专利名称：一种被动式微流体混合器及其封装方法
技术领域：
本发明涉及微流体系统中的微流体混合器，尤其是被动式微流体混合器及 其封装方法。
技术背景微流体混合系统可应用在化学分析、生物及化学传感、分子分离、核酸排 序及分析、环境监测等领域，与传统靠搅拌混合的动力化学分析器相比，它具 有质量轻、响应快和成本低的特点，可替代部分现有流体系统，其机理及其器 件研究是近年来的一个研究热点。根据有无外加驱动器，微流体混合器可分为主 动式和被动式两种。主动式混合器主要是通过微型反应器或外加力场来实现对 样品的混合操作。近几年来已经提出了采用超声波、压电、磁力等驱动方式实 现主动混合。该方法混合效果较好，但是实施技术难道大。被动式混合器主要 依靠改变混合器中微型管道的儿何形状或分流来增加微流体的有效接触面积， 以达到增强扩散、提高液体混合效率的目的。目前已经研制出了分层式、T型、 C型等多种被动式混合器。但是仅仅依靠分子扩散实现流体混合会导致混合时 间过长，混合效率太低，并且还容易引起堵塞。为了提高被动式混合器的效率， 在微通道底面上制作出微结构扰流，使层流变成混沌流，混合效果显著改善。 为了在微混合器通道中形成微结构，现有制造方法能制造的微结构都较简单， 不能制造复杂的结构，影响其混合效果的进一歩提高。随着微细加工技术的发展，以聚合物为主的加工工艺在微流体芯片的研究 口益受到重视。特别是聚二甲基硅氧垸(PDMS)已成为制作微流休芯片的重要 材料。PDMS是一种具有弹性的高分亍聚合物，通常它是由PDMS基质和相应的 固化剂按一定的比例热聚合而成。作为构建微流体芯片的基底材料，PDMS表 现出了非常理想的材料特件良好的绝缘性，能承受高电压，己广泛应用于各 种毛细管电泳微芯片的制作；热稳定性高，适合加工各种生化反应芯片；具有很高的生物兼容性和气体通透性，可以用于细胞培养；同时具有优良的光学特 性，可应用于多种光学检测系统；弹性模量低，适合于制作微流体控制器件， 如泵膜等。此外，PDMS还具有以下优点原材料价格便宜、制作周期短、耐 用性好、封装方法灵活，它可以和硅、氮化硅、氧化硅、玻璃等许多材料形成 很好的密封。封装是微流体混合器中最重要的一个环节。目前，依据PDMS微流体芯片 封装后强度的不同，主要可以将其分为可逆封装和不可逆封装两类，但均存在 一些不足。芯片可逆封装前，首先，用去离子水和甲醇对PDMS盖片和相应的基片(包 括PDMS基片或玻璃基片等)表面进行反复清洗；然后；用氮气吹干；最后，直接接触粘合即得到可逆封装芯片。可逆封装的PDMS微流体芯片最突出的一个特点是芯片可以根据实验需要进行任意拆洗，反复使用，这也是其它材料的芯 片所不具备的优点。但它的缺点是封装强度不够高、芯片不耐高压，通常可逆封装的PDMS微流体芯片所能承受的最大压力不超过3.45 X 104Pa。不可逆封装增加了对PDMS表面的等离子氧化处理步骤，对其进行氧化处 理的目的是为了增加PDMS表面含氧官能团，提高芯片的密封强度。不可逆封 装芯片的优点是封装强度大，能承受很高的外加压力。缺点是芯片一旦封装， 就形成永久性粘接，不能再拆开，这给疏水性较强的PDMS微流体芯片的清洗 带来了困难。 发明内容鉴于现有微流体混合器技术的不足之处，本发明提出一种被动式微流体混 合器及其封装方法，该混合器是一种全PDMS被动式微流体混合器。该方法一 步制造出复杂的微通道底面微结构，其封装方法是利用在PDMS层制造出凸出 柱状微结构，两片进行直接接合封装。本发明所提供的被动式微流体混合器，由上PDMS层与下PDMS层两部分 组成，其特征在于下PDMS层形成流体通道槽，上PDMS层形成微流体通道 底面的复杂微结构，其微结构为凸起微脊和凹下微槽，其布局可为任意形式， 一般为平行脊(槽)，与流动方向成横向;凸起微脊横截面可为圆形或长方形或正方形或梯形；凹下微槽横截面可为长方形或正方形或梯形；微结构特征尺寸在 几微米到几十微米之间。这些微结构可导致微流体出现混沌流，显著提高混合 效果，这些微结构可通过一步刻蚀法得到。上述微流体混合器的封装方法，该方法的特征是上PDMS层和下PDMS 层在接合面的微通道两旁均具有众多凸出柱状微结构，排列规则，形成粘附阵 列，凸出柱状微结构的形状为多面体或圆柱体；直径为零点几微米到几微米， 高度为几微米到几十微米；相邻的柱状微结构间距为零点几微米到几微米，需 满足接触条件。上下PDMS层通过凸出柱状微结构粘附阵列，直接接触产生粘 附力而封装在一起，每个柱状微结构通过侧面与另一层的一个或多个柱状微结 构的侧面接触；某层的每个柱状微结构的顶部与另一层的底面接触。这种封装是由于凸出柱状微结构相互接触时产生的分子间作用力，这是一 种物理的干性粘附，可拆开后重新封装，是一种新型的可逆封装。虽然每个接 触的作用力只有几微牛左右，但由于柱状微结构数目巨大，累积的总作用力是 相当可观的，其封装强度可比传统的可逆封装强度大，这取决于柱状微结构的 密度、直径，高度及接触情况等。经清洗后再封装的强度损失小，能重复封装 次数比传统的可逆封装要多。显然这种封装方法的适用场合不仅仅限于本发明 的微混合器，可适用于各种在聚合物之间进行封装的场合，只需在各自接合面 制造出凸出柱状微结构粘附阵列。本发明的突出特点在于(1)利用凸出柱状微结构之间相互接触产生粘附 力而封装在一起，是一种新型的可逆封装，其强度比传统的可逆封装要高；(2) 通过一步刻蚀即可在通道底面得到复杂的微结构，微结构为凸起微脊和凹下微 槽，提高混合效果。
图1是微混合器结构示意图，其中1为上PDMS层，2为下PDMS层，3 为通道底面的复杂微结构。图2是凸出柱状微结构粘附阵列接触示意图，其中l， 2为上下PDMS层， 4为凸出柱状微结构粘附阵列。图3是下PDMS层加工流程图。图4是上PDMS层加工流程图。图5是下PDMS层加工过程示意图，其中a为硅模版负图形，b为图形化厚 胶，c为注胶，2为下PDMS层。图6是上PDMS层加工过程示意图，其中a为硅模版负图形，b为刻蚀底面 复杂微结构，c为注胶，1为上PDMS层。
具体实施方式
下PDMS层制造方法参见图3和图5，其主要工艺过程1、 在硅片上涂敷光刻胶，显影，固化，得到凸出柱状微结构粘附阵列图形，然后感应耦合等离子体(ICP)刻蚀硅片，得到硅模版负图形a;2、 在硅片上涂敷厚胶如SU8胶，刻蚀得到流体通道槽负图形b;3、 注入PDMS，在真空下脱气和深入到孔内，加热固化c;4、 机械方法脱模，得到下PDMS层。 上PDMS层制造方法参见图4和图6，其主要工艺过程1、 在硅片上涂敷光刻胶，显影，固化，得到凸出柱状微结构粘附阵列图形，然后感应耦合等离子体(ICP)刻蚀硅片，得到硅模版负图形a;2、 硅片热氧化，刻蚀氧化层，然后ICP刻蚀或氢氧化钾(KOH)、或各向 同性刻蚀液(HNA)刻蚀硅片， 一步得到底面复杂微结构负图形b;3、 注入PDMS，在真空下脱气和深入到孔和槽内，加热固化c;4、 机械方法脱模，得到上PDMS层。其封装方法如下利用对准装置进行上下PDMS层对准，使上层PDMS的 底面复杂微结构与下层PDMS的流体通道对准，同时两层的凸出柱状微结构粘 附阵列对准；然后施加压力使之封装牢固。
权利要求
1、一种被动式微流体混合器，该微流体混合器由上PDMS层与下PDMS层两部分组成，其特征在于下PDMS层形成流体通道槽，上PDMS层形成微流体通道底面的复杂微结构，其微结构为凸起微脊和凹下微槽，其布局可为任意形式，一般为平行脊或平行槽，与流动方向成横向；凸起微脊横截面为圆形或长方形或正方形或梯形；凹下微槽横截面为长方形或正方形或梯形；微结构特征尺寸在几微米到几十微米之间。
2、 一种权利要求1所述微流体混合器的封装方法，该方法的特征是上PDMS层和下 PDMS层在接合面的微通道两旁均具有众多凸出柱状微结构，排列规则，形成粘附阵列，凸 出柱状微结构形状为多面体或圆柱体；直径为零点几微米到几微米，高度为几微米到几十微 米；相邻的柱状微结构间距为零点几微米到几微米；每个柱状微结构通过侧面与另一层的一 个或多个柱状微结构的侧面接触；某层的每个柱状微结构的顶部与另一层的底面接触。
3、 根据权利要求1所述的微流体混合器，其特征在于所述的上PDMS层是通过以下歩 骤制备(1) 在硅片上涂敷光刻胶，显影，固化，得到凸出柱状微结构粘附阵列图形，然后感应耦 合等离子体刻蚀硅片，得到硅模版负图形；(2) 硅片热氧化，刻蚀氧化层，然后感应耦合等离子体刻蚀或氢氧化钾或各向同性刻蚀液 刻蚀硅片， 一步得到底面复杂微结构负图形；(3) 注入PDMS,在真空下脱气和深入到孔和槽内，加热囱化；(4) 机械方法脱模，得到上PDMS层。
4、 根据权利要求1所述的被动式微混合器下PDMS层的制备方法，其特征在于是按以下歩骤完成的(1) 在硅片上涂敷光刻胶，显影，固化，得到凸出柱状微结构粘附阵列图形，然后感应耦合等离子体刻蚀硅片，得到硅模版负图形；(2) 在硅片上涂敷厚胶如SU8胶，刻蚀得到流体通道槽负图形；(3) 注入PDMS，在真空下脱气和深入到孔内，加热固化；(4) 机械方法脱模，得到下PDMS层。
5、 根据权利要求2所述的封装方法，其特征在于该方法的实现过程为利用对准装置 进行上下PDMS层对准，使上层PDMS的底面复杂微结构与下层PDMS的流体通道对准， 同时两层的凸出柱状微结构粘附阵列对准；然后施加压力使之封装牢固。
全文摘要
本发明公开一种被动式微流体混合器及其封装方法。该微流体混合器由上PDMS层与下PDMS层两部分组成。上PDMS层形成微流体通道底面的复杂微结构，其形状为凸起微脊和凹下微槽，其布局可为任意形式，一般为平行脊(槽)，与流动方向成横向。这些微结构可导致微流体出现混沌流，显著提高混合效果，通过一步刻蚀法得到。该封装方法是上下PDMS层通过凸出柱状微结构粘附阵列，直接接触产生粘附力而封装在一起。凸出柱状微结构形状为多面体或圆柱体；每个柱状微结构通过侧面与另一层的一个或多个柱状微结构的侧面接触；某层的每个柱状微结构的顶部与另一层的底面接触。
文档编号B01J19/00GK101239285SQ20071019061
公开日2008年8月13日 申请日期2007年11月27日 优先权日2007年11月27日
发明者单建华 申请人:安徽工业大学