大面積有序微紋路； (2) 用規格為19mmX32. 9m透明膠帶貼在整個鍵合表面上，粘貼時注意不要引入氣泡， 然后用力撕下透明膠帶，此時鍵合表面的微紋路可除去； (3) 重復步驟（2)多次保證鍵合表面金屬薄膜完全去除干凈。
【專利摘要】本發明公開了一種基于自組裝紋路的微混合器，包括一微混合器模塊和一基底模塊，所述的微混合器模塊上設有流道以及自組裝紋路。本發明同時還提供了一種在流道底部制作自組裝紋路的方法。本發明針對現有被動式微混合器效率低下的問題，通過在微混合器流道的底部制作大面積自組裝紋路，破壞層流效應，促進流體的混合。本發明中制作微紋路的方法不僅用于單一微混合器中流道表面改進，還可以方便地集成到更為復雜的微流控系統制作過程中。
【IPC分類】B01F13/00, B01L3/00
【公開號】CN105080408
【申請號】CN201510339108
【發明人】彭倍, 李迪, 張遒姝, 范娜, 郭劍
【申請人】電子科技大學
【公開日】2015年11月25日
【申請日】2015年6月17日