一种柔性主动式微混合器件集成系统及制备方法与流程

本发明涉及微机电系统技术领域，具体而言，涉及一种柔性主动式微混合器件集成系统及制备方法，包括柔性主动式微混合器件、基于柔性主动式微混合器件的微混合系统以及制备方法。

背景技术：

微机电系统技术(micro-electro-mechanicalsystem，mems)代表着一种新的制造技术和新型的器件与产品。mems技术学科交叉性强，应用非常广泛。mems器件具有微型化、集成化和智能化的特点。微混合器作为微机电系统的一个分支，微流体混合器有着集成化和大批量生产的特点，同时由于尺寸的缩小，可减小降低流动系统中的能耗和试剂及试样用量，而且响应速度快，精确度高，因此在化学分析、生物及化学传感、分子分离、核酸测序及分析、环境监测等领域有着广泛的应用前景。微量流体控制与相关的微流体运动及混合技术的研究一直是mems研究的一个重点。微混合器的作用主要是为了促进分子之间的相对运动，加强相互作用效果，从而提高反应效率。样品之间的充分混合是样品检测的基础，提高微混合器的混合效率，不仅能减少样品用量，而且对样品检测结果也会产生积极的影响。

为了增强微混合器的混合效果，根据是否需要提供外部能量设计了被动式微混合器和主动式微混合器。被动式混合是通过设计微通道或者微腔体的各种结构，进而改变通道内流体的流动状态，使流体产生自我扰动与相互交叉穿透，从而减小溶液的混合距离和增加流体间接触面积。主动式微混合器是依靠电场，磁场，机械搅拌等外部能量扰动腔体或者通道内的流体流动，使其中流体发生紊乱，改善混合效果。被动微混合器主要依靠改变混合器中微型管道的几何形状等方法来增强微流体的分子扩散和对流，从而增加微流体的有效接触，提高液体的混合效率。因此一般的被动微混合器的形状比较复杂，增加了加工的难度。而目前主动微混合器存在的问题主要有：要么对混合的液体有要求，必须是可导电的或可极化的；要么要求混合器有内部可动件(如微泵或微阀)，或者有嵌入式功率电路，这使得其应用领域受到很大的限制。

微混合器件在实验研究中，经常需要精确的温度控制。温度控制可由微加热器或者微传感器实现。通常，微混合器件的加热器制作在玻璃基板上，并由pdms微流控通道组装而成。但这样无法实现微混合器的柔性集成。还有研究将导电材料(如炭黑粉末或银纳米线等)与pdms预聚体混合，从而产生出导电的pdms。但是这种方法会对pdms产生不可避免的化学污染。针对上述问题，有必要研究一种新型的微混合器件来解决这些问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种柔性主动式微混合器件集成系统及制备方法，其能够适用于固体-液体混合，液体-液体混合，气体-液体混合以及气体-固体混合等，具有混合效率高，无污染的优点，其易于与其他柔性器件集成，力学性能好，混合效果好。

本发明的实施例是这样实现的：

一种柔性主动式微混合器件，其包括微流道腔体、保护层、微型加热器和微型温度传感器、磁性体、柔性基底，微流道腔体为柔性材料制成的带有内部流道的腔体，且微流道腔体两端通过内部流道连通，柔性基底由柔性材料制成，柔性基底的顶部嵌入集成有微型加热器和微型温度传感器，嵌入后覆有保护层，微流道腔体连接至柔性基底的顶部，使得微型加热器和微型温度传感器分别对内部流道进行加热和监测，磁性体嵌入式集成在柔性基底的底部，以在磁场的激励下产生高频率微振动而带动柔性基底振动，从而将位于微流道腔体的内部流道中的流体混合；保护层、微型加热器和微型温度传感器、磁性体和柔性基底整体组合为柔性主动式微混合器件的柔性衬底。

在本发明较佳的实施例中，上述磁性体为条状、块状、片状，或由多个微颗粒组成。

在本发明较佳的实施例中，上述多个微颗粒间隔地嵌入集成在柔性基底中并固定，多个微颗粒取得定向磁极。

在本发明较佳的实施例中，上述磁性体由磁性材料制成，磁性材料包括但不限于铝镍钴、钐钴或钕铁硼。

在本发明较佳的实施例中，上述柔性基底和微流道腔体分别由固化后为柔性材质的聚合物制成。

在本发明较佳的实施例中，上述微流道腔体和柔性衬底之间的连接为键合连接方式，键合连接方式包括但不限于紫外线或氧等离子体处理直接键合。

在本发明较佳的实施例中，上述微型加热器采用的电极材料包括但不限于金、银或铂。

柔性主动式微混合器件构成的集成微系统，集成微系统包括柔性主动式微混合器件、外部磁场和流体，外部磁场作用于柔性衬底中的磁性体，流体在柔性衬底的作用下产生高频微振动，流体包括单相流体和多相流体，多相流体包括固-液、气-液、气-固或气-液-固系统。

柔性主动式微混合器件的制备方法，其包括以下步骤：

s1、加工微流道腔体的模具；

s2、制作微流道腔体：配置pdms预聚体溶液，通过倒模的方法将pdms预聚体溶液倒入s1步骤加工的模具内，固化后脱模获得样品a；

s3、将磁性体集成至柔性基底中：配置pdms预聚体溶液，在柔性基底的底部旋涂pdms预聚体溶液，然后将磁性体放置在旋涂有pdms预聚体溶液的柔性基底底部表面，并在其表面滴加0.1-1mlpdms，将其固化后，获得集成有磁性体的柔性基底；

s4、在柔性基底上集成微型加热器和微型温度传感器：在柔性基底的顶部直接通过光刻和剥离工艺加工获得微型加热器和微型温度传感器，也可先在刚性材料表面加工获得微型加热器和微型温度传感器，再通过转移的工艺集成在柔性基底的顶部，之后在微型加热器和微型温度传感器上高转速旋涂pdms预聚体，形成微型加热器和微型温度传感器的保护层，并加热固化，获得超薄pdms以保护微型加热器和微型温度传感器不接触待反应的物质，避免污染；

s5、键合得到集成器件：通过s4得到的集成有磁性体、微型加热器和微型温度传感器的柔性基底作为样品b，将样品a连接至与样品b的顶部进行键合，得到柔性主动式微混合器件；

以上s3中的磁性体集成、s4中的微型加热器和微型温度传感器的集成，顺序可互换。

在本发明较佳的实施例中，上述s3中使用的柔性基底的材料包括但不限于半导体材料，半导体材料包括但不限于锗、砷化镓、磷化镓、氮化镓、锑化铟、硫化镉、硫化锌、镓铝砷或镓砷磷。

本发明的有益效果是：

本发明通过将运动着的外部磁场对柔性衬底的底部的磁性体施加作用力，同时利用该柔性衬底对磁性体施加反作用力，进而引起该微混合器件的衬底做高频率微振动，从而使得该微流道腔体中的微流体混合，集成微系统中的微型加热器提供混合以及反应、分离所需要的温度，微型温度传感器负责检测腔体内部的温度，同时，本申请的制备方法具有柔性好、可调控力学性能、集成度高、成本低、工艺简单、以及生物相容性好等优点，所用的材料均可通过商业途径购买或者实验室制得，且成本低廉，适合规模化生产，具有很强的实用价值和广阔的应用前景，值得在业内推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。

图1为本发明柔性主动式微混合器件的示意图；

图标：1-微流道腔体；2-保护层；3-微型加热器和微型温度传感器；4-磁性体；5-柔性基底。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和表示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

第一实施例

请参照图1，本实施例提供一种柔性主动式微混合器件、基于柔性主动式微混合器件的微混合系统，以及制备方法，其中柔性主动式微混合器件包括微流道腔体1、微型加热器和微型温度传感器的保护层2、微型加热器和微型温度传感器3、磁性体4及其柔性基底5，其中，微流道腔体1为柔性材料制成的带有内部流道的腔体，且微流道腔体1两端通过内部流道连通，保护层2由柔性材料制成，微型加热器和微型温度传感器3集成于柔性基底5且位于内部流道的底部，磁性体4嵌入集成在柔性基底5的底部，保护层2、微型加热器和微型温度传感器3、磁性体4与柔性基底5组合为一体并共同作为整个器件的柔性衬底，微流道腔体1与柔性衬底键合在一起，且连接后微流道腔体1的内部流道中混入流体以进行混合；本实施例通过微型加热器和微型温度传感器3分别对内部流道进行加热和监测，微型加热器为微流道腔体1的内部流道中的流体混合或反应提供所需的温度，并通过微型温度传感器实时监测，在磁场的激励下，磁性体4产生周期性的高频率微振动，在磁性体4的带动下，器件的柔性衬底会随着磁场的运动进行周期性运动，从而将位于微流道腔体1的内部流道中的流体混合。

本实施例的柔性材料采用pdms，微流道腔体1和保护层2以及柔性基底5分别由pdms溶液固化而成，微型加热器和微型温度传感器3分别嵌入集成在柔性基底5的顶部且被保护层2覆盖，其中，微型加热器和微型温度传感器3都是现有技术，本实施例的微型加热器和微型温度传感器3通过金膜光刻和蚀刻获得，微型加热器和微型温度传感器3是通过下文的制备方法一起作出的，两者尺寸不同，微型加热器采用的电极材料包括但不限于金、银或铂；进一步地，电极的厚度不限于100nm，可根据具体工作需求决定，获得电极图案的方法不限于光刻，也可以是通过其他方法获得，微型温度传感器在使用前，先对其进行校准，得到测温曲线，然后通过微型温度传感器测微型加热器的温度；微型加热器和微型温度传感器3位于保护层2顶部表面与内部流道接触处，微型加热器和微型温度传感器3集成在柔性基底5的顶部后，在其上覆盖一层超薄的保护层2，同时，柔性基底5的底部嵌入集成磁性体4，磁性体4为条状、块状、片状，或由多个微颗粒组成，磁性体4的尺寸与柔性基底5的厚度有关，本实施例采用多个微颗粒间隔地嵌入集成在柔性基底5中并固定，多个微颗粒取得定向磁极，磁性体4由磁性材料制成，磁性材料包括但不限于铝镍钴、钐钴或钕铁硼，本实施例的磁性体4采用铝镍钴；微流道腔体1连接至保护层2的顶部，连接后，内部流道位于微流道腔体1的底部和保护层2之间，微流道腔体1和保护层2之间的连接为键合连接，键合连接方式包括但不限于紫外线处理pdms直接键合。

柔性主动式微混合器件为集成微系统的组成部分，集成微系统包括柔性主动式微混合器件、外部磁场和流体，外部磁场为运动状态的磁场，外部磁场由产生磁场的器件提供，外部磁场作用于柔性衬底中的磁性体4，流体在柔性衬底的作用下产生高频微振动，进一步地，外部磁场为运动状态的磁场，流体包括单相流体和多相流体，单相流体的混合包括不同成分的流体混合，多相流体包括固-液、气-液、气-固或气-液-固系统。

柔性主动式微混合器件的制备方法，其包括以下步骤：

s1、加工微流道腔体1的模具，加工模具的目的为制造带有内部流道的样品，模具带有贯穿两端的条状体或片状体，以倒入pdms预聚体溶液固化后获得内部流道；基底材料包括但不限于半导体材料和玻璃，半导体材料包括但不限于锗、砷化镓、磷化镓、氮化镓、锑化铟、硫化镉、硫化锌、镓铝砷或镓砷磷，本实施例采用的柔性基底的材料为硅，柔性基底材料表面可能存在表面有机物以及杂质，为了防止有机物或者杂质对集成电极产生影响，因而在集成电极前对柔性基底进行清洗预处理；首先制备硅片两块，用丙酮、乙醇、去离子水、超纯水分别洗涤硅片，用鼓风机吹去硅片表面的水，烘干5min，在其中一硅片上旋涂一层厚度为500μm的su-8100型负胶，前烘使光刻胶固化，随后曝光，并用显影液洗出模具。

s2、制作微流道腔体1：配置pdms预聚体溶液，通过倒模的方法将pdms预聚体溶液倒入s1步骤加工的模具内，固化后脱模获得样品a；将pdms预聚体除气泡处理后，浇铸在含模具表面，烘箱内60℃，烘3h固化；固化后，将pdms从模具上揭下；由此，pdms腔体制作完成，获得样品a，在样品a上打出所需要的进液口与出液口。

s3、制作微型加热器和微型温度传感器3：将另一片未用过的硅片在真空环境中旋涂200μl三甲氧基硅烷(mptms)溶液，在mptms上镀覆金膜，厚度为100nm，选取电极图案在金膜上进行正胶光刻，用金刻蚀液刻蚀金，会在其上形成残留光刻胶的金电极图案，将具有金图案和光刻胶的衬底在全氟癸基三氯硅烷(fdts)溶液中浸泡5min，用丙酮浸泡整体5min，去除光刻胶用mptms与乙醇的混合溶液将整体浸泡4h，用pdms预聚体旋涂在金电极样品上，随后在室温下放置3h待其固化，将金电极与固化后的pdms一起剥离，制成集成有微型加热器和微型温度传感器3的柔性基底5。

s4、配置pdms预聚体溶液，将磁性体4集成至柔性基底5的底部，在硅片上旋涂pdms预聚体溶液放上s3中得到的样品，在以上s3中的柔性基底5没有金电极的那一面旋涂一层薄的pdms后，将条形铝钴镍磁性体4放上去，并在磁性体4表面滴0.1-1mlpdms，放入烘箱中待pdms固化，温度为60℃，时间为3h，完成后，剥离获得集成有磁性体4的柔性基底5，其中旋涂的薄pdms为保护层2，保护层2、微型加热器和微型温度传感器3、磁性体4和柔性基底5组合为柔性衬底，即获得样品b。

s5、键合得到集成器件：将样品a连接至与样品b的顶部进行键合，得到集成有微型加热器和微型温度传感器3和磁性体4的柔性主动式微混合器件；将样品a中有内部流道的底面与样品b中金电极的那一面贴合，用紫外线(uv)照射使其键合。

其中，以上所用pdms的步骤中，pdms/固化剂的浓度均为10:1，旋涂pdms的速度为500rpm，旋涂时间为10s，温度为60℃。

第二实施例

本实施例与第一实施例相比较，除了制作金电极与放置磁性体4的顺序不同，其余操作均相同，本实施例中不同之处的步骤为：

s3、在另一片未用过的硅片在真空环境中旋涂一层pdms预聚体溶液后，在其上放置一个条形铝钴镍磁性体4，随后在磁性体4附近滴少量pdms预聚体溶液，在加热板上固化。而在无磁性体4的那一面的pdms预聚体上制备集成金电极，制备方法与第一实施例中制备金电极的方法完全相同。

第三实施例

本实施例与第一实施例相比较，除了步骤s4中添加磁性体4的方法不同，其余操作均相同，本实施例中不同之处的步骤为：

s4、制备磁性体4微颗粒与pdms预聚体的混合溶液，多个微颗粒间隔分布并取得定向磁极，旋涂至无金电极的pdms预聚体溶液那一面上并在60℃固化。

第四实施例

本实施例与第一实施例相比较，除了步骤s4中磁性体4的材料不同，其余操作均相同，本实施例中不同之处的步骤为：

s4、在没有金电极的那一面旋涂一层薄的pdms预聚体溶液后，将条形钕铁硼磁铁放上去，再在该磁铁上滴上未固化的pdms预聚体溶液。

第五实施例

本实施例与第一实施例相比较，除了步骤s5中键合的方法不同，其余操作均相同，本实施例中不同之处的步骤为：

s5、将样品a中具有内部流道的那一面与样品b中有金电极的那一面涂上su-8光刻胶并贴合，用氧等离子体处理使其键合。

综上所述，本发明实例通过将运动着的外部磁场对柔性衬底的底部的磁性体施加作用力，同时利用该柔性衬底的pdms对磁性体施加反作用力，进而引起该微混合器件的高频率微振动，从而使得该微流道腔体的微流体微混合，集成微系统中的集成微型加热器提供混合以及反应、分离所需要的温度，微型温度传感器负责检测腔体内部的温度，同时，本申请的制备方法具有柔性好、可调控力学性能、集成度高、成本低、工艺简单、以及生物相容性好等优点，所用的材料均可通过商业途径购买或者实验室制得，且成本低廉，适合规模化生产，具有很强的实用价值和广阔的应用前景，值得在业内推广。

本说明书描述了本发明的实施例的示例，并不意味着这些实施例说明并描述了本发明的所有可能形式。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。