专利名称：一种热塑性聚合物多层微流控芯片封合方法
技术领域：
本发明涉及一种基于传力镶块辅助键合的热塑性聚合物多层微流控芯片的封合方法，属于微全分析系统(y-TAS:Micro Total Analysis System)技术领域。
背景技术：
热塑性聚合物微流控芯片(Thermoplastic Microfluidic Chip)将多种分析功能 集成在数平方厘米面积的芯片上，可以制成便携式检测器，用于各类现场分析。该芯片制作 成本低、制作周期短、检测样品用量少、分析速度快、灵敏度高，在生物工程、疾病检测以及 药物筛选等领域具有广阔的应用前景。热塑性聚合物微流控芯片系统的未来发展是要实现多种功能在同一个器件上的 集成。目前使用较多的双层结构芯片是由一层基片和一层盖片封合而成的，仅能实现对液 体样本的二维操控，难以达到多功能集成的目的。解决这个问题的方法之一是增加器件层 数，发展多层结构微流控芯片。目前已有的关于热塑性聚合物多层微流控芯片的报道中，芯片封合多采用胶粘 法、层压法和溶液辅助键合法，这三种方法均有明显的局限性采用胶粘时，胶液容易流入 微通道，造成通道堵塞；层压法仅适合多层薄膜的键合；溶液辅助键合法易造成微通道腐 蚀变形。
发明内容
本发明提供了一种基于传力镶块辅助键合的热塑性聚合物多层微流控芯片热封 合方法，克服了目前胶粘、层压和溶液辅助键合中存在的问题。为实现上述目的，本发明首先采用热压、注塑或激光加工法在热塑性聚合物基片 上制备微通道，并使各层基片微通道之间按照一定的规律相互连通。然3后，将各层基片叠 放在一起，对准微通道和孔，利用电热丝在芯片四边上焊接2 3点，固定层间位置。制作 与片上储液池形状相同、尺寸稍小的镶块并将其放入储液池中。最后，将带有镶块的芯片放 入热压机中，在一定的温度和压力下进行封合，得到多层热塑性聚合物微流控芯片。本发明的方法具体步骤如下(1)微通道制备微通道采用热压、注塑、激光加工或机械加工方法在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚 对苯二甲酸乙二醇酯(PET，PETE)、环烯烃聚合物(COP)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)或 聚氨酯(PU)基片上制备。(2)对准和预连接 将各层基片叠放在一起，对准微通道和孔，对芯片施加一定压力，利用电热丝在芯 片四边上焊接2 3点，固定层间位置。(3)制备传力镶块并放入储液池中将镶块放入储液池中，使其与基片接触。传力镶块可以采用热塑性聚合物或金属材料制作，热塑性聚合物材料是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET，PETE)、环烯烃聚合物(COP)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)或聚氨酯(PU)制作；金属材料 是不锈钢、铸铁、碳素钢、合金钢、镍或铜。制作方法为激光加工、注塑或机械加工等方法。镶 块厚度应与储液池深度相同。镶块尺寸应小于储液池50微米 500微米。(4)封合将带有传力镶块的芯片放入键合机中，根据所使用热塑性聚合物材料性能进设定 键合温度，施加IkN 8kN的压力，保持120s 600s。冷却脱模后，将镶块取出，得到封合 好的多层芯片。在本发明工艺简单，耗费人力少，成本低廉，不需要昂贵的设备，可以实现多层热 塑性聚合物微流控芯片的快速封合。
具体实施例方式以下结合技术方案和附图
详细本发明的具体实施例。实施例1 制作一个基于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料的多层微流控器件。(1)微通道图形制备本例采用热压法制备芯片各层上的微通道图形结构。将硅或金属模具安装在热压 机的上压头上，在下压头上放置一个厚度为0. 3mm 2mm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基 板，升温到90°C 130°C，在2kN IOkN的压力下保持120s 360s，冷却至30°C 40°C 脱模。取出基板，利用激光雕刻或机械加工方法将基板切分成各层基片，在基片适当位置加 工连通孔，在顶层基片上加工圆形储液池，使各层基片上的微通道可以相互连通。清洗将基 片，烘干备用。(2)对准和预连接将基片按照正确的顺序叠放在一起，在显微镜下调整各层芯片位置，使上下层间 的微通道、连通孔和储液池处于准确位置，对芯片施加一定压力，用加热的铜丝在芯片周边 焊接2 3点，使芯片上下层间的位置固定。(3)制备传力镶块并将其装入芯片利用激光雕刻法，制作与芯片上圆形的PMMA传力镶块，使其直径比储液池直径小 200微米 300微米。将镶块镶入储液池中，使镶块与基片接触。(4)封合将带有镶块的芯片放入键合机中，升温至60°C 110°C，施加IkN 8kN的压力， 保持240s，冷却至40°C脱模。将辅助镶块从储液池中取出，就得到封合好的多层芯片。实施例2 制作一个基于聚酯(PET)材料的多层微流控器件。(1)微通道图形制备本例采用激光雕刻法制作微通道。将一块0. 5mm 2mm厚的聚酯(PET)基板放入 激光器中，调整激光输出功率为6W 20W，走笔速度6mm/s 300mm/s，在基板上雕刻微通 道、连通孔和圆形储液池，雕刻停止后，取出雕刻好的各层基片进行清洗，烘干备用。(2)对准和预连接将基片和盖片按照正确的层位置叠放在一起，在显微镜下调整各层芯片位置，使 上下层间的微通道图形和孔处于准确位置，对芯片施加一定压力，用加热的铜丝在各层基片的同一条边上焊一个点，在与这条边相对的边上再焊一点，使芯片上下层间的位置固定。(3)制备传力镶块并将其装入芯片利用激光雕刻方法，制作圆形PMMA镶块，使其直径小于储液池200微米 300微 米。将镶块镶入储液池中，使其与基片接触。(4)封合将PET芯片放入键合机中，升温至65°C，施加IkN的压力，保持180s ；冷却至40°C 时脱模，取出传力镶块，得到封合好的多层芯片。
权利要求
一种热塑性聚合物多层微流控芯片封合方法，其特征在于包括如下步骤(1)微通道制备用热压、微注塑、激光加工或机械加工方法在热塑性聚合物基片上制备；(2)对准和预连接将各层基片叠放在一起，使上下层间的微通道和孔对准，对芯片施加压力，用加热的电焊丝在芯片的四边焊接2～3点，使芯片上下层间的位置固定；(3)将镶块放入储液池中，使其与基片接触；传力镶块采用热塑性聚合物或金属材料制作；制作方法采用激光加工、注塑或机械加工；镶块厚度与储液池深度相同，镶块尺寸小于储液池50微米～500微米；(4)封合将带有传力镶块的芯片放入键合机中，根据所使用热塑性聚合物材料性能进设定键合温度，施加1kN～8kN的压力，保持120s～600s；冷却脱模后，将镶块取出，得到封合好的多层芯片。
2.如权利要求1所述的一种热塑性聚合物多层微流控芯片封合方法，其特征在于所 述的热塑性聚合物材料是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET，PETE)、 环烯烃聚合物(COP)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)或聚氨酯(PU)；传力镶块采用热塑性聚合物或金属材料制作，热塑性聚合物材料是聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET，PETE)、环烯烃聚合物(COP)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙 烯(PS)或聚氨酯(PU)；金属材料是不锈钢、铸铁、碳素钢、合金钢、镍或铜。
全文摘要
一种热塑性聚合物多层微流控芯片封合方法，属于微全分析系统技术领域。首先利用微加工技术在热塑性聚合物基片上制备微通道、连通孔和储液池等结构；然后将改性后的各层基片按层次顺序叠放在一起，使用加热的焊丝在芯片周边焊接，使各层芯片间的相对位置固定下来；利用激光雕刻、注塑或机械加工等方法，制作与芯片上储液池形状相同、但尺寸略小的传力镶块，其材质可以是热塑性聚合物或金属，将镶块放入储液池中，使其与基片接触；最后将带有传力镶块的芯片放入键合机中，键合结束后剥离镶块，得到多层微流控芯片。本发明工艺简单，实现热塑性聚合物多层芯片的一次封合，得到的热塑性聚合物微流控芯片可以用于生化样品的分析和操控。
文档编号B81C3/00GK101823686SQ20101015228
公开日2010年9月8日 申请日期2010年4月21日 优先权日2010年4月21日
发明者丁喜平, 刘军山, 刘冲, 徐征, 李经民 申请人:大连理工大学