專利名稱：一種微流控氣動閥芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微流控氣動閥芯片，屬于微流控芯片技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微流控芯片是以微機(jī)電加工技術(shù)為基礎(chǔ)，由微通道在芯片上形成網(wǎng)絡(luò)，以可控微流體貫穿整個(gè)系統(tǒng)并完成各種生物和化學(xué)過程的一種技術(shù)。由于具備低消耗、易集成、高通量和分析速度快等優(yōu)點(diǎn)，微流控芯片已廣泛應(yīng)用于化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，并且已開始從實(shí)驗(yàn)室研究階段開始逐步向商品化應(yīng)用發(fā)展。 微流體操控技術(shù)是微流控芯片的核心內(nèi)容，幾乎所有在微流控芯片上實(shí)現(xiàn)的生物、化學(xué)的反應(yīng)和檢測過程都是依靠流體的操控而實(shí)現(xiàn)。微閥是微流控芯片中用于實(shí)現(xiàn)微流體操控的最為重要的功能單元之一，其基本功能是實(shí)現(xiàn)微流體通道的導(dǎo)通與隔斷。發(fā)展至今，已有多種微閥技術(shù)被研究者提出，包括氣動微閥、壓電微閥、相變微閥、扭矩微閥等，其中，由Quake研究組于2000年提出的氣動閥(M. A. Unger, H. P. Chou, T. Thor sen, A.Scherer and S. R. Quake, Science, 2000, 288, 113-116.),由于結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、易于大規(guī)模集成等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前微流控芯片中研究和應(yīng)用最廣泛的微閥技術(shù)。這種氣動閥芯片以PDMS (聚二甲基硅氧烷)為材料，由兩個(gè)垂直相交的流體通道以及夾在兩通道間的PDMS薄膜構(gòu)成，其中一條通道為流體通道，用于芯片中的流體傳輸；另一通道為控制通道，一般與壓力源(如高壓空氣等)相連，通過調(diào)節(jié)控制通道中的氣壓促使PDMS薄膜朝流體通道發(fā)生形變，從而控制流體通道的導(dǎo)通與隔斷。雖然這種芯片具有上述優(yōu)點(diǎn)，但由于PDMS材料由于本體多孔容易造成氣體泄漏或污染，并且耐有機(jī)溶劑性差；此外，PDMS芯片制備過程需要光刻、等離子活化輔助鍵合等步驟，制作周期長、過程繁瑣、儀器價(jià)格昂貴、需要超凈加工環(huán)境，因此緊限于部分科研實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用，難以普遍推廣。近年來開始有許多非PDMS的材料被用于氣動閥微流控芯片的加工，例如Mathies提出了玻璃/PDMS/玻璃雜合芯片(W. H. Grover, A. M. Skelley, C. N. Liu, E. T. LagalIy, R. A. Mathies, Sensors andActuators B，2003，89，315-323.)，但是該芯片的玻璃通道加工仍需使用光刻工藝，因此并未克服上述缺點(diǎn)；Mathies和Yang提出了 PMMA/PDMS/PMMA雜合芯片(W. H. Zhang, S.C. Lin, C. M. Wang, J. Hu, C. Li, Z. X. Zhuang, Y. L. Zhou, R. A. Mathies, C. Y. J. Yang, Lab ona Chip, 2009，9，3088-3094.)的制備方法，分別將流體通道與控制通道采用激光刻蝕法加工在兩片PMMA基底上，而中間仍以PDMS隔膜為工作器件，這種芯片加工方法雖然避免昂貴繁瑣的光刻過程，但是需要采用復(fù)雜后處理程序以獲得底部光滑平整的PMMA通道，此外PDMS與PMMA之間的鍵合前仍需采用特定波長的紫外光照射的表面活化處理工藝；最近，Manalis提出采用商品化的Teflon膜與玻璃基底熱壓鍵合方法制備了氣動閥芯片(W. H. Grover, M. G. von Muhlen, S. R. Manalis, Lab on a Chip, 2008，8，913-918.),類似地，Ogilvie提出采用將商品化的VitonO膜與COC和PMMA表面分別經(jīng)氧等離子體活化處理和硅烷化修飾處理后熱壓鍵合的方法制備微流控氣動閥芯片(I. R. G. Ogilvie, V.J. Sieben, B. Cortese, M. C. Mowlem, H. Morgan, Lab on a chip, 2011，11，2455-2459.),這兩種方法雖然避免使用了 PDMS作為氣動閥芯片的隔膜材料，但是芯片的通道加工及鍵合工藝較為復(fù)雜。綜上所述，現(xiàn)有的微流控氣動閥芯片或是隔膜材料特性差，或是芯片加工成本高、過程繁瑣、制作周期長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種微流控氣動閥芯片。本發(fā)明所提供的一種微流控氣動閥芯片，由上至下包括依次疊加在一起的蓋片、雙面膠a、彈性薄膜、雙面膠b和基板；所述雙面膠a上刻有流體通道，所述流體通道的兩個(gè)相對的側(cè)壁分別為所述蓋片和所述彈性薄膜；所述流體通道的進(jìn)樣口和出樣口均與外界相連通；
所述雙面膠b上刻有至少一條控制通道，所述控制通道的兩個(gè)相對的側(cè)壁分別為所述彈性薄膜和所述基板；所述控制通道的一端為封閉端，另一端為開口端，該開口端與外界相連通；所述流體通道與所述控制通道之間在平面內(nèi)為垂直相交設(shè)置。本發(fā)明所提供的另一種微流控氣動閥芯片，由上至下包括依次疊加在一起的蓋片、雙面膠C、彈性薄膜、雙面膠d和基板；所述雙面膠c上刻有至少一條控制通道，所述控制通道的兩個(gè)相對的側(cè)壁分別為所述蓋片和所述彈性薄膜；所述控制通道的一端為封閉端，另一端為開口端，該開口端與外界相連通；所述雙面膠d上刻有流體通道，所述流體通道的兩個(gè)相對的側(cè)壁分別為所述彈性薄膜和所述基板；所述流體通道的進(jìn)樣口和出樣口均與外界相連通；所述流體通道與所述控制通道之間在平面內(nèi)為垂直相交設(shè)置。上述的微流控氣動閥芯片中，所述蓋片與基板的材質(zhì)均可為硅片、石英、玻璃或高分子聚合物，可以相同也可以不同；考慮微流控芯片的光學(xué)檢測要求，優(yōu)先使用透光性高的玻璃或PMMA、PC、PET、COC等高分子聚合物。上述的微流控氣動閥芯片中，雙面膠a、雙面膠b、雙面膠c和雙面膠d均可為基材型雙面膠或無基材型雙面膠；所述基材型雙面膠中的基材可為玻璃、高分子聚合物、硅片或金屬及其氧化物。上述的微流控氣動閥芯片中，所述彈性薄膜的材質(zhì)為PDMS或聚四氟乙烯，其厚度為(T300iim，但不為零。上述的微流控氣動閥芯片中，可通過所述控制通道的開口端向控制通道內(nèi)通入加壓氣體，如可與高壓氣體鋼瓶相連接，也可通入液體。本發(fā)明提供的微流控氣動閥門芯片中的流體通道及其進(jìn)出口的加工方法可以是激光燒蝕、刀具切割、機(jī)床加工、化學(xué)刻蝕等；然后利用雙面膠的粘合特性，將加工后的芯片材料從上到下按照“蓋片-流體通道-彈性薄膜-控制通道-基板”或“蓋片-控制通道-彈性薄膜-流體通道-基板”的順序，對準(zhǔn)后依次粘貼而成。本發(fā)明提供的微流控氣動閥芯片，以雙面膠材料和商品化高分子彈性薄膜為原材料，材料成本低、方便獲得；依靠雙面膠上的粘合劑粘貼實(shí)現(xiàn)芯片的鍵合，制作簡便快速，并且極大地拓寬了芯片材料包括蓋片、基板和高分子彈性膜的材料選擇范圍。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例I提供的微流控液滴芯片的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖，圖中各標(biāo)記如下1PDMS蓋片、2基于硅膠基材的雙面膠a、3彈性PDMS薄膜、4基于硅膠基材的雙面膠b、5PDMS基板、6流體通道、7控制通道、圖2為本發(fā)明實(shí)施例2提供的微流控液滴芯片的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖，圖中各標(biāo)記如下1’ PET蓋片、2’基于PET基材的雙面膠c、3’彈性PET薄膜、4’基于PET基材的雙面膠d、5’ PET基板、6’流體通道、7’控制通道。 圖3為本發(fā)明實(shí)施例2提供的微流控液滴芯片的平面結(jié)構(gòu)示意圖，圖中各標(biāo)記如下I”流體通道、2”，3”控制通道、4”溶液進(jìn)口、5”，6”溶液出口、7”，8”加壓氣體接口。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但本發(fā)明并不局限于以下實(shí)施例。實(shí)施例I、包含單個(gè)“上推式”氣動閥的PDMS微流控液滴芯片該實(shí)施例提供的芯片的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖如圖I所示，該芯片由上之下包括依次疊加在一起的PDMS蓋片I、基于硅膠基材的雙面膠a2、厚度為50 ii m的彈性PDMS薄膜3、基于硅膠基材的雙面膠b4和PDMS基板5 ;基于硅膠基材的雙面膠a2上刻有流體通道6，該流體通道6的兩個(gè)相對的側(cè)壁分別為PDMS蓋片I和彈性PDMS薄膜3，該流體通道6的進(jìn)樣口和出樣口(圖中未示出)均與外界相連通，用于進(jìn)樣和出樣；基于硅膠基材的雙面膠b4上刻有一條控制通道7，該控制通道7的兩個(gè)相對的側(cè)壁分別為彈性PDMS薄膜3和PDMS基板5，該控制通道7的一端為封閉端，另一端為開口端，該開口端與外界相連通，用于通入高壓液體或高壓氣體，以使彈性PDMS薄膜3發(fā)生形變；且流體通道6與控制通道7在平面內(nèi)為垂直相交設(shè)置。如圖I (a)所示，當(dāng)控制通道7與高壓空氣未連通時(shí)，此時(shí)流體通道6為導(dǎo)通狀態(tài)；如圖I (b)所示，當(dāng)控制通道7與高壓空氣相連通時(shí)，調(diào)節(jié)氣壓為80Kpa，此時(shí)流體通道6為阻斷狀態(tài)。實(shí)施例2、包含單個(gè)“下壓式”氣動閥的PET微流控芯片該實(shí)施例提供的芯片的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，該芯片由上之下包括依次疊加在一起的PET蓋片I’、基于PET基材的雙面膠c2’、厚度為10 ii m的彈性PET薄膜3’、基于PET基材的雙面膠d4’和PET基板5’ ；基于PET基材的雙面膠c2’上刻有一條控制通道7’，該控制通道7’的兩個(gè)相對側(cè)壁分別為PET蓋片I’和彈性PET薄膜3’，該控制通道V的一端為封閉端，另一端為開口端，該開口端與外界相連通，用于通入高壓液體或高壓氣體，以使彈性PET薄膜3’發(fā)生形變；基于PET基材的雙面膠d4’上刻有流體通道6’，該流體通道6’的兩個(gè)相對的側(cè)壁分別為彈性PET薄膜3’和PET基板5’，該流體通道6’的進(jìn)樣口和出樣口(圖中未示出)均與外界相連通，用于進(jìn)樣和出樣；流體通道6’與控制通道7’在水平面內(nèi)為垂直相交設(shè)置。如圖2 (a)所示，當(dāng)控制通道7’與高壓空氣未連通時(shí)，此時(shí)流體通道6’為導(dǎo)通狀態(tài)；如圖2 (b)所示，當(dāng)控制通道7’與高壓空氣瓶連通時(shí)，調(diào)節(jié)氣壓50KPa，此時(shí)流體通道6’為阻斷狀態(tài)。
實(shí)施例3、包含兩個(gè)“上推式”氣動閥的PMMA微流控芯片該實(shí)施例提供的芯片的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例I中提供的芯片類似，不同之處在于該芯片包括2條控制通道2”和3”，控制通道2”和3”的開口端均為加壓氣體接口 7”和8”，用于通入高壓氣體；控制通道2”和3”均與流體通道I”在平面內(nèi)為垂直相交設(shè)置；T型流體通道I”的3個(gè)開口端分別為溶液進(jìn)口 4”、溶液出口 5”和6”。上述微流控芯片的工作過程為溶液進(jìn)口 4”通過導(dǎo)管連接一個(gè)連續(xù)泵出水溶液的注射泵，溶液的流動速度由注射泵控制；如圖3 (a)所示，當(dāng)溶液抵達(dá)“T”型交叉口時(shí)，如 果將加壓氣體接口 7”與高壓空氣接通，調(diào)節(jié)氣壓70KPa，而另一加壓氣體接口 8”與空氣接通，此時(shí)控制通道3”向彈性薄膜施加壓力使其向流體通道I”發(fā)生形變，進(jìn)而阻止溶液向溶液出口 5”的方向流動，所以溶液向溶液出口 6”的方向流動；反之，如圖3 (b)所示，當(dāng)溶液抵達(dá)“T”型交叉口時(shí)，如果將加壓氣體接口 8”與高壓空氣接通，調(diào)節(jié)氣壓70KPa，而加壓氣體接口 7”與空氣接通，此時(shí)控制通道3”向彈性薄膜施加壓力使其向流體通道I”發(fā)生形變，進(jìn)而阻止溶液向溶液出口 6”的方向流動，所以溶液向溶液出口 5”的方向流動；因此，通過控制控制通道2”和3”，則可以實(shí)現(xiàn)流體的在兩條通道間的切換運(yùn)行。
權(quán)利要求
1.一種微流控氣動閥芯片，其特征在于所述芯片由上至下包括依次疊加在一起的蓋片、雙面膠a、彈性薄膜、雙面膠b和基板； 所述雙面膠a上刻有流體通道，所述流體通道的兩個(gè)相對的側(cè)壁分別為所述蓋片和所述彈性薄膜；所述流體通道的進(jìn)樣口和出樣口均與外界相連通； 所述雙面膠b上刻有至少一條控制通道，所述控制通道的兩個(gè)相對的側(cè)壁分別為所述彈性薄膜和所述基板；所述控制通道的一端為封閉端，另一端為開口端，該開口端與外界相連通； 所述流體通道與所述控制通道之間在平面內(nèi)為垂直相交設(shè)置。
2.一種微流控氣動閥芯片，其特征在于所述芯片由上至下包括依次疊加在一起的蓋片、雙面膠C、彈性薄膜、雙面膠d和基板； 所述雙面膠c上刻有至少一條控制通道，所述控制通道的兩個(gè)相對的側(cè)壁分別為所述蓋片和所述彈性薄膜；所述控制通道的一端為封閉端，另一端為開口端，該開口端與外界相連通； 所述雙面膠d上刻有流體通道，所述流體通道的兩個(gè)相對的側(cè)壁分別為所述彈性薄膜和所述基板；所述流體通道的進(jìn)樣口和出樣口均與外界相連通； 所述流體通道與所述控制通道之間在平面內(nèi)為垂直相交設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的芯片，其特征在于所述蓋片與基板的材質(zhì)均為硅片、石英、玻璃或高分子聚合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一所述的芯片，其特征在于所述雙面膠a、雙面膠b、雙面膠c和雙面膠d均為基材型雙面膠或無基材型雙面膠。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的芯片，其特征在于所述基材型雙面膠中的基材為玻璃、高分子聚合物、硅片或金屬及其氧化物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一所述的芯片，其特征在于所述彈性薄膜的材質(zhì)為PDMS或聚四氟乙烯，其厚度為(T300iim，但不為零。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微流控氣動閥芯片。所述芯片由上至下包括依次疊加在一起的蓋片、雙面膠a、彈性薄膜、雙面膠b和基板；雙面膠a上刻有流體通道，流體通道的兩個(gè)相對的側(cè)壁分別為所述蓋片和所述彈性薄膜；流體通道的進(jìn)樣口和出樣口均與外界相連通；雙面膠b上刻有至少一條控制通道，控制通道的兩個(gè)相對的側(cè)壁分別為所述彈性薄膜和所述基板；所述控制通道的一端為封閉端，另一端為開口端，該開口端與外界相連通；流體通道與控制通道之間在平面內(nèi)為垂直相交設(shè)置。本發(fā)明提供的微流控氣動閥芯片，以雙面膠材料和商品化高分子彈性薄膜為原材料，材料成本低、方便獲得；依靠雙面膠上的粘合劑粘貼實(shí)現(xiàn)芯片的鍵合，制作簡便快速，并且極大地拓寬了芯片材料的材料選擇范圍。
文檔編號B01L3/00GK102671728SQ20121013879
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月7日
發(fā)明者葉嘉明, 張凱歡, 程京, 邢婉麗 申請人:博奧生物有限公司, 清華大學(xué)