专利名称：一种pdms微流控芯片中通孔结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种PDMS微流控芯片中通孔结构的制作方法，可应用于芯 片实验室。
背景技术：
近年来，微流控芯片作为一种新的技术平台，在生物和化学领域受到广 泛关注，是当前发展最活跃的领域之一。制作微流控芯片的材料主要有硅片、 玻璃、石英和高分子聚合物等。其中聚二甲基硅氧烷(polydimethyl siloxane， PDMS)以其加工成形方便、价格便宜、耐用且化学惰性、生物相容性好等 优点，在微流控芯片的加工制作中得到广泛应用。在PDMS微流控芯片的制 作过程中，形成通孔结构用于PDMS微流控芯片与外界连接或连通不同结构 层的微管道和微腔体具有重要意义。目前在PDMS微流控芯片上制作通孔的 方法通常是采用基于金属针管的打孔器，目测对准待通孔位置，然后利用压 力切除相应位置PDMS，从而形成通孔结构[Li S. and Chen S. Polydimethylsioxane fluidic interconnects for microfluidic systems. IEEE Transactions On Advanced Packaging, 2003, 26:242-247.]。该方法虽然简单快 捷，但是由于PDMS材料具有较大的弹性，打孔过程中往往容易因PDMS 变形导致打孔位置偏移，从而损坏微流控芯片结构；另外，打孔时施力不均 也容易导致形成通孔形状不规则，从而影响微流控芯片的应用。因此，开发 简捷、定位准确且形状规整的通孔制作技术是PDMS微流控芯片应用发展和 推广的关键问题之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种PDMS微流控芯片中通孔结构的制作方法，以 实现PDMS微流控芯片不同结构层或PDMS微流控芯片与外界的有效、可
4靠互连。
本发明提供的PDMS微流控芯片中通孔结构的制作方法，其特征在于 利用磁性力的辅助，将微柱或微管固定于芯片模具上拟制作通孔结构的位 置，然后通过整体浇注PDMS预聚物，并固化键合，从而制作具有高深宽比
(深宽比>5 )通孔结构的PDMS微流控芯片。
具体而言，PDMS微流控芯片通孔结构制作时，首先利用光刻工艺制作 微流控芯片模具，并将芯片模具置于培养皿或铝箔纸捏制的容器中；接着， 在容器底部对应芯片模具基片的位置放置一不锈钢、铁、镍或含铁镍的合金 材料平板，并在芯片模具上方对应欲制作通孔结构的位置放置基于磁性材料 的微柱或微管；或者，在容器底部垂直对应芯片模具欲制作通孔结构的位置 放置基于磁性材料的微柱，并在芯片模具上方对应欲制作通孔结构的位置放 置基于不锈钢、铁、镍或含铁镍合金材料的微柱或微管；若微流控芯片上欲 制作多个通孔结构，且通孔之间相距较小，则磁性微柱可镶嵌固定于预制孔 形结构的模具中，防止磁性微柱因相互磁力作用而偏移固定位置；然后，在 容器内浇注由PDMS前体和固化剂混合的PDMS预聚物；PDMS固化后，抽 出微柱或微管，从芯片模具上剥离PDMS，与另一基片键合，从而制作具有 通孔结构的PDMS微流控芯片；或者，PDMS固化后，直接从芯片模具上剥 离PDMS，与另一基片键合，保留微管作为微流控芯片的组装结构，使微流 控芯片直接通过微管插接软管与外界互连。
由此可见，①多个磁性材料微柱位于芯片模具基片下方时，若微柱之间 间距较大，各微柱可分别自由单独放置；若微柱之间间距较小，可将微柱镶 嵌于预制的平板模具中，然后放置于芯片模具基片下方；
② 采用微柱固定时，PDMS固化后，需抽出微柱形成通孔；采用微管固 定时，固定的微管可以抽出，也可以作为PDMS芯片的结构保留；
③ 所述的通孔结构可以为微流控芯片与外界连接的开口，也可以为连通 微流控芯片不同微管道层的连接结构；
④ 微柱或微管通过磁性力的作用固定于芯片模具预定结构位置；
⑤ 微柱或微管外形或孔径与待制作通孔结构形状或孔径相同；微柱或微 管的高度大于待制作PDMS芯片层的厚度；
多个磁性材料微柱位于芯片模具基片下方时，若微柱之间间距较大，各微柱可分别自由单独放查；若微柱之间间距较小，可将微柱镶嵌于预制的平
板模具中，然后放置于芯片模具基片下方；
采用微柱固定时，PDMS固化后，需抽出微柱形成通孔；采用微管固定 时，固定的微管可以抽出，也可以作为PDMS芯片的结构保留。
本发明与目前常规的基于针管打孔器的通孔制作方法相比，微流控芯片 成形与通孔制作一次完成，简化了微流控芯片制作工艺，而且通过微柱或微 管与芯片模具固定，实施整体浇注，提高了通孔制作的精确度，保证了通孔 形状的规整性，避免了形成通孔孔形不规则、损坏微管道等问题。另外，微 磁柱排布利用预制模具镶嵌固定，还可以提高通孔制作密度，实现批量化加 工制作。
图1为本发明的实施例1利用不锈钢板辅助磁性微柱定位固定于芯片模 具上，用以制作通孔结构的示意图2为本发明的实施例1利用磁柱辅助不锈钢微柱定位固定于芯片模具 上，用以制作通孔结构的示意图3为本发明的实施例1利用磁柱辅助不锈钢微管定位固定于芯片模具 上，用以制作集成连接微管结构PDMS微流控芯片的示意图4为本发明的实施例2利用镶嵌于PDMS中高密度磁柱组辅助多个不 锈钢微柱高密度定位固定，以制作具有高密度通孔结构PDMS微流控芯片的 示意图5为本发明的实施例3利用镶嵌于PDMS中磁柱组辅助不锈钢微柱定 位固定，以制作集成连接性通孔结构PDMS微流控芯片底层芯片层的示意 图6为本发明的实施例3利用镶嵌于PDMS中磁柱组辅助不锈钢微柱定 位固定，以制作集成连接性通孔结构PDMS微流控芯片上层层芯片层的示意 图7为本发明的实施例3利用上述微柱定位固定方法制作集成连接性通 孔结构多层PDMS微流控芯片的组装示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步。
实施例1. PDMS微流控芯片上用作进样口和出样口通孔结构的制作 1.1磁性微柱固定
本发明可用于在PDMS微流控芯片上制作进样口和出样口的通孔结构， 如图1所示，首先利用光刻工艺制作微流控芯片模具l，并将芯片模具l置 于铝箔纸捏制的容器2中；然后，在容器底部对应芯片模具位置放置一不锈 钢平板3，并在芯片模具上方对应欲制作通孔结构的位置放置微磁柱4，以 磁力固定之；固定好微磁柱后，在容器内浇注由PDMS预聚体和固化剂混合 (质量比10:1)的PDMS预聚物，并置于80 。C热板上固化I小时；待PDMS 固化后，移除不锈钢平板3，抽出微磁柱4，从芯片模具上剥离PDMS，并 与另一平整基片键合，从而制作具有进样口和出样口通孔结构的的PDMS微 流控芯片。
1.2不锈钢微柱固定
本发明也可采用另一种方式固定用于制作通孔结构的微柱，如图2所示， 首先利用光刻工艺制作微流控芯片模具1，并将芯片模具1置于铝箔纸捏制 的容器2中；然后，在容器底部垂直对应芯片模具欲制作通孔结构的位置放 置磁柱5，并在芯片模具上方对应欲制作通孔结构的位置放置不锈钢微柱6， 以磁力固定之；固定好微磁柱后，在容器内浇注由PDMS预聚体和固化剂混 合(质量比10:1)的PDMS预聚物，并置于80 。C热板上固化1小时；待PDMS 固化后，移除磁柱5，抽出不锈钢微柱6，从芯片模具上剥离PDMS，并与 另一平整基片键合，从而制作具有进样口和出样口通孔结构的PDMS微流控 心片。
1.3不锈钢微管固定
本发明制作PDMS微流控芯片上的进样口和出样口通孔结构时，可实现 通孔结构和连接安装的一次完成，如图3所示，首先利用光刻工艺制作微流 控芯片模具l，并将芯片模具1置于铝箔纸捏制的容器2中；然后，在容器 底部垂直对应芯片模具欲制作通孔结构的位置放置磁柱5，并在芯片模具上 方对应欲制作通孔结构的位置放置不锈钢微管7，以磁力固定之；固定好微 管后，在容器内浇注由PDMS前体和固化剂混合(10:1)的PDMS预聚物，并置于热板上固化；待PDMS固化后，移除磁柱5，并从芯片模具上剥离 PDMS，然后与另一平整基片键合，从而制作集成有连接微管的PDMS微流 控芯片。
实施例2. PDMS微流控芯片上高密度通孔结构的制作 若PDMS微流控芯片上欲制作多个通孔结构，且通孔之间相距较小，则 相邻磁柱之间的相互磁力作用会导致磁柱的位置偏移，影响微柱的定位固 定；为了避免PDMS微流控芯片上制作较高密度通孔结构时，相邻磁柱之间 的相互磁力作用对微柱定位固定的影响，可采用如下方式进行微柱固定(如 图4所示)首先浇注一基于PDMS材料的平板8，并以打孔器在此平板上 制作一组小孔，小孔中心位置与模具上待制作通孔中心基本对应，且小孔孔 径等于或略小于磁性微柱直径，然后将磁性微柱一一镶嵌于小孔中固定，通 过这种固定方式防止两个或多个磁柱紧密排布时因相互磁力作用导致位置 偏移。固定磁柱的模板制作完成后，将装有芯片模具l的铝箔纸容器2放置 于此平板模板上，并保持芯片模具欲制作通孔结构的位置与模板上磁柱位置 对准，然后在芯片模具上方对应欲制作通孔结构的位置上放置不锈钢微柱6， 以磁力固定之；固定好微柱后，在容器内浇注由PDMS前体和固化剂混合 (10:1)的PDMS预聚物，并置于热板上固化；待PDMS固化后，移除磁柱 5，并从芯片模具上剥离PDMS，然后与另一平整基片键合，从而制作具有 较高密度通孔结构的PDMS微流控芯片。
实施例3. PDMS微流控芯片上连通不同微管道层的通孔结构的制作 本发明也用于制作PDMS微流控芯片上连通不同微管道层的通孔结构， 如图5和图6所示，首先分别制作含微通孔结构的底层微管道层模具和上层 微管道层模具，整个制作流程与实施例2操作类似，以对应位点镶嵌有磁性 微柱5的PDMS平板8，置于装有芯片模具1的铝箔纸容器2下面，实现通 孔位置处不锈钢微柱的固定，与实施例2不同之处在于底层芯片模具l上 除了以磁力固定有一组用于制作芯片开口结构的不锈钢微柱6外，还固定了 一组用于制作连接通孔结构的更小直径的不锈钢微柱9。固定好微柱后，在 容器内浇注由PDMS前体和固化剂混合(10:1)的PDMS预聚物，并置于热 板上固化；待PDMS固化后，从两个铝箔纸容器下面分别移除镶嵌磁柱的 PDMS平板8，并从芯片模具上剥离PDMS，分别制得上层微管道层芯片层IO和底层微管道层芯片层11，将二者对准键合，最后再与一平整玻璃或
PDMS基片12键合，制作完成含有连接微通孔结构的多层PDMS微流控芯 片。
权利要求
1、一种PDMS微流控芯片中通孔结构的制作方法，其特征在于首先将微柱或微管固定于芯片模具拟制作通孔结构的位置；然后通过整体浇注，制作具有高深宽比通孔结构的PDMS微流控芯片，PDMS系聚二甲基硅烷的英文缩写。
2、 按权利要求1所述的PDMS微流控芯片中通孔结构的制作方法，其 特征在于(a) 首先利用光刻工艺制作微流控芯片模具，并将芯片模具置于培养 皿或铝箔纸捏制的容器中；(b) 接着，在容器底部对应芯片模具基片的位置放置一不锈钢、铁、 镍或含铁镍的合金材料平板，并在芯片模具上方对应欲制作通孔结构的位置 放置基于磁性材料的微柱或微管；或者，在容器底部垂直^t应芯片模具欲制 作通孔结构的位置放置基于磁性材料的微柱，并在芯片模具上方对应欲制作 通孔结构的位置放置基于不锈钢、铁、镍或含铁镍合金材料的微柱或微管；(c) 然后，在容器内浇注由PDMS前体和固化剂混合的PDMS预聚物； PDMS固化后，抽出微柱或微管，从芯片模具上剥离PDMS，与另一基片键 合，从而制作具有通孔结构的PDMS微流控芯片；或者，PDMS固化后，直 接从芯片模具上剥离PDMS，与另一基片键合，保留微管作为微流控芯片的 组装结构，使微流控芯片直接通过微管插接软管与外界互连。
3、 按权利要求1或2所述的PDMS微流控芯片中通孔结构的制作方法， 其特征在于微柱或微孔外形和孔径与待制作通孔结构形状和孔径相同 ，微柱 或微管的高度大于待制作PDMS芯片层的厚度。
4、 按权利要求2所述的PDMS微流控芯片中通孔结构的制作方法，其 特征在于多个磁性材料微柱位于芯片模具基片下方时，若磁性微柱之间间距 较大，各磁性微柱分别自由单独放置；若磁性微柱之间间距较小，将磁性微 柱镶嵌于预制有一组小孔的平板模板中，然后放置于芯片模具基片下方。
5、 按权利要求1或2所述的PDMS微流控芯片中通孔结构的制作方法， 其特征在于采用磁性微柱固定时，PDMS固化后，抽出磁性微柱形成通孔； 采用磁性微管固定时，固定的微管抽出，或作为PDMS芯片的结构保留。
6、 按权利要求1或2所述的PDMS微流控芯片中通孔结构的制作方法， 其特征在于微柱或微管通过磁性力固定于芯片模具预定的结构位置。
7、 按权利要求1或2所述的PDMS微流控芯片中通孔结构的制作方法， 其特征在于微流控芯片成形与通孔的制作一次完成。
8、 按权利要求4所述的PDMS微流控芯片中通孔结构的制作方法，其 特征在于平板模板上的一组小孔的孔径等于或略小于磁性微柱直径；小孔的 中心位置与模具上待制作的通孔中心对应。
9、 按权利要求4或8所述的PDMS微流控芯片中通孔结构的制作方法， 其特征在于在平板模板上的一组小孔是用打孔器制作的。
10 权利要求2所述的PDMS微流控芯片中通孔结构的制作方法，其 特征在于所述的微柱底层芯片模具上固定有一组制作芯片开口结构的不锈 钢微柱，还固定一组用于制作连接通孔结构的更小直径的不锈钢微柱。
全文摘要
本发明公开了一种PDMS微流控芯片中通孔结构的制作方法，其特征在于利用磁性力的辅助，将微柱或微管固定于芯片模具上拟制作通孔结构的位置，然后通过整体浇注PDMS预聚物，并固化键合，制作出具有高深宽比通孔结构的PDMS微流控芯片。本发明提供的微流控芯片成形与通孔制作一次完成，简化了微流控芯片制作工艺，而且通过微柱或微管与芯片模具固定，实施整体浇注，提高了通孔制作的精确度，保证了通孔形状的规整性，避免了形成通孔孔形不规则、损坏微管道结构等问题。另外，微磁柱排布利用预制模具镶嵌固定，还可以提高通孔制作密度，实现批量化加工制作。
文档编号B81C99/00GK101585507SQ20091005359
公开日2009年11月25日 申请日期2009年6月23日 优先权日2009年6月23日
发明者刚 李, 李俊君, 赵建龙, 强 陈 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所