液滴噴射微流體混合芯片及加工方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及微流芯片領域，尤其涉及一種用于實現溶液的快速微混合和微反應的基于微液滴噴射陣列的微流體混合芯片及加工方法。
【背景技術】
[0002]微流體芯片是微機電系統(MEMS)應用的一個重要分支，可將許多傳統生物化學檢測過程:如注入、分離、加樣、混合、反應、檢測等功能在一個便攜式芯片上得以實現，微流芯片可以實現從納升到微升的流體流動的控制和驅動，己被廣泛應用于化學分析、疾病診斷、藥物篩選等許多領域。與傳統監測方法相比，微流體芯片技術具有1)樣品使用量減少；
2)可實現高通量檢測；和3)反應時間快等優點。
[0003]微混合芯片是微流控芯片中的重要功能器件之一，其作用是將2種待檢測(反應)的流體混合到一起，促使反應的發生。我們知道，由于尺度的縮小，微通道中流體表面積與體積的比值相當的大，表面力與粘性力的影響占主導地位，慣性力的作用大大減少，雷諾數一般小于100，流體呈現層流流態，流體的混合過程是通過流體分子的自由擴散進行的。根據Fick擴散定律，基于分子熱運動的自由擴散混合過程是極其緩慢的，因此流體達到充分混合就需要較長的混合時間和較長的混合通道。為了加強在微尺度下的流體混合過程，一般會設計專門的微流體混合芯片來加強流體的混合過程。依據有無外界動力源，微混合芯片大致可以分為被動式微混合芯片和主動式微混合芯片兩種。被動式微混合芯片是指不需要外部動力源，主要依賴于通道幾何形狀對流體進行混合，如設計不同的流體通行路徑(C型，彎弧，扭曲通道)，在通道中加障礙物，蛇形通道等。主動式微混合芯片按作用原理分可分為電動力式、磁動力式、超聲波式、分支注入式、壓電式、機械式等。被動式微混合芯片無需外部能量的輸入，混合效果穩定，便于集成在微流控系統中，但這種方式都會增加驅動流體流動的壓力，通道往往很長或體積很大，需要加工復雜的三維結構，且對于雷諾數特別低的流動，混合效果不住、可控性差。
[0004]現有的主動式混合芯片混合時間較被動式混合芯片短、可控性較好，但仍然存在一些問題，如:1)外部激勵或擾動實現的裝置往往比較復雜，工藝過程繁瑣，芯片制造成本較高；2)現有的主動式混合芯片一般都有可動部件，工作時間長后，容易損壞，導致芯片可靠性差；3)現有主動式微混合芯片沒有加入反饋環節，無法實現根據混合的結果好壞，及時方便地調整外部激勵或擾動的強度，以迅速調整激勵參數，到達預期的混合效果。
【發明內容】
[0005]本發明要解決的技術問題在于針對現有技術中微混合芯片存在的缺陷，提供一種結構簡單，成本低，且可靠性更高的微流體混合芯片及加工方法。
[0006]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0007]提供一種液滴噴射微流體混合芯片，包括鍵合而成的上層襯底片、中層襯底片和下層襯底片，上層襯底片為蓋板，設有第一流體的入口、混合液出口 ；中層襯底片的上部設有流體混合通道，底部設有噴嘴陣列；下層襯底片的上部設有第二流體通道，底部設有微加熱器陣列；
[0008]微加熱器陣列通電后，加熱第二流體，產生的微氣泡將第二流體的微液珠通過噴嘴陣列噴射入流體混合通道內，第一流體與第二流體在流體混合通道內混合，并通過混合液出口流出。
[0009]本發明所述的微流體混合芯片中，該下層襯底片上設有第二流體清洗口。
[0010]本發明所述的微流體混合芯片中，該微加熱器陣列通入的電流為脈沖電流。
[0011 ] 本發明所述的微流體混合芯片中，該微流體混合芯片還設有反饋式驅動電路，用于調整通入微加熱器陣列的脈沖電流。
[0012]本發明所述的微流體混合芯片中，該流體混合通道的深寬比滿足:在其中的流體流動時呈扁平狀流態。
[0013]本發明所述的微流體混合芯片中，該上層襯底片為透明的玻璃襯底片，中層襯底片和下層襯底片為娃襯底片。
[0014]本發明還提供一種基于上述微流體混合芯片加工方法，包括以下步驟:
[0015]S1、在上層襯底片上利用腐蝕工藝得到第一流體的入口和混合液出口 ；
[0016]S2、在中層襯底片上的下表面采用標準光刻和反應離子刻蝕工藝得到噴嘴陣列的孔結構；在中層襯底片的上表面采用標準光刻和深度反應離子刻蝕工藝在噴嘴陣列所在的表面形成流體混合通道；
[0017]S3、在下層襯底片的上表面采用標準光刻和深度反應離子刻蝕工藝形成第二流體通道；在第二流動通道的底部采用金屬濺射和剝離工藝得到微加熱器陣列和其接線端陣列；在下層襯底片的下表面采用標準光刻和深度反應離子刻蝕工藝在下層襯底片上形成第二流體入口及第二流體清洗口；
[0018]S4、將中層襯底片和下層襯底片鍵合到一起，將上層襯底片與中、下層襯底片鍵合到一起，完成整個微混合芯片的制作。
[0019]本發明所述的加工方法中，步驟S1具體為:
[0020]先將上層襯底片減薄，然后在上層襯底片正面和背面各濺射一層金屬保護層，并在上層襯底片正面采用標準涂膠、曝光、顯影工藝得到2個通孔處的圖形，其中一個是第一流體的入口，另一個是混合液出口 ；
[0021]用標準濕法腐蝕工藝腐蝕掉通孔處的金屬保護層，然后去掉光刻膠；將上層襯底片放入HF氫氟酸中，用濕法腐蝕工藝得到2個通孔；
[0022]用標準濕法腐蝕工藝去掉上層襯底片上的金屬保護層；
[0023]以上步驟所實現的功能也可采用如下方法:先在上層襯底片表面涂一層厚膠，采用標準光刻工藝得到2個通孔處的圓孔圖形；
[0024]直接采用深度反應離子刻蝕工藝將上層襯底片刻穿，得到相應的2個通孔。
[0025]本發明所述的加工方法中，步驟S2具體為:
[0026]中層襯底片通過磨片工藝減薄到200微米左右，然后在中層襯底片下表面采用標準光刻和反應離子刻蝕工藝對中層襯底片刻蝕到一定深度，得到噴嘴陣列的孔結構；
[0027]完成了下表面的工藝后，在中層襯底片的上表面采用標準光刻和深度反應離子刻蝕工藝對中層襯底片正面刻蝕，直到到達噴嘴陣列所在的表面形成流體混合通道。
[0028]本發明所述的加工方法中，步驟S3具體為:
[0029]在下層襯底片的上表面采用標準光刻和深度反應離子刻蝕工藝對下層襯底片正面刻蝕到一定深度，形成第二流體通道；
[0030]在第二流動通道的底部采用標準涂膠，光刻，顯影工藝得到微加熱器和接線端的圖形，然后濺射金屬層；
[0031]用剝離工藝去掉其余部分的金屬層，留下的金屬層為所需的微加熱器陣列和接線端陣列；
[0032]在下襯底片下表面旋涂厚膠，然后采用標準光刻，顯影方法得到2個開孔位的圖形；
[0033]采用深度反應離子刻蝕工藝將開孔處的下層襯底片刻蝕穿，形成第二流體入口及第二流體清洗口。
[0034]本發明產生的有益效果是:本發明通過在流體通道上設置噴嘴陣列，通過微加熱器陣列加熱一種流體，產生微氣泡，通過噴嘴陣列噴入流體混合通道內與其他流體相混合，實現微流體的主動混合。本發明的微流體混合芯片結構簡單，與現有的技術方案比較有成本低的優勢。本發明的微流體混合芯片為主動混合式，但又沒有可動部件，與現有的技術方案比較可靠性更高。
[0035]進一步地，根據流體的粘性不同，通過反饋式驅動電路調整電脈沖的大小，從而實現不同的氣泡壓力，在噴嘴處產生不同的推動力，從而自動調整到合理的混合效果。
【附圖說明】
[0036]下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中:
圖1是本發明實施例微流體混合芯片的結構示意圖；
圖2 (a)是本發明實施例上層襯底片的俯視圖；
圖2 (b)是本發明實施例上層襯底片的側視圖；
圖3 (a)是本發明實施例中層襯底片的俯視圖；
圖3 (b)是本發明實施例中層襯底片的側視圖；
圖4 (a)是本發明實施例下層襯底片的俯視圖；
圖4 (b)是本發明實施例下層襯底片的側視圖；
圖5是本發明實施例微液滴噴射陣列控制電路圖；
圖6是本發明實施例微流體混合芯片加工方法流程圖。
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【具體實施方式】
[0045]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0046]如圖1所示，本發明實施例提供一種液滴噴射微流體混合芯片，由上層襯底、中層襯底和下層襯底三層襯底片鍵合而成。
[0047]如圖2(a)和圖2(b)所示，混合芯片的上層襯底片為蓋板，其上部設計有流體A入口 12，及流體A和流體B的混合液出口 13。上層襯底片的材料可以是透明的玻璃襯底片，這樣便于檢測混合液的混合效果。上層襯底片與中層襯底片的鍵合區域為33。
[0048]如圖3(a)和圖3(b)所示，中層襯底片可以是硅襯底片或玻璃襯底片。中層襯底片的上部設有流體混合通道32，底部設有噴嘴陣列31 ;噴嘴的剖面形狀可以為接近垂直形狀，也可以為梯形形狀，中層襯底片上的鍵合區域為33。
[0049]如圖4(a)和圖4(b)所示，下層襯底片可以是硅襯底片。下層襯底片的上部設有流體B的流體通道21，底部設有微加熱器陣列23，下層襯底片上的鍵合區域為33。微加熱器陣列23通電后，加熱流體B，產生的微氣泡將流體B的微液珠通過噴嘴陣列31噴射入流體混合通道32內，流體A與流體B在流體混合通道32內混合，并通過混合液出口 13流出。微加熱器陣列23中通入的電流為脈沖電流。
[0050]本發明為主動式微混合芯片，其還設計有反饋式驅動電路，用于調整通入微加熱器陣列的脈沖電流。
[0051]如圖5為本發明噴射陣列的控制電路圖，電阻Rl、R2、…Rn的一端輸入控制脈沖，控制脈沖控制著三極管的開閉時間，從而控制著微加熱器Rhl