适合于批量化生产的多层微流体芯片制作方法与流程

本发明涉及微流体芯片领域，具体涉及一种适合于批量化生产的多层微流体芯片制作方法。

背景技术：

随着微流体技术的发展，涌现出了各式各样的微流体芯片，可用于生物医学检测、化学实验、细胞培养、生物微粒分选、纳米线制作、燃料电池、微能源、微光学器件、基于流体的传感器与执行器、微流体物理现象研究等诸多领域。但目前此类微流体芯片多采用实验室手段加工，具有成本高、重复性差等缺点。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种适合于批量化生产的多层微流体芯片制作方法。

为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种适合于批量化生产的多层微流体芯片制作方法，包括以下步骤：提供内部结构层，其中，所述内部结构层包括多层金属板，所述多层金属板上通过刻蚀处理形成微流道结构，所述多层金属板通过热压键合或超声键合组装为一个整体；提供上部透明盖板和下部透明盖板，其中，所述上部透明盖板上设置有流入口和流出口；将所述上部透明盖板、所述内部结构层和所述下部透明盖板胶合封合。

根据本发明实施例的适合于批量化生产的多层微流体芯片制作方法，微流体芯片由多层构成，每层上加工有流道、接口等微结构，通过热压、胶合等手段将各层结构组装为一体。同时，微流体芯片上具有完全通透的区域，能够满足光学观察、光学检测等需求。本方法适合批量生产且成本低。

另外，根据本发明上述实施例的适合于批量化生产的多层微流体芯片制作方法，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，所述多层金属板上通过刻蚀处理形成微流道结构进一步包括：对所述多层金属板上需要进行刻蚀处理的部位周围形成防蚀层；对需要进行刻蚀处理的部位进行刻蚀；刻蚀完成后清除所述防蚀层。

进一步地，所述防蚀层通过丝网印刷、图形电镀、激光刻蚀和光刻图形化的方式形成。

进一步地，所述上部透明盖板和所述下部透明盖板的材料为玻璃、石英、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种。

进一步地，所述提供内部结构层的步骤中还包括：在所述多层金属层中的预设金属层的上下两侧的金属层的指定位置分别形成上开口和下开口；提供与所述上开口和所述下开口形状相匹配的第一透明材料层和第二透明材料层；将所述第一透明材料层和所述第二透明材料层分别嵌入所述上开口和所述下开口中。

进一步地，所述第一透明材料层和所述第二透明材料层的材料为玻璃、石英、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种。

进一步地，当所述上部透明盖板和所述第一透明材料层的材料相同，和/或所述下部透明盖板和所述第二透明材料层的材料相同时，还包括：

将所述第一透明材料层通过热压键合固化到所述上部透明盖板上，和/或将所述第二透明材料层通过热压键合固化到所述下部透明盖板上，以在所述上部透明盖板、所述内部结构层和所述下部透明盖板胶合封合时，将所述第一透明材料层嵌入所述上开口中，和/或将所述第二透明材料层嵌入所述下开口中。

进一步地，所述将所述上部透明盖板、所述内部结构层和所述下部透明盖板胶合封合进一步包括：通过匀胶机在所述上部透明盖板和下部透明盖板上分别旋涂紫外光固化胶，从而在所述上部透明盖板和下部透明盖板上分别形成均匀胶层；在所述均匀胶层进行预固化处理；将所述上部透明盖板、所述内部结构层和所述下部透明盖板对准并压紧；通过紫外光照射完成所述上部透明盖板、所述内部结构层和所述下部透明盖板之间的封合。

进一步地，还包括：在一块预设金属板上图形化多个微流道结构；通过一次刻蚀在所述预设金属板上形成多组所述内部结构层；在第一透明基底加工出多组所述上部透明盖板；在第二透明基底上加工出多组所述下部透明盖板；将所述第一透明基底、所述预设金属板和所述第二透明基底进行胶合后统一切割得到多个所述多层微流体芯片。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明第一实施例中微流体芯片的结构示意图；

图2是本发明第一实施例中微流体芯片的加工流程示意图；

图3是本发明第一实施例中微流体芯片的功能展现示意图；

图4是本发明第二实施例中的微流体芯片的结构示意图；

图5是本发明第二实施例中的透明薄片嵌入至窗口的示意图；

图6是本发明第二实施例中的微流体芯片的功能展现示意图；

图7是本发明第三实施例中的微流体芯片的结构示意图；

图8是本发明实施例的适合于批量化生产的多层微流体芯片制作方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

以下结合附图描述根据本发明。

图8是本发明一个实施例的适合于批量化生产的多层微流体芯片制作方法的流程图。

如图8所示，本发明实施例的适合于批量化生产的多层微流体芯片制作方法，包括以下步骤：

S1：提供内部结构层。其中，内部结构层包括多层金属板，多层金属板上通过刻蚀处理形成微流道结构，多层金属板通过热压键合或超声键合组装为一个整体。其中，金属板的材料为医用级304或316不锈钢、钛合金等，具有良好的抗蚀性能。金属板的厚度在0.01～2mm之间，刻蚀最小线宽可达50μm，刻蚀精度可达±5μm，侧壁垂直度近似90°。

在本发明的一个实施例中，上述多层金属板上通过刻蚀处理形成微流道结构进一步包括：首先对多层金属板上需要进行刻蚀处理的部位周围形成防蚀层，其次对需要进行刻蚀处理的部位进行刻蚀，最后刻蚀完成后清除防蚀层。在本发明的一个实施例中，防蚀层通过丝网印刷、图形电镀、激光刻蚀和光刻图形化的方式形成。

具体地，对刻蚀金属板的过程包括清洁处理、防蚀处理、刻蚀和去除防蚀层。其中，清洁处理通过使用有机溶剂、酸碱化学溶剂、超声清洗、电解清洁等手段处理金属板的表面，使其表面无污物，为后续加工提供特性均一的基底材料。防蚀处理通过丝网印刷、图形电镀、激光刻蚀、照相化学等防刻蚀技术在金属板的表面图形化出防刻蚀材料，将需要刻蚀的部位露出、不需要刻蚀的部位覆盖上防刻蚀材料。刻蚀包括干法刻蚀和湿法刻蚀，采用湿法刻蚀时，将图形化后的金属板放入刻蚀溶液中，通过控制刻蚀剂浓度、温度和时间实现最佳的刻蚀效果，在金属板上刻蚀出通透的微流道结构。去除防蚀层的过程为通过溶解剂清除金属板表面的防蚀层。

在本发明的一个实施例中，提供内部结构层的步骤中还包括：

在多层金属层中的预设金属层的上下两侧的金属层的指定位置分别形成上开口和下开口；提供与上开口和下开口形状相匹配的第一透明材料层和第二透明材料层；将第一透明材料层和第二透明材料层分别嵌入上开口和下开口中。

具体地，微流体芯片的内部结构由多层构成时，其需要进行光学检测的微流道多位于中间的一层。因而若对中间层微流道进行光学检测，必然需要将该部位上下的不透明的金属层替换为透明材料。可加工适当大小的第一透明材料层和第二透明材料层嵌入到相应的金属层中，并用紫外光固化(Ultraviolet Rays，UV)胶将其与金属层封合。

在本发明的一个实施例中，第一透明材料层和第二透明材料层的材料为玻璃、石英、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种。

在本发明的一个实施例中，当上部透明盖板和第一透明材料层的材料相同，和/或下部透明盖板和第二透明材料层的材料相同时，还包括：

将第一透明材料层通过热压键合固化到上部透明盖板上，和/或将第二透明材料层通过热压键合固化到下部透明盖板上，以在上部透明盖板、内部结构层和下部透明盖板胶合封合时，将第一透明材料层嵌入上开口中，和/或将第二透明材料层嵌入下开口中。

在本发明的一个实施例中，上述将上部透明盖板、内部结构层和下部透明盖板胶合封合进一步包括：

首先通过匀胶机在上部透明盖板和下部透明盖板上分别旋涂紫外光固化胶，从而在上部透明盖板和下部透明盖板上分别形成均匀胶层，其次在均匀胶层进行预固化处理，再次将上部透明盖板、内部结构层和下部透明盖板对准并压紧，最后通过紫外光照射完成上部透明盖板、内部结构层和下部透明盖板之间的封合。

具体地，在上部透明盖板和下部透明盖板上旋涂UV胶，通过控制匀胶机的转速(数百至数千转每分钟)，在部透明盖板和下部透明盖板上形成数百纳米至数微米厚的均匀胶层。对胶层进行预固化，而后将外部透明盖板和内部结构对准并压紧，再用紫外光照射完成内外结构的封合。压紧时可采用一块厚的石英玻璃，若压力不够还可通过压力机在石英玻璃上外加压力。采用一块厚的石英玻璃主要是考虑到其对紫外光良好的透过性，并能够提供均匀的压力分布。

S2：提供上部透明盖板和下部透明盖板，其中，上部透明盖板上设置有流入口和流出口。

具体地，上部透明盖板和下部透明盖板为内部结构层提供接口、保护和光学检测的功能。通过机加工或激光切割的手段在上部透明盖板和下部透明盖板上加工出通孔，以与内部结构层中的微流道相连，从而作为微流体芯片的流入或流出接口。

在本发明的一个实施例中，上部透明盖板和下部透明盖板的材料为玻璃、石英、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种。

S3：将上部透明盖板、内部结构层和下部透明盖板胶合封合。

需要说明的是：本发明实施例的步骤S1和步骤S2之间不限定先后关系，仅需保证步骤S1和步骤S2均在步骤S3之前即可。

在本发明的一个实施例中，本发明实施例额适合于批量化生产的多层微流体芯片制作方法还包括：

在一块预设金属板上图形化多个微流道结构；

通过一次刻蚀在所述预设金属板上形成多组内部结构层；

在第一透明基底加工出多组上部透明盖板；

在第二透明基底上加工出多组下部透明盖板；

将第一透明基底、预设金属板和第二透明基底进行胶合后统一切割得到多个多层微流体芯片。

为使本领域技术人员进一步理解本发明，将通过以下实施例进行详细说明。

第一实施例

图1是本发明第一实施例中微流体芯片的结构示意图。如图2所示，本实施例以一种具有一维聚焦功能的微流体芯片1为例，该微流体芯片的内部为单层微流道结构12，上下各有一层透明盖板11和13，叙述如何加工该芯片。

图2是本发明第一实施例中微流体芯片的加工流程示意图。如图2所示，首先，依据微流体芯片的大小裁剪出合适的板材，本实施例取4cm×6cm的150μm厚的医用级316不锈钢薄片21。对不锈钢薄片清洗，使其具有一个清洁的表面，能够与防蚀层221结合牢固。将待加工的微流道结构图形转移到掩膜版上231，采用光绘菲林片作为掩膜版时，其加工精度可达±5μm；若需要提高加工精度，可采用铬版作为掩膜版，其加工精度可达微米至亚微米级。涂胶22，在不锈钢片的正反面涂覆光刻胶作为抗蚀层221，一般采用感光抗蚀干膜。对准掩膜版23，将两片掩膜版对齐并贴附在抗蚀层的外表面，经过曝光24和显影25后将掩膜版上的图形转移到抗蚀层上。湿法刻蚀金属薄板26，采用HNO₃和H₂SO₄的混酸作为腐蚀剂，控制温度60～70℃，刻蚀5～15分钟，直至在不锈钢薄片上刻蚀出通透的微流道结构121。最后，清除金属薄板表面的防蚀层27。至此，完成内部微流道结构121的加工，得到微流道结构层12。

图3是本发明第一实施例中微流体芯片的功能展现示意图。如图3所示，外部透明盖板11和13可采用玻璃、石英、PC、PMMA等透明材质。加工两个1mm厚的透明盖板11和13。第一块盖板11上通过机加工或激光切割的手段在透明盖板上加工出过孔1111～1114，与内部结构中的微流道相连，以作为微流体芯片的流入或流出接口。两块盖板和中间金属层上还有一些用于安装用的通孔112、122和131。利用匀胶机在两块透明盖板上各旋涂一层数微米厚的UV胶281与282，匀胶机转速4000～5000rpm。将胶层在紫外灯下照射10～15s，降低胶层的流动性。然后将两块盖板和微流道结构对齐并压紧，上下可各用一块2cm厚的石英玻璃板压住微流体芯片，如果压力不够可通过压力机外加压力。之后，将微流体芯片放在紫外灯下照射10～15min，使中间的微流道结构12和外部的两块盖板形11与13成为一个整体1。

将微流体芯片1的输入接口1112与泵32相连，注入样本流34；接口1111和1113与泵32相连，注入鞘液流33；接口1114与废液瓶36相连。注入液体，观察直流道37的截面35，则样本流34被鞘液流33聚焦在流道的水平中心位置，实现一维聚焦功能。

第二实施例

图4是本发明第二实施例中的微流体芯片的结构示意图。如图4所示，本实施例以一种具有二维聚焦功能的微流体芯片4为例，该微流体芯片的内部为三层微流道结构42、43和44，上下各有一层透明盖板41和45，内部还嵌有两块用于观察最内层流道43的透明薄片46和47，叙述如何加工该芯片。

采用金属刻蚀的方法加工出三层微流道结构42、43和44，每层为4cm×6cm的150μm厚的医用级316不锈钢薄片。内部的三层微流道结构通过真空热压焊结的方法组合为一个整体48。加工两个1mm厚的透明盖板41和45。

对于该微流体芯片，位于中间层的直微流道431为需要光学检测的区域。因而该区域上下层的金属薄层进行了开上窗421和下窗441。加工两个与窗口相等大小、与金属薄层等厚度的透明薄片46和47，将透明薄片嵌入至窗口之中。有两种嵌入的方式。图5是本发明第二实施例中的透明薄片嵌入至窗口的示意图。如图5(A)所示，将透明薄片旋涂一层数微米厚的UV胶，而后嵌入至窗口中并采用紫外光使其与金属层封合，防止漏液。如图5(B)所示，当透明薄片和外部透明盖板的材质相同时，可将透明薄片46和47直接热压键合在透明盖板41和46上(例如，选用Borofloat33玻璃，将透明薄片和透明盖板定位后，抽真空至1e-2bars持续2.5分钟，使两者在范德华力的作用下吸附在一起，之后600℃高温下加热6小时)，形成新的透明盖板521和522，而后待新的透明盖板与微流道结构封合时直接嵌入到窗口之中。最后，通过UV胶合的手段将透明盖板和微流道结构封合为整体，加工出完整的微流体芯片4。

图6是本发明第二实施例中的微流体芯片的功能展现示意图。如图6所示，将微流体芯片4的输入接口62与泵64相连，注入样本流66；接口61和63与泵65相连，注入鞘液流67；接口68与废液瓶69相连。注入液体，观察直流道431的截面60，则样本流66被鞘液流67聚焦在流道的中心位置，实现二维聚焦功能。

第三实施例

图7是本发明第三实施例中的微流体芯片的结构示意图。如图7所示，本实施例以批量化加工具有二维聚焦功能的微流体芯片为例，可单次加工100个，叙述如何加工该芯片。

本实施例取40cm×60cm的150μm厚的医用级316不锈钢薄片。在40cm×60cm的光绘菲林片上图形化100个相同的微流道图形。通过金属刻蚀的方法，在3片不锈钢薄片上加工出微流道结构的三层结构72、73和74，每层上各有100个重复图形。之后将三层不锈钢薄片热压为一个整体77，并在最外两层的窗口中各嵌入100片透明薄片76。相应地，在2个40cm×60cm的透明板71和75上各加工出100个重复的盖板结构。通过UV胶合的手段，将透明板封接在三层不锈钢结构的外层，形成一个五层板结构78。之后通过激光切割或机械切割的手段，从五层板结构中切割出100个功能相同的微流体芯片79。实际操作中，还可以进一步扩大阵列数目，如一次加工500个微流体芯片。

另外，本发明实施例的适合于批量化生产的多层微流体芯片制作方法的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。