專利名稱：一種制造芯片內(nèi)微流體動態(tài)混合器的混合池的凸凹模具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，涉及芯片內(nèi)微量液體動態(tài)混合器。
背景技術(shù)：
微流體系統(tǒng)可應(yīng)用在化學(xué)分析、生物及化學(xué)傳感、分子分離、核酸排 序及分析、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。充分混合是進(jìn)行生化反應(yīng)的必要條件，但傳 統(tǒng)靠攪拌混合的動力混合方法顯然不適用于生化芯片。因此己由許多學(xué)者 探討能夠?qū)崿F(xiàn)芯片內(nèi)微升或納升量級液體混合的新方法。目前國際上已有的不同類型微混合器，大致可分為動態(tài)混合器和靜態(tài) 混合器。在動態(tài)混合器中，它主要通過微流體通道、微型反應(yīng)器和外加力場等 來實現(xiàn)對樣品的混合操作。1991年，Moroney和White使用超聲波泵驅(qū)動 流體形成流體回路，實現(xiàn)了極好的混合。Evan在1997年用高溫產(chǎn)生的水 蒸氣泡在多重循環(huán)的混合艙(面積為1.6X0. 6mm， 100um深)內(nèi)來回流 動。使相鄰的流體粒子在混沌流場(其起始條件對流體分子的運動軌跡和 最終位置起很大作用)中大量的分離、聚合，流體分子形成混沌對流，使 流體充分的混合。Miyake在1993年利用流體通過微型噴口的特征，設(shè)計 出了一種能產(chǎn)生許多小流的微混合器。它用微管道作為流體管道，在試劑 的入口處有2. 2腿X2mmX 330 u m的混合區(qū)域，底部有間隔為15 u m的400 個微型噴口。通過這些噴口，上面的樣品被注入到下面的試劑中，形成了 很多微小的噴流，即噴流陣列。噴流會大大增加兩種混合流體表面的接觸 面，通過擴散來加速擴散的速度。在靜態(tài)混合器中，它主要靠拉長或剪切層流(增大液體間的接觸面積) 或分流(將大的液流分裂成許多小的液流，使液體的厚度大大降低)達(dá)到 有效的混合。以上目標(biāo)的實現(xiàn)主要通過改變混合器中微型管道的幾何形狀 或產(chǎn)生液流間的相對運動來達(dá)到。目前使用較多的方法是根據(jù)微流體力學(xué) 原理設(shè)計較為復(fù)雜的連續(xù)或平行流路系統(tǒng)，以增強微流體的對流和分子擴散，增加微流體的有效接觸面積，提高液體的混合效率，減少混合所需的時間及空間。Alcatel Optronics Netherlands公司研制了一種分層式混 合器結(jié)構(gòu)，液體經(jīng)多次分流，多次匯合，從而達(dá)到良好的混合效果。1996 年Branebjerg和Larse又研制了一種重復(fù)分層的混合器。在微結(jié)構(gòu)中， 由于雷諾數(shù)很低，流體往往呈層流狀態(tài)。如果在不影響流體性質(zhì)的情況下， 將兩種流體通過"重疊"或"迭加"進(jìn)行混合。經(jīng)過n次這樣的混合后， 混合流體被分為2n層。這樣就大大增加了流體間的接觸面，混合效果得 到了極大的改善。1997年，A. Desai等研制了一種T型混合器，應(yīng)用于雷 諾數(shù)為2000 _ 6000的次毫秒級液體混合。中心芯片由兩個T型混合器組 成，中間通過一條作為反應(yīng)腔的微管道連接，液體匯合后進(jìn)入第三條管道， 再次形成T字型狀，以達(dá)到液體的均勻混合。文獻(xiàn)〃 PDMS薄膜電磁微泵的 原理與制作〃 (白蘭，吳一輝，張平，王淑榮，微細(xì)加工技術(shù)，2003年第 2期，第54-58頁，2003年6月)公開了一種PDMS薄膜電磁微泵的結(jié)構(gòu)及 工作原理PDMS薄膜電磁微泵主要由PDMS構(gòu)成的彈性泵膜、釹鐵硼永磁薄 塊、以及下部的平面線圈三部分構(gòu)成，當(dāng)在平面線圈中通入方波形式的交 變電流時，該線圈會產(chǎn)生交變磁場，釹鐵硼永磁薄塊形成的磁場與交變磁 場相互作用帶動PDMS薄膜往復(fù)運動，從而引起泵腔體積的變化，進(jìn)而控制 微量流體的進(jìn)出。本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容綜上所述，微流體靜態(tài)混合器大多在雷諾數(shù)較高的情況下使用，混合 機理仍是以擴散為主，只能在局部微管道內(nèi)引起小范圍混沌對流，混合時 間較長、速度慢，層流現(xiàn)象不易從根本上解決。且注入設(shè)備一般為外置， 無法集成。動態(tài)混合在雷諾數(shù)較低的情況下仍能實現(xiàn)快速、均勻的混合， 但往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜不利于集成制作。針對上述背景技術(shù)中混合時間長、速度 慢、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成度差、采用硅片材料成本高、生物兼容性差的問題， 本發(fā)明將提供芯片內(nèi)微流體動態(tài)混合器、混合池模具及其驅(qū)動方法。本發(fā)明芯片內(nèi)微流體動態(tài)混合器包括混合池l、第一準(zhǔn)直器2、第一光纖3、定位襯底4、支架5、振動薄膜6、交流電源7、平面線圈8、永磁 薄片9、第二光纖10與第二準(zhǔn)直器11，支架5的凹槽中心固定有平面線圈 8，平面線圈8的輸入端與交流電源7連接，在支架5的凸起處固定有定位 襯底4，第一準(zhǔn)直器2與第二準(zhǔn)直器11耦合對準(zhǔn)后其下部固定在定位襯底 4上，混合池1的下平面與定位襯底4的上平面固定連接，第一準(zhǔn)直器2和 第二準(zhǔn)直器11其上部嵌入混合池1中，在第一準(zhǔn)直器2和第二準(zhǔn)直器11的兩端分別固定連接有第一光纖3和第二光纖10，混合池1的底部與振動薄膜6的上部固定連接，在振動薄膜6的下部與永磁薄片9的上部固定連 接，永磁薄片9的下部與平面線圈8的上部有空隙。定位襯底4如附圖2所示包括襯體12、第一槽13、通孔14和第二槽15， 在襯體12本體上中心對稱制備有第一槽13、第二槽15和一個通孔14，在 通孔14的兩個平面端分別有第一槽13和第二槽15;第一準(zhǔn)直器2與第二 準(zhǔn)直器11其下部分別固定在第一槽13和第二槽15中。混合池1如附圖3所不包括支撐體16、第三槽17、混合腔18和第 四槽19，在支撐體16本體上制備有第三槽17、混合腔18和第四槽19，在 混合腔18的兩個平面端分別有第三槽17和第四槽19，混合腔18與第三槽 17和第四槽19之間有薄的支撐體16作為混合腔18的壁；第一準(zhǔn)直器2和 第二準(zhǔn)直器11其上部分別嵌入第三槽17和第四槽19中。在支撐體16本體上的混合腔18采用通孔或盲孔?；旌锨?8采用通 孔時，在通孔的底部固定振動薄膜6;混合腔18采用盲孔時，盲孔的底部 厚度為10um — 300 um。本發(fā)明混合池的敞模成型模具如附圖4所示，包括第一凹槽20、敞 模體21、第一方柱22、第二凹槽23、第一柱體24和第二方柱25，在敞模 體21的本體上對稱分布第一凹槽20、第一方柱22、第二凹槽23、第一柱 體24，第一方柱22、第二方柱25分別是第三槽17、第四槽19的外形，第 一凹槽20、第二凹槽23是支撐體16的外形，在第一方柱22和第二方柱25 的端部與第一柱體24的平面端的間隙為混合腔18的內(nèi)壁，敞模體21與第 一柱體24通過螺紋連接，第一柱體24位于敞模體21中心。如附圖5所示和如附圖6所示本發(fā)明混合池的凸凹模具包括凸模 體26、第二柱體27、第一起模螺釘29、第二起模螺釘31、與第一起模螺釘 29和第二起模螺釘31配合的兩個起模螺孔、凹模體32、第三凹槽33、定 位平面34、第三方柱35、第四凹槽36、底部凹槽37和第四方柱38，在凸 模體26本體上制備有第二柱體27、兩個起模螺孔，兩個起模螺孔對稱分布 于凸模體26上，第二柱體27位于凸模體26的中心，第一起模螺釘29、第 二起模螺釘31分別與凸模體26固定連接，第二柱體27對應(yīng)著混合腔18 的外形；在凹模體32本體上制備有第三凹槽33、定位平面34、第三方柱 35、第四凹槽36、底部凹槽37和第四方柱38，第三方柱35和第四方柱38 的上平面與定位平面34在一個平面上且對稱分布，在第三方柱35和第四 方柱38的兩側(cè)對稱分布有第三凹槽33、第四凹槽36，在第三凹槽33和第四凹槽36的中心制備有底部凹槽37。芯片內(nèi)微流體動態(tài)混合器工作時第一光纖3與光源相連，第二光纖10與光譜儀相連，先在混合腔中注入樣品與試劑，然后打開交流電源，在平面線圈中通入方波形式的電流，利用平面線圈和永磁薄片形成磁場與交 變磁場相互作用，來帶動振動薄膜往復(fù)運動產(chǎn)生諧振驅(qū)動，使流場產(chǎn)生周 期性擾動形成有旋流動使混合腔的體積引起變化，從而實現(xiàn)芯片內(nèi)微流體 的動態(tài)混合。本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明采用電磁激勵駐波的方法，解決了驅(qū)動電壓高、 操作復(fù)雜、混合時間長、速度慢等問題；本發(fā)明采用混合池設(shè)計有槽，采 用接插的方式，準(zhǔn)直器內(nèi)置于槽內(nèi)解決了集成度難的問題。本發(fā)明采用敞 模成型模具具有結(jié)構(gòu)簡單、工序少的優(yōu)點。本發(fā)明采用凹、凸模模具使振 動薄膜與混合池為一體結(jié)構(gòu)，減少了工序、工時。由于本發(fā)明利用了模具 制備芯片內(nèi)微流體動態(tài)混合器，則可以采用生物兼容性好、價格低的聚合 物材料，解決了背景技術(shù)采用硅片材料成本高、生物兼容性差的問題。


圖1本發(fā)明芯片內(nèi)微流體動態(tài)混合器示意圖； 圖2本發(fā)明定位襯底；圖3本發(fā)明芯片內(nèi)微流體動態(tài)器的混合池；圖4本發(fā)明芯片內(nèi)微流體動態(tài)混合器的混合池敞模成型模具； 圖5本發(fā)明芯片內(nèi)微流體動態(tài)混合器的混合池凸模； 圖6本發(fā)明芯片內(nèi)微流體動態(tài)混合器的混合池凹模；
具體實施例方式本發(fā)明芯片內(nèi)微流體動態(tài)混合器如附圖l所示，包括混合池l、第一準(zhǔn)直器2、第一光纖3、定位襯底4、支架5、振動薄膜6、交流電源7、平 面線圈8、永磁薄片9、第二光纖10與第二準(zhǔn)直器11?；旌铣?如附圖3所示，包括在支撐體16本體上有第三槽17、混合 腔18和第四槽19。混合池1與振動薄膜6可采用PDMS、環(huán)氧樹脂等透光 性好、彈性好的聚合物材料制成?；旌铣?和振動薄膜6可采用注塑成型 法。第一準(zhǔn)直器2與第二準(zhǔn)直器11可采用自聚焦透鏡等光學(xué)器件。第一光纖3和第二光纖10可采用單模光纖或多模光纖。定位襯底4如附圖2所示，包括襯體12、第一槽13、通孔14和第二 槽15，通孔14有兩個平行的平面，分別與第一槽13、第二槽15相連。定 位襯底4可采用硅、玻璃、金屬和有機聚合物等材料制成。支架5可采用硅、玻璃、金屬和有機聚合物等材料制成。交流電源7 可選用12伏電壓。平面線圈8可選用10匝或15匝或20匝。永磁薄片9 可采用釹鐵硼、鐵氧體等永磁材料制成。第一準(zhǔn)直器2、第二準(zhǔn)直器ll分別采用一片透鏡。第一準(zhǔn)直器2、第二 準(zhǔn)直器11耦合對準(zhǔn)后用502膠等瞬間凝固膠固定在定位襯底4的第一槽13、 第二槽15中支架5凹槽的中心用聚二甲基硅氧垸(俗稱PDMS，以下稱PDMS)、 502膠等粘結(jié)平面線圈8，支架5凸起處與定位襯底4的下平面用PDMS、 502 膠等粘結(jié)，平面線圈8的輸入端與交流電源7通過接插件連接。永磁薄片9 的上平面用PDMS、 502膠等粘結(jié)在振動薄膜6的下平面。以PDMS為例，先稱取PDMS預(yù)聚物與固化劑按質(zhì)量比10: l混合， 靜放或放在真空干燥器中，直到混合物中的氣泡完全沒有為止。在支撐體 16本體上的混合腔18采用通孔時，采用如附圖4所示的芯片內(nèi)微流體動 態(tài)混合器的混合池敞模成型模具。將PDMS倒入混合池敞模成型模具中， 靜放，待其均勻、平整(如有氣泡，要放在真空干燥器中抽氣直到混合物 中的氣泡沒有為止)。在混合池敞模成型模具上放一平整隔層，用載玻片 壓住(注意不要移動)。用夾具將混合池敞模成型模具與載玻片夾緊，然 后將其移入烘箱中高溫烘烤若干時間。烘干固化后，敞模成型模具上的混 合池圖形就轉(zhuǎn)移到了固化后的TOMS上。將PDMS從敞模成型模具上小心剝 離下來，切除邊緣部分，就得到了混合腔18為通孔時的PDMS混合池1。 用PDMS、 502膠等把粘有永磁薄片9的振動薄膜6粘貼在混合池的下平面， 注意永磁薄片9應(yīng)在混合腔18的中心。在支撐體16本體上的混合腔18 采用盲孔時，采用如附圖5、 6所示的芯片內(nèi)微流體動態(tài)混合器的混合池 凸模、凹模模具。將PDMS倒入混合池凹模中，靜放，待其均勻、平整(如 有氣泡，要放在真空干燥器中抽氣直到混合物中的氣泡沒有為止)。將混 合池凸模插入到凹模中，以定位平面34定位，注意不要移動。用夾具將 混合池凹凸模夾緊，然后將其移入烘箱中高溫烘烤若干時間。烘干固化后，凹凸模上的混合池圖形就轉(zhuǎn)移到了固化后的PDMS上。先利用第一起模螺釘 29、第二起模螺釘31把凹凸模分開，注意用力均勻，再將固化后的PDMS 小心剝離下來，切除邊緣部分，就得到了混合腔18為盲孔時的PDMS混合池 1。通過控制夾具的松緊可調(diào)節(jié)盲孔的底部厚度，可控范圍為10y m-300ym。 夾具最松時，即凹凸模間隙最大時，底部厚度最大為300ura;夾具最緊時， 即凹凸模間隙最小時，底部厚度最小為10ixm;夾具控制凹凸模間隙在IOO lim時，即可得到lOOym的底部厚度。本發(fā)明芯片內(nèi)微流體動態(tài)混合器驅(qū)動方法如附圖l所示首先利用交 流電源7在平面線圈8中通入方波形式的電流，使平面線圈8產(chǎn)生交變磁 場，再利用永磁薄片9形成磁場與交變磁場相互作用，來帶動振動薄膜6 往復(fù)運動產(chǎn)生諧振驅(qū)動，使流場產(chǎn)生周期性擾動形成有旋流動，從而形成 強對流并以此提高混合速度和效率。當(dāng)混合腔18用通孔時，本發(fā)明可以采用敞模成型模具來實現(xiàn)混合池 的制作，如附圖4所示，包括第一凹槽20、敞模體21、第一方柱22、第 二凹槽23、第一柱體24和第二方柱25，可采用金屬等材料制成。第一柱體 24有兩個與第一方柱22、第二方柱25端面平行的平面，這兩個平面對稱分 布，第一柱體24的橫斷面周邊的其它部分可采用直線或圓弧。第一柱體24 與第一方柱22、第二方柱25之間有間隙，即混合腔18的壁。第一柱體24 與敞模體21通過螺紋連接。當(dāng)混合腔1用盲孔時，本發(fā)明可以采用凸凹模具來實現(xiàn)混合池的制作， 如附圖5所示和如附圖6所示，包括凸模體26、第二柱體27、第一起模 螺釘29、第二起模螺釘31、與第一起模螺釘29和第二起模螺釘31配合的 兩個起模螺孔、凹模體32、第三凹槽33、定位平面34、第三方柱35、第四 凹槽36、底部凹槽37和第四方柱38，可采用金屬等材料制成。第二柱體 27有兩個與第三方柱35、第四方柱38端面平行的平面，這兩個平面對稱分 布，第二柱體27的橫斷面周邊的其它部分可采用直線或圓弧。底部凹槽37 有兩個與第三方柱35、第四方柱38端面平行的平面，這兩個平面對稱分布， 底部凹槽37的橫斷面周邊的其它部分可采用直線或圓弧。
權(quán)利要求
1、一種制造芯片內(nèi)微流體動態(tài)混合器的混合池的凸凹模具，其特征在于包括凸模體(26)、第二柱體(27)、第一起模螺釘(29)、第二起模螺釘(31)、與第一起模螺釘(29)和第二起模螺釘(31)配合的兩個起模螺孔，凹模體(32)、第三凹槽(33)、定位平面(34)、第三方柱(35)、第四凹槽(36)，底部凹槽(37)和第四方柱(38)，在凸模體(26)本體上制備有第二柱體(27)、兩個起模螺孔、兩個起模螺孔對稱分布于凸模體(26)上，第二柱體(27)位于凸模體(26)的中心，第一起模螺釘(29)和第二起模螺釘(31)分別與凸模體(26)固定連接，在凹模體(32)本體上制備有第三凹槽(33)、定位平面(34)、第三方柱(35)、第四凹槽(36)、底部凹槽(37)和第四方柱(38)，第三方柱(35)和第四方柱(38)的上平面與定位平面(34)在一個平面上且對稱分布，在第三方柱(35)和第四方柱(38)的兩側(cè)對稱分布有第三凹槽(33)和第四凹槽(36)，在第三凹槽(33)和第四凹槽(36)的中心制備有底部凹槽(37)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制造芯片內(nèi)微流體動態(tài)混合器的混合池的凸凹模具，包括凸模體和凹模體兩個部分，凸凹模體配合使用完成混合池的制作。本發(fā)明采用凹、凸模具使振動薄膜與混合池為一體結(jié)構(gòu)，減少了工序、工時，可以采用生物兼容性好、價格低的聚合物材料，解決了采用硅片材料成本高、生物兼容性差的問題。
文檔編號G01N33/50GK101308135SQ20081012716
公開日2008年11月19日 申請日期2004年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月27日
發(fā)明者吳一輝, 平 張, 峰 李, 李淑嫻 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所