一种基于PMMA材料的内嵌三维流道式微流控芯片及制作方法与流程

本发明属于微流控领域，具体涉及多层的内嵌三维流道式微流控芯片及制作方法。

背景技术：

自20世纪90年代以来，以微流控芯片为基础的微流控技术已经发展成当前世界上最前沿的科技领域之一，由于可在较小体积下完成混合及反应，试剂用量小、反应效率高、制备效果好，受到各国学者的广泛关注。虽然国内外对于微流控芯片的研究呈现蓬勃发展的趋势，但是由于三维流道的微流控芯片加工困难，成本较高，大多数研究都是集中在二维流道微流控芯片，然而使用二维流道的微流控芯片溶液只能进行X、Y两个方向运动，从而导致溶液混合均匀度较低，且混合率较低等问题。

微流控芯片主要有主动式和被动式两种，其中被动式微流控芯片要通过复杂的内部结构来实现溶液混合，一般需要在流道中加设沟槽、弯角等二维或者三维结构来强化混合效果，存在流道长、体积大，反应过程不可控制等问题。主动式微流控芯片则依靠微搅拌、压力扰动、声波扰动、电磁扰动等外部能量作用于反应过程。相对于被动式微流控芯片，主动式微流控芯片流道结构简单、混合及反应效果好，是目前构造微流控芯片的主要方法之一,但是主动内嵌三维流道式微流控芯片难以加工。

目前对于微流控芯片的流道加工方法主要集中在模塑法加工微管道、热压法、激光烧蚀法、软光刻、塑料微成型法等，虽然这些加工方法对于加工复杂的二维流道有很好的效果，但是不能加工三维流道。

随着3D打印技术迅猛发展，在三维流道微流控芯片的制作上也可采用3D打印技术，但是3D打印目前具有很多的局限性。例如，加工的芯片不能达到很高的强度和精度、芯片材料的使用受限、芯片的透明性差等方面。

鉴于当前二维流道微流控芯片所存在的问题和三维流道微流控芯片制作的局限性，本发明提出一种采用微片层处理方法制作内嵌式空间立体三维流道，该三维流道采用了微片层处理方法、有机溶剂和温压耦合相结合的制作方法，完成内嵌三维流道式微流控芯片的加工，解决了传统二维流道微流控芯片的低混合效率，和使用3D打印技术加工三维流道微流控芯片的强度、精度和透明度不够等问题。而且本发明提出的一种基于PMMA材料的内嵌三维流道式微流控芯片，采用片层化处理的方法，不仅在微流控芯片中加入驱动源，而且也可以实现溶液在微流控芯片内部实现X、Y、Z三个方向上运动，使得混合及反应更加充分。其中凡是体积小、结构简单、易于集成的驱动源都可以，例如压电驱动微泵、静电驱动微泵、机械驱动式微泵等。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于PMMA材料的内嵌三维流道式微流控芯片及制作方法，以解决现有内嵌三维流道式微流控芯片加工困难、成本较高，二维流道微流控芯片的混合率和混合均匀度较低的问题。

本发明所述的基于PMMA材料的内嵌三维流道式微流控芯片,该微流控芯片由数个片层、驱动源和定位销构成，数个片层从上至下依次叠加形成三维流道，然后用定位销将各个片层固定成一个整体；

本发明所述的基于PMMA材料的内嵌三维流道式微流控芯片，可以在微流控芯片内部制造出复杂程度高、多层的曲面三维流道或其他形状内嵌式三维流道；

本发明所述的基于PMMA材料的内嵌三维流道式微流控芯片，微流控芯片具有驱动源，其中凡是体积小、结构简单、易于集成的驱动源都可以，例如压电泵驱动微泵、静电驱动微泵、机械驱动式微泵等。

本发明所述的基于PMMA材料的内嵌三维流道式微流控芯片，在有驱动源的情况下，溶液可以在微流控芯片内部形成湍流，并且可实现在X、Y、Z三个方向上的运动。

按照本发明提供的技术方案，一种基于PMMA材料的内嵌三维流道式微流控芯片的制作方法，包括下述步骤：

1)将三维流道片层化处理：将三维流道分成多层，并在各个片层中设计定位孔；

2)有机溶剂的添加与温压耦合处理：在各个片层之间均匀涂抹一定量的有机溶剂，并且安装定位销，将安装好定位销的内嵌三维流道式微流控芯片置于温箱中，当温度达到一定范围，施加相应的压力；

步骤1)中将用三维软件绘制的带有三维流道的微流控芯片分割成多层后，再根据各片层的具体特征用带有不同刀具的加工机加工出各片层实体；

步骤2)中在保证PMMA表面材料微溶于片层间涂抹的有机溶液的条件下，加工片层所添加的有机溶剂可以为不同的有机溶剂；

步骤2)中安装好定位销的三维流道微流控芯片应立即放入温控箱中，在温压耦合和有机溶液的作用下三维流道微流控芯片重新键合完成三维流道的加工；

步骤2)中在一定范围内采用温压互相补偿也可完成复杂三维流道的加工，其中温压补偿是：加工时若温度高，则使用低压力，若压力高，则使用低温度。

附图说明

图1、2、3为本发明侧面的等轴测视图。

图4为本发明结构爆炸图的等轴测视图。

图5为本发明去除驱动源的结构爆炸图。

图6-1、6-2、6-3、6-4、6-5、6-6、6-7分别为片层1到片层7的正视图。

具体实施方式

本发明实施例的具体结构：

参照图(1)、图(2)、图(3)、图(4)、图(5)、图(6)，本发明所述的基于PMMA材料的内嵌三维流道式微流控芯片由有阀压电微泵A(18)、有阀压电微泵B(16)、溶液入口Z向流道(17)(1701)、Y型溶液混合口(405)(406)、溶液出口(10)、片层1(1)、片层2(2)、片层3(3)、片层4(4)、片层5(5)、片层6(6)、片层7(7)、定位销(8)(801)(802)(803)组成。其中有阀压电微泵B(16)由压电振子(1601)(1605)、悬臂梁阀片(1602)(1603)(1604)组成，有阀压电泵A(18)由压电振子(1801)(1805)、悬臂梁阀片(1802)(1803)(1804)组成。

参照图(1)、图(2)、图(3)、图(4)、图(5)、图(6)，以混合两种溶液(溶液A和溶液B)，驱动源为有阀双腔串联压电泵为例来说明本发明。A溶液经过溶液入口Z向入口通道一(1701)、下部入口通道(602)、在有阀压电微泵A(18)下腔压电振子(1805)和悬臂梁阀片(1804)的作用下，溶液通过Z向入口通道二(1901)到达有阀压电微泵A(18)上腔，在有阀压电微泵A(18)上腔压电振子(1801)和悬臂梁阀(1802)、(1803)的作用下溶液通过Z向流道入口三(2001)流向Y型流道(405)进入内嵌式三维流道；同时B溶液经过溶液入口Z向流道四(17)，下部入口通道一(601)、在有阀压电微泵B(16)下腔压电振子(1605)和悬臂梁阀片(1604)的作用下，溶液通过Z向入口通道五(19)到达有阀压电微泵B(16)上腔，在有阀压电微泵B(16)上腔压电振子(1601)和悬臂梁阀(1602)、(1603)的作用下溶液通过Z向流道入口六(20)流向Y型流道(406)与A溶液交汇进入三维流道进行混合。混合溶液在内嵌式三维流道中运动方向依次是，混合溶液经过X方向流道(1201)，Z向流道(1305)，Y方向流道(15)，Z向流道(1401)，Y方向流道(902)，Z方向流道(14)，Y方向流道(1102)，Z向流道(1304)，X方向流道(1202)，Z向流道(13)，Y方向流道(1502)，Z向流道(1402)，Y方向流道(901)，Z方向流道(1405)，Y方向流道(1101)，Z向流道(1303)，X方向流道(12)，Z向流道(1302)，Y方向流道(1501)，Z向流道(1403)，Y方向流道(9)，Z方向流道(1404)，Y方向流道(11)，Z向流道(1301)，最后经过X方向流道(1203)，完成A、B溶液的混合，完成混合后混合溶液从混合溶液出口(10)流出。其中Z向入口通道一(1701)是由(102)、(202)、(302)、(402)、(502)构成，Z向入口通道二(1901)是由(103)、(203)、(303)、(403)、(503)、(603)、(701)共同构成，Z向入口通道三(2001)是由(105)、(206)、(306)共同构成，Z向流道四(17)是由(101)、(201)、(301)、(401)、(501)共同构成，Z向流道五(19)是由(104)、(204)、(304)、(404)、(504)、(604)、(702)共同构成，Z向流道六(20)是由(106)、(205)、(305)共同构成。在三维流道中，Z向流道(1401)是由(307)、(407)、(505)共同构成，Z向流道(14)是由(312)、(412)、(510)共同构成，Z向流道(1402)是由(308)、(408)、(506)共同构成，Z向流道(1405)是由(311)、(411)、(509)共同构成，Z向流道(1403)是由(309)、(409)、(507)共同构成，Z向流道(1404)是由(310)、(410)、(508)共同构成。

本发明实施例的具体制作方法：

本发明所述的基于PMMA材料的内嵌三维流道式微流控芯片，将用三维软件绘制的带有三维流道的微流控芯片分割成多层后见例图(1)，再根据各片层的具体特征用加工机加工出各片层实体见例图(5)，依次在各个片层上面均匀涂抹有机溶剂例如酒精或者其它无毒有机溶剂，将其依次叠加到一起，然后用定位销(8)、(801)、(802)、(803)将其固定。内嵌三维流道式微流控芯片进行片层化加工时可以根据微流控芯片内部三维流道的复杂程度，采用不同种类的加工机对片层化处理后的微流控芯片的片层进行加工。

将安装好定位销的微流控芯片参照图(1)立即放入温控箱中，在温压耦合和有机溶剂的作用下使内嵌三维流道式微流控芯片各个片层重新键合，完成内嵌三维流道式微流控芯片的加工。在温压耦合的过程中，并不是对温度和压力的范围都进行特定的限制才能完成内嵌式三维流道的加工，而是在一定范围内采用温压补偿也可完成复杂三维流道的加工，其中温压补偿是：加工时若温度高，则使用低压力，若压力高，则使用低温度。