專利名稱：一種pdms微流控芯片中通孔結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種PDMS微流控芯片中通孔結構的制作方法，可應用于芯 片實驗室。
背景技術：
近年來，微流控芯片作為一種新的技術平臺，在生物和化學領域受到廣 泛關注，是當前發(fā)展最活躍的領域之一。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、價格便宜、耐用且化學惰性、生物相容性好等 優(yōu)點，在微流控芯片的加工制作中得到廣泛應用。在PDMS微流控芯片的制 作過程中，形成通孔結構用于PDMS微流控芯片與外界連接或連通不同結構 層的微管道和微腔體具有重要意義。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屬針管的打孔器，目測對準待通孔位置，然后利用壓 力切除相應位置PDMS，從而形成通孔結構[Li S. and Chen S. Polydimethylsioxane fluidic interconnects for microfluidic systems. IEEE Transactions On Advanced Packaging, 2003, 26:242-247.]。該方法雖然簡單快 捷，但是由于PDMS材料具有較大的彈性，打孔過程中往往容易因PDMS 變形導致打孔位置偏移，從而損壞微流控芯片結構；另外，打孔時施力不均 也容易導致形成通孔形狀不規(guī)則，從而影響微流控芯片的應用。因此，開發(fā) 簡捷、定位準確且形狀規(guī)整的通孔制作技術是PDMS微流控芯片應用發(fā)展和 推廣的關鍵問題之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種PDMS微流控芯片中通孔結構的制作方法，以 實現(xiàn)PDMS微流控芯片不同結構層或PDMS微流控芯片與外界的有效、可
4靠互連。
本發(fā)明提供的PDMS微流控芯片中通孔結構的制作方法，其特征在于 利用磁性力的輔助，將微柱或微管固定于芯片模具上擬制作通孔結構的位 置，然后通過整體澆注PDMS預聚物，并固化鍵合，從而制作具有高深寬比
(深寬比>5 )通孔結構的PDMS微流控芯片。
具體而言，PDMS微流控芯片通孔結構制作時，首先利用光刻工藝制作 微流控芯片模具，并將芯片模具置于培養(yǎng)皿或鋁箔紙捏制的容器中；接著， 在容器底部對應芯片模具基片的位置放置一不銹鋼、鐵、鎳或含鐵鎳的合金 材料平板，并在芯片模具上方對應欲制作通孔結構的位置放置基于磁性材料 的微柱或微管；或者，在容器底部垂直對應芯片模具欲制作通孔結構的位置 放置基于磁性材料的微柱，并在芯片模具上方對應欲制作通孔結構的位置放 置基于不銹鋼、鐵、鎳或含鐵鎳合金材料的微柱或微管；若微流控芯片上欲 制作多個通孔結構，且通孔之間相距較小，則磁性微柱可鑲嵌固定于預制孔 形結構的模具中，防止磁性微柱因相互磁力作用而偏移固定位置；然后，在 容器內(nèi)澆注由PDMS前體和固化劑混合的PDMS預聚物；PDMS固化后，抽 出微柱或微管，從芯片模具上剝離PDMS，與另一基片鍵合，從而制作具有 通孔結構的PDMS微流控芯片；或者，PDMS固化后，直接從芯片模具上剝 離PDMS，與另一基片鍵合，保留微管作為微流控芯片的組裝結構，使微流 控芯片直接通過微管插接軟管與外界互連。
由此可見，①多個磁性材料微柱位于芯片模具基片下方時，若微柱之間 間距較大，各微柱可分別自由單獨放置；若微柱之間間距較小，可將微柱鑲 嵌于預制的平板模具中，然后放置于芯片模具基片下方；
② 采用微柱固定時，PDMS固化后，需抽出微柱形成通孔；采用微管固 定時，固定的微管可以抽出，也可以作為PDMS芯片的結構保留；
③ 所述的通孔結構可以為微流控芯片與外界連接的開口，也可以為連通 微流控芯片不同微管道層的連接結構；
④ 微柱或微管通過磁性力的作用固定于芯片模具預定結構位置；
⑤ 微柱或微管外形或孔徑與待制作通孔結構形狀或孔徑相同；微柱或微 管的高度大于待制作PDMS芯片層的厚度；
多個磁性材料微柱位于芯片模具基片下方時，若微柱之間間距較大，各微柱可分別自由單獨放查；若微柱之間間距較小，可將微柱鑲嵌于預制的平
板模具中，然后放置于芯片模具基片下方；
采用微柱固定時，PDMS固化后，需抽出微柱形成通孔；采用微管固定 時，固定的微管可以抽出，也可以作為PDMS芯片的結構保留。
本發(fā)明與目前常規(guī)的基于針管打孔器的通孔制作方法相比，微流控芯片 成形與通孔制作一次完成，簡化了微流控芯片制作工藝，而且通過微柱或微 管與芯片模具固定，實施整體澆注，提高了通孔制作的精確度，保證了通孔 形狀的規(guī)整性，避免了形成通孔孔形不規(guī)則、損壞微管道等問題。另外，微 磁柱排布利用預制模具鑲嵌固定，還可以提高通孔制作密度，實現(xiàn)批量化加 工制作。


圖1為本發(fā)明的實施例1利用不銹鋼板輔助磁性微柱定位固定于芯片模 具上，用以制作通孔結構的示意圖2為本發(fā)明的實施例1利用磁柱輔助不銹鋼微柱定位固定于芯片模具 上，用以制作通孔結構的示意圖3為本發(fā)明的實施例1利用磁柱輔助不銹鋼微管定位固定于芯片模具 上，用以制作集成連接微管結構PDMS微流控芯片的示意圖4為本發(fā)明的實施例2利用鑲嵌于PDMS中高密度磁柱組輔助多個不 銹鋼微柱高密度定位固定，以制作具有高密度通孔結構PDMS微流控芯片的 示意圖5為本發(fā)明的實施例3利用鑲嵌于PDMS中磁柱組輔助不銹鋼微柱定 位固定，以制作集成連接性通孔結構PDMS微流控芯片底層芯片層的示意 圖6為本發(fā)明的實施例3利用鑲嵌于PDMS中磁柱組輔助不銹鋼微柱定 位固定，以制作集成連接性通孔結構PDMS微流控芯片上層層芯片層的示意 圖7為本發(fā)明的實施例3利用上述微柱定位固定方法制作集成連接性通 孔結構多層PDMS微流控芯片的組裝示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例進一步說明本發(fā)明的實質(zhì)性特點和顯著的進步。
實施例1. PDMS微流控芯片上用作進樣口和出樣口通孔結構的制作 1.1磁性微柱固定
本發(fā)明可用于在PDMS微流控芯片上制作進樣口和出樣口的通孔結構， 如圖1所示，首先利用光刻工藝制作微流控芯片模具l，并將芯片模具l置 于鋁箔紙捏制的容器2中；然后，在容器底部對應芯片模具位置放置一不銹 鋼平板3，并在芯片模具上方對應欲制作通孔結構的位置放置微磁柱4，以 磁力固定之；固定好微磁柱后，在容器內(nèi)澆注由PDMS預聚體和固化劑混合 (質(zhì)量比10:1)的PDMS預聚物，并置于80 。C熱板上固化I小時；待PDMS 固化后，移除不銹鋼平板3，抽出微磁柱4，從芯片模具上剝離PDMS，并 與另一平整基片鍵合，從而制作具有進樣口和出樣口通孔結構的的PDMS微 流控芯片。
1.2不銹鋼微柱固定
本發(fā)明也可采用另一種方式固定用于制作通孔結構的微柱，如圖2所示， 首先利用光刻工藝制作微流控芯片模具1，并將芯片模具1置于鋁箔紙捏制 的容器2中；然后，在容器底部垂直對應芯片模具欲制作通孔結構的位置放 置磁柱5，并在芯片模具上方對應欲制作通孔結構的位置放置不銹鋼微柱6， 以磁力固定之；固定好微磁柱后，在容器內(nèi)澆注由PDMS預聚體和固化劑混 合(質(zhì)量比10:1)的PDMS預聚物，并置于80 。C熱板上固化1小時；待PDMS 固化后，移除磁柱5，抽出不銹鋼微柱6，從芯片模具上剝離PDMS，并與 另一平整基片鍵合，從而制作具有進樣口和出樣口通孔結構的PDMS微流控 心片。
1.3不銹鋼微管固定
本發(fā)明制作PDMS微流控芯片上的進樣口和出樣口通孔結構時，可實現(xiàn) 通孔結構和連接安裝的一次完成，如圖3所示，首先利用光刻工藝制作微流 控芯片模具l，并將芯片模具1置于鋁箔紙捏制的容器2中；然后，在容器 底部垂直對應芯片模具欲制作通孔結構的位置放置磁柱5，并在芯片模具上 方對應欲制作通孔結構的位置放置不銹鋼微管7，以磁力固定之；固定好微 管后，在容器內(nèi)澆注由PDMS前體和固化劑混合(10:1)的PDMS預聚物，并置于熱板上固化；待PDMS固化后，移除磁柱5，并從芯片模具上剝離 PDMS，然后與另一平整基片鍵合，從而制作集成有連接微管的PDMS微流 控芯片。
實施例2. PDMS微流控芯片上高密度通孔結構的制作 若PDMS微流控芯片上欲制作多個通孔結構，且通孔之間相距較小，則 相鄰磁柱之間的相互磁力作用會導致磁柱的位置偏移，影響微柱的定位固 定；為了避免PDMS微流控芯片上制作較高密度通孔結構時，相鄰磁柱之間 的相互磁力作用對微柱定位固定的影響，可采用如下方式進行微柱固定(如 圖4所示)首先澆注一基于PDMS材料的平板8，并以打孔器在此平板上 制作一組小孔，小孔中心位置與模具上待制作通孔中心基本對應，且小孔孔 徑等于或略小于磁性微柱直徑，然后將磁性微柱一一鑲嵌于小孔中固定，通 過這種固定方式防止兩個或多個磁柱緊密排布時因相互磁力作用導致位置 偏移。固定磁柱的模板制作完成后，將裝有芯片模具l的鋁箔紙容器2放置 于此平板模板上，并保持芯片模具欲制作通孔結構的位置與模板上磁柱位置 對準，然后在芯片模具上方對應欲制作通孔結構的位置上放置不銹鋼微柱6， 以磁力固定之；固定好微柱后，在容器內(nèi)澆注由PDMS前體和固化劑混合 (10:1)的PDMS預聚物，并置于熱板上固化；待PDMS固化后，移除磁柱 5，并從芯片模具上剝離PDMS，然后與另一平整基片鍵合，從而制作具有 較高密度通孔結構的PDMS微流控芯片。
實施例3. PDMS微流控芯片上連通不同微管道層的通孔結構的制作 本發(fā)明也用于制作PDMS微流控芯片上連通不同微管道層的通孔結構， 如圖5和圖6所示，首先分別制作含微通孔結構的底層微管道層模具和上層 微管道層模具，整個制作流程與實施例2操作類似，以對應位點鑲嵌有磁性 微柱5的PDMS平板8，置于裝有芯片模具1的鋁箔紙容器2下面，實現(xiàn)通 孔位置處不銹鋼微柱的固定，與實施例2不同之處在于底層芯片模具l上 除了以磁力固定有一組用于制作芯片開口結構的不銹鋼微柱6外，還固定了 一組用于制作連接通孔結構的更小直徑的不銹鋼微柱9。固定好微柱后，在 容器內(nèi)澆注由PDMS前體和固化劑混合(10:1)的PDMS預聚物，并置于熱 板上固化；待PDMS固化后，從兩個鋁箔紙容器下面分別移除鑲嵌磁柱的 PDMS平板8，并從芯片模具上剝離PDMS，分別制得上層微管道層芯片層IO和底層微管道層芯片層11，將二者對準鍵合，最后再與一平整玻璃或
PDMS基片12鍵合，制作完成含有連接微通孔結構的多層PDMS微流控芯 片。
權利要求
1、一種PDMS微流控芯片中通孔結構的制作方法，其特征在于首先將微柱或微管固定于芯片模具擬制作通孔結構的位置；然后通過整體澆注，制作具有高深寬比通孔結構的PDMS微流控芯片，PDMS系聚二甲基硅烷的英文縮寫。
2、 按權利要求1所述的PDMS微流控芯片中通孔結構的制作方法，其 特征在于(a) 首先利用光刻工藝制作微流控芯片模具，并將芯片模具置于培養(yǎng) 皿或鋁箔紙捏制的容器中；(b) 接著，在容器底部對應芯片模具基片的位置放置一不銹鋼、鐵、 鎳或含鐵鎳的合金材料平板，并在芯片模具上方對應欲制作通孔結構的位置 放置基于磁性材料的微柱或微管；或者，在容器底部垂直^t應芯片模具欲制 作通孔結構的位置放置基于磁性材料的微柱，并在芯片模具上方對應欲制作 通孔結構的位置放置基于不銹鋼、鐵、鎳或含鐵鎳合金材料的微柱或微管；(c) 然后，在容器內(nèi)澆注由PDMS前體和固化劑混合的PDMS預聚物； PDMS固化后，抽出微柱或微管，從芯片模具上剝離PDMS，與另一基片鍵 合，從而制作具有通孔結構的PDMS微流控芯片；或者，PDMS固化后，直 接從芯片模具上剝離PDMS，與另一基片鍵合，保留微管作為微流控芯片的 組裝結構，使微流控芯片直接通過微管插接軟管與外界互連。
3、 按權利要求1或2所述的PDMS微流控芯片中通孔結構的制作方法， 其特征在于微柱或微孔外形和孔徑與待制作通孔結構形狀和孔徑相同 ，微柱 或微管的高度大于待制作PDMS芯片層的厚度。
4、 按權利要求2所述的PDMS微流控芯片中通孔結構的制作方法，其 特征在于多個磁性材料微柱位于芯片模具基片下方時，若磁性微柱之間間距 較大，各磁性微柱分別自由單獨放置；若磁性微柱之間間距較小，將磁性微 柱鑲嵌于預制有一組小孔的平板模板中，然后放置于芯片模具基片下方。
5、 按權利要求1或2所述的PDMS微流控芯片中通孔結構的制作方法， 其特征在于采用磁性微柱固定時，PDMS固化后，抽出磁性微柱形成通孔； 采用磁性微管固定時，固定的微管抽出，或作為PDMS芯片的結構保留。
6、 按權利要求1或2所述的PDMS微流控芯片中通孔結構的制作方法， 其特征在于微柱或微管通過磁性力固定于芯片模具預定的結構位置。
7、 按權利要求1或2所述的PDMS微流控芯片中通孔結構的制作方法， 其特征在于微流控芯片成形與通孔的制作一次完成。
8、 按權利要求4所述的PDMS微流控芯片中通孔結構的制作方法，其 特征在于平板模板上的一組小孔的孔徑等于或略小于磁性微柱直徑；小孔的 中心位置與模具上待制作的通孔中心對應。
9、 按權利要求4或8所述的PDMS微流控芯片中通孔結構的制作方法， 其特征在于在平板模板上的一組小孔是用打孔器制作的。
10 權利要求2所述的PDMS微流控芯片中通孔結構的制作方法，其 特征在于所述的微柱底層芯片模具上固定有一組制作芯片開口結構的不銹 鋼微柱，還固定一組用于制作連接通孔結構的更小直徑的不銹鋼微柱。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種PDMS微流控芯片中通孔結構的制作方法，其特征在于利用磁性力的輔助，將微柱或微管固定于芯片模具上擬制作通孔結構的位置，然后通過整體澆注PDMS預聚物，并固化鍵合，制作出具有高深寬比通孔結構的PDMS微流控芯片。本發(fā)明提供的微流控芯片成形與通孔制作一次完成，簡化了微流控芯片制作工藝，而且通過微柱或微管與芯片模具固定，實施整體澆注，提高了通孔制作的精確度，保證了通孔形狀的規(guī)整性，避免了形成通孔孔形不規(guī)則、損壞微管道結構等問題。另外，微磁柱排布利用預制模具鑲嵌固定，還可以提高通孔制作密度，實現(xiàn)批量化加工制作。
文檔編號B81C99/00GK101585507SQ20091005359
公開日2009年11月25日 申請日期2009年6月23日 優(yōu)先權日2009年6月23日
發(fā)明者剛 李, 李俊君, 趙建龍, 強 陳 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所