专利名称：基于工业标准印刷电路板工艺的新型微流控芯片制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于微乳液滴制备的新型微流控芯片的制作方法，属于微流控芯片的制作技术领域。
背景技术：
目前，微流控系统已经成为微机电系统的一个重要分支，具有尺寸小，无效体积小，功耗低，控制精度高，响应速度快等优点，主要应用于生物检测、微乳液成型、先进功能材料制备等方面。比较常见的微流控芯片的制作方法主要有三种，分别为刻蚀成型、软光刻铸造、毛 细玻璃管装配。文献KPhysics of Fluids, 2005, 17: 013601)报道的硅基微通道工艺，采用体硅刻蚀工艺进行制作，加工尺寸深宽比大，加工精度高，得到的微通道器件可耐高压(13. 6个标准大气压)。文献2 (Science, 2005，308: 537-541)报道了毛细玻璃管微通道的制备工艺，将圆形毛细玻璃管加热后，拉制出一个圆锥形的几何外形，将这个被精确拉制的圆形毛细玻璃管装配到一个方形的玻璃毛细管中，就形成了微流汇聚型微流控芯片。中国发明专利CN102580799A公开了一种毛细玻璃管装配工艺，首先按照设计的通道结构在载玻片上切割出相应的玻璃片组件，将其在基片上搭建出通道结构，将盖片键合，将圆形毛细玻璃管与聚四氟乙烯管装配至组件玻璃片通道，从而形成微流汇聚型微流控芯片。文献
3(Analytical Chemistry, 1998，70(23) : 4974-4984)报道了一种软光刻铸造聚二甲基硅氧烷(PDMS)微通道的制作方法，利用光刻技术在硅片上制作铸造模具，再将PDMS预聚物浇注在模具上固化，然后将PDMS揭下，并与玻璃键合，从而形成微流控芯片。刻蚀成型法成本过高、成品率低、加工周期长，且国内代加工的单位少，与外部管路的连接需要另行设计专用的夹具；毛细玻璃管装配法基于手工制作，重复性较差；软光刻铸造法重复性好，制作简单，但由于PDMS等聚合物材料具有透气性，且易变形，更重要的是，PDMS与多种油相有机溶剂相溶，使得PDMS微流控芯片的应用受到限制。
发明内容
本发明的目的在于针对现有微流控芯片制作中存在的问题，提出一种新型制作工艺，该工艺基于工业标准的印刷电路板(PCB)技术，结合表面处理工艺制作微流控芯片；制成的微流控芯片一致性好，研制周期短，制作成本低，可批量生产，且所制备的微流控芯片适用于多种有机溶剂的微流控芯片的制作方法。本发明的计数方式一种微流控芯片的制作方法，包括如下步骤
(1)根据预先设计微流控芯片的微通道结构和流体出入孔，设计微流控芯片的PCB板的几何形状；利用标准的PCB板设计软件，绘制PCB板图，其中，微通道的宽度为150-1000微米，流体出入通孔直径I. 2至3毫米；
(2)根据绘制PCB板图在选好的覆铜厚度15至90微米的基材上将微通道结构刻蚀出来，同时打出流体出入通孔，然后进行镀金，得到微流控芯片主体；其中，镀金厚度I至3微米；基材厚度为O. 6至3毫米；
(3)取450-650微升的紫外固化胶，使用匀胶机在载玻片表面，以匀胶速度为1500-5000转/分钟，时间30-60秒进行均匀涂胶；
(4)将步骤3制备的得到的载玻片有胶面与步骤2制备得到的微流控芯片主体贴合，施加均匀载荷夹紧；
(5)将微流控芯片主体与载玻片在夹紧状态下放置在紫外固化盒中，在功率为4至400瓦，固化I分钟至2小时，取出后静置24小时，即得到微流控芯片。进一步，所述步骤3还可以为取450-650微升的紫外固化胶，将紫外固化胶与乙醇以体积比为1:1-10:1混合后，使用匀胶机在载玻片表面，以匀胶速度为1500-5000转/分钟，时间30-60秒进行均匀涂胶。进一步，所述的基材包括纸基材、玻璃布基材、环氧树脂类基材、聚酯树脂类基材、 耐热热塑性基材或挠性覆铜箔基材。进一步，所述载玻片为钠玻璃、钾玻璃、铝镁玻璃、铅玻璃、硼硅玻璃或石英玻璃。本发明提供的制作方法具有以下优点
I、本发明所用的材料为标准型号的载玻片和可批量生产的基于工业标准的PCB板，PCB工艺标准化程度高，成品率高，工艺参数调整方便，成本低，且耐有机溶剂腐蚀，不易吸附样品。2、本发明涉及的制作环境不依赖于超净制作环境，在普通的实验室即可完成。3、本发明涉及的采取紫外固化的键合技术不需要超净和高温环境。4、本发明涉及的微流控芯片的入口和出口与微通道一同加工成型，避免了芯片在钻孔的初始和结束阶段造成微通道边界的塌陷，也避免了玻璃的碎裂情况。
图I为基于印刷电路板技术的微流控芯片制作工艺流程图。图中1 一 PCB板图；2 —基材；3 — PCB板微流控芯片主体；4 一玻璃盖板；5 —紫外固化胶。图2为实施例I中的标准工业PCB板图。图中6 —外相流体入口 ；7 —内相流体入口 ；8 —微流汇聚结构；9 一收集池；10 —流体出口。图3为实施例I中微乳液滴在微流汇聚结构处生成图。图4为实施例3中的并行通道微流控芯片的标准工业PCB板图。图中11 —微通道I ; 12—微通道2; 13—微通道3; 14—微通道4。图5为实施例3中并行通道生成微乳液滴的尺寸分布图。
具体实施例方式下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法，一般PCB加工企业均可完成。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下述实施例中的工艺流程如无特殊说明，均如图I所示。根据微流控芯片的微通道结构，设计覆铜几何形状的PCB板图1，阴影部分为覆铜区域，白色部分为刻蚀铜层后形成的微通道，黑色部分为流体出入口通孔；由印刷电路制板厂根据PCB板图I在基材2上加工得到PCB板微流控芯片主体3 ;在玻璃盖板4上旋涂紫外固化胶5 ;将PCB板微流控芯片主体3的覆铜面与玻璃盖板4的涂胶面粘合；将粘合后的PCB板微流控芯片主体3与玻璃盖板4放入紫外固化盒中固化，完成微流控芯片的制作。实施例I、微流汇聚结构微流控芯片制作水包油型微乳液滴
设计微流控芯片的通道结构为微流汇聚结构，如图2中8所示，此结构中微通道的宽度为300微米。图2中阴影部分为覆铜区域，白色部分为刻蚀铜层后形成的微通道，黑色部分为流体出入口通孔。图2中外相流体入口 6和内相流体入口 7的尺寸为I. 2毫米，流体出口
10的尺寸为3毫米。图2中收集池9用来观察生成的微乳液滴，它的尺寸为18毫米X 14毫米。此设计的PCB板整体尺寸为76. 2毫米X 25. 4毫米，与标准硼硅玻璃载玻片尺寸相 同，环氧树脂类基材厚度为I毫米，覆铜厚度为70微米，镀金厚度为3微米，按照图I的工艺流程，使用匀胶机将稀释后的紫外固化胶(胶和乙醇体积比为2:1) 650微升在载玻片表面进行旋涂，匀胶速度为3000转/分钟，匀胶时间为40秒。粘结后，施加均匀载荷将PCB板与载玻片夹紧，在夹紧状态下将微流控芯片放置在功率为4瓦的紫外固化盒中固化2小时，静置24小时。在微流控芯片的背面用环氧树脂胶将型号为20G的针头粘结在流体的出入口处，使用内径为O. 86毫米的塑料管与针头相连用来引入和引出流体。使用图2的结构制作水包油型微乳液滴，首先对微通道进行亲水处理，将亲水剂(3-Aminoprogyl triethoxysilane)通入微通道密封并静置2个小时，再通入去离子水清洗。在石蜡油中加入聚合物EM90 (I wt%)，并使用漩涡搅拌器将其充分混合，作为内相流体。在水中加入聚乙烯醇(10 wt %)，加热至80°C并搅拌使其溶解，作为外相流体。用微量注射泵分别将内相与外相流体注入微流控芯片，在微流汇聚结构处生成微乳液滴，可在显微镜下观察收集池中的微乳液滴。实施例2、微流汇聚结构微流控芯片制作油包水型微乳液滴
设计微流控芯片的微通道结构为微流汇聚结构，如图2所示，此结构中微通道的宽度为150微米。图2中外相流体入口 6和内相流体入口 7的尺寸为I. 2毫米；流体出口 10的尺寸为3毫米。此设计的PCB板整体尺寸为76. 2毫米X 25. 4毫米，与标准石英玻璃载玻片尺寸相同，挠性覆铜箔基材厚度为O. 6毫米，覆铜厚度为15微米，镀金厚度为2微米，按照图I的工艺流程，使用匀胶机将稀释后的紫外固化胶(胶和乙醇体积比为1:1)550微升在载玻片表面进行旋涂，匀胶速度为1500转/分钟，匀胶时间为35秒。粘结后，施加均匀载荷将PCB板与载玻片夹紧，在夹紧状态下将微流控芯片放置在功率为100瓦的紫外固化盒中固化10分钟，静置24小时。在微流控芯片的背面用环氧树脂胶将型号为20G的针头粘结在流体的出入口处，使用内径为O. 86毫米的塑料管与针头相连用来引入和引出流体。使用图2的结构制作油包水型微乳液滴，在硅油中加入道康宁749 (2 wt%)，并使用漩涡搅拌器将其充分混合，作为外相流体。使用去离子水作为内相流体。使用微量注射泵分别将内相与外相流体注入微流控芯片，在微流汇聚结构处生成微乳液滴。实施例3、并行通道微流控芯片的制作 该实施例制作的工艺流程图如图I所示。
设计微流控芯片由四个具有微流汇聚结构的并行通道组成，如图4所示，图4中阴影部分为覆铜区域，白色部分为刻蚀铜层后形成的微通道，黑色部分为流体出入口通孔。此设计的PCB板整体尺寸为75毫米X 38毫米，与另一种标准铝镁玻璃载玻片尺寸相同，聚酯树脂类基材厚度为3毫米，覆铜厚度为90微米，镀金厚度为I微米，外相流体入口 6和内相流体入口 7的尺寸为2毫米，按照图I的工艺流程，使用匀胶机将紫外固化胶450微升在载玻片表面进行旋涂，匀胶速度为5000转/分钟，匀胶时间为30秒。粘结后，施加均匀载荷将PCB板与载玻片夹紧，在夹紧状态下将微流控芯片放置在功率为400瓦的紫外固化盒中固化I分钟，静置24小时。在微流控芯片的背面用环氧树脂胶将型号为20G的针头粘结在流体的出入口处，使用内径为O. 86毫米的塑料管与针头相连用来引入和引出流体。使用图4的结构制作水包油型微乳液滴，首先对微通道进行亲水处理，将亲水剂(3-Aminoprogyl triethoxysilane)通入微通道密封并静置2个小时,再通入去离子水清洗。在石蜡油中加入聚合物EM90( I wt%),并使用漩涡搅拌器将其充分混合，作为内相流体。在水中加入聚乙烯醇(10 wt %)，加热至80°C并搅拌使其溶解，作为外相流体。使用微量注射泵分别将内相与外相流体注入微流控芯片，在微流汇聚结构处生成微乳液滴。在相同条件下，并行通道微流控芯片的生产效率可以达到实施例I中的四倍，大大提高了生产效率。 图5为本实施例制作的微流控芯片在外相流体1000微升/小时，内相流体300微升/小时的流量下，并行通道生成微乳液滴的尺寸分布图，可以看出液滴具有良好的均一性。实施例4、微流汇聚结构微流控芯片制作油包水型微乳液滴
设计微流控芯片的微通道结构为微流汇聚结构，此结构中微通道的宽度为150微米。外相流体入口和内相流体入口的尺寸为I. 2毫米；流体出口的尺寸为3毫米。此设计的PCB板整体尺寸为76. 2毫米X 25. 4毫米，与标准钾玻璃载玻片尺寸相同，纸基材厚度为O. 6毫米，覆铜厚度为15微米，镀金厚度为3微米，按照图I的工艺流程，使用匀胶机将稀释后的紫外固化胶(胶和乙醇体积比为10:1) 600微升在钠玻璃载玻片表面进行旋涂，匀胶速度为4500转/分钟，匀胶时间为45秒。粘结后，施加均匀载荷将PCB板与载玻片夹紧，在夹紧状态下将微流控芯片放置在功率为20瓦的紫外固化盒中固化I. 5小时，静置24小时。在微流控芯片的背面用环氧树脂胶将型号为20G的针头粘结在流体的出入口处，使用内径为
O.86毫米的塑料管与针头相连用来引入和引出流体。在硅油中加入道康宁749 (2 wt%)，并使用漩涡搅拌器将其充分混合，作为外相流体。使用去离子水作为内相流体。使用微量注射泵分别将内相与外相流体注入微流控芯片，在微流汇聚结构处生成微乳液滴。实施例5、并行通道微流控芯片的制作
设计微流控芯片由四个具有微流汇聚结构的并行通道组成，此设计的PCB板整体尺寸为75毫米X 38毫米，与另一种标准钠玻璃载玻片尺寸相同，玻璃布基材厚度为3毫米，覆铜厚度为90微米，镀金厚度为I微米，外相流体入口 6和内相流体入口 7的尺寸为2毫米，按照图I的工艺流程，使用匀胶机紫外固化胶500微升在载玻片表面进行旋涂，匀胶速度为2000转/分钟，匀胶时间为60秒。粘结后，施加均匀载荷将PCB板与载玻片夹紧，在夹紧状态下将微流控芯片放置在功率为200瓦的紫外固化盒中固化O. 5小时，静置24小时。在微流控芯片的背面用环氧树脂胶将型号为20G的针头粘结在流体的出入口处，使用内径为O.86毫米的塑料管与针头相连用来引入和引出流体。首先对微通道进行亲水处理,将亲水剂(3-Aminoprogyl triethoxysilane)通入微通道密封并静置2个小时，再通入去离子水清洗。在石蜡油中加入聚合物EM90(1 wt%),并使用漩涡搅拌器将其充分混合，作为内相流体。在水中加入聚乙烯醇(10 wt %)，加热至80°C并搅拌使其溶解，作为外相流体。使用微量注射泵分别将内相与外相流体注入微流控 芯片，在微流汇聚结构处生成微乳液滴。在相同条件下，并行通道微流控芯片的生产效率可以达到实施例I中的四倍，大大提高了生产效率。
权利要求
1.基于工业标准印刷电路板工艺的新型微流控芯片制作方法， 其特征在于，包括如下步骤 (1)根据预先设计微流控芯片的微通道结构和流体出入孔，设计微流控芯片的PCB板的几何形状；利用标准的PCB板设计软件，绘制PCB板图，其中，微通道的宽度为150-1000微米，流体出入通孔直径I. 2至3毫米； (2)根据绘制PCB板图在选好的覆铜厚度15至90微米的基材上将微通道结构刻蚀出来，同时打出流体出入通孔，然后进行镀金，得到微流控芯片主体；其中，镀金厚度I至3微米；基材厚度为O. 6至3毫米； (3)取450-650微升的紫外固化胶，使用匀胶机在载玻片表面，以匀胶速度为1500-5000转/分钟，时间30-60秒进行均匀涂胶； (4)将步骤3制备的得到的载玻片有胶面与步骤2制备得到的微流控芯片主体贴合，施加均匀载荷夹紧； (5)将微流控芯片主体与载玻片在夹紧状态下放置在紫外固化盒中，在功率为4至400瓦，固化I分钟至2小时，取出后静置24小时，即得到微流控芯片。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述步骤3还可以为取450-650微升的紫外固化胶，将紫外固化胶与乙醇以体积比为1:1-10:1混合后，使用匀胶机在载玻片表面，以匀胶速度为1500-5000转/分钟，时间30-60秒进行均匀涂胶。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其特征在于所述的基材包括纸基材、玻璃布基材、环氧树脂类基材、聚酯树脂类基材、耐热热塑性基材或挠性覆铜箔基材。
4.根据权利要求I或2所述的方法，其特征在于所述载玻片为钠玻璃、钾玻璃、铝镁玻璃、铅玻璃、硼硅玻璃或石英玻璃。
全文摘要
本发明涉及基于工业标准印刷电路板(PCB)工艺的新型微流控芯片制作方法。制作方法包括如下步骤根据微流控芯片的微通道结构，设计PCB板覆铜的几何形状；利用标准的PCB板设计软件，根据覆铜几何形状绘制PCB板图；由印刷电路制板厂根据PCB板图直接加工得到PCB板微流控芯片主体；在玻璃盖板上旋涂紫外固化胶；将PCB板微流控芯片主体的覆铜面与玻璃盖板的涂胶面粘合；将粘合后的PCB板微流控芯片主体与玻璃盖板放入紫外固化盒中固化。本发明微流控芯片的入口和出口与微通道一同加工成型；标准化程度高，成品率高，成本低，且通道也适用于有机溶剂；制作环境不依赖于超净和高温条件。既适合于工业用大规模批量生产，也适合于科研用小批量试制。
文档编号B81C1/00GK102923643SQ20121044600
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月9日 优先权日2012年11月9日
发明者李疆, 邢帅, 董恩凯 申请人:北京科技大学