專利名稱：微流控芯片內(nèi)的雙液體毛細(xì)微流控制閥及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于微流控芯片上實現(xiàn)兩種液體同時進(jìn)樣的毛細(xì)微流控制閥，特別是 一種適用于生物檢測中實現(xiàn)兩種具有不同親介質(zhì)特性的微量液體同步進(jìn)給的控制機構(gòu)。
背景技術(shù)：
微流控芯片是當(dāng)前微全分析系統(tǒng)(Miniaturized Total Analysis Systems)發(fā)展 的熱點領(lǐng)域。微流控芯片將用于完成樣品處理、輸運、定量、混合和探測等過程的微結(jié)構(gòu)集 成于芯片之上，構(gòu)成微流控技術(shù)實現(xiàn)的主要平臺。在芯片上，液體的混合操作需要兩種液 體同時進(jìn)入微混合器，該功能由Y型進(jìn)樣微通道完成。通常Y型進(jìn)樣微通道內(nèi)兩種液體在 兩進(jìn)樣分支的交匯處毛細(xì)流動的截止由疏水區(qū)微閥或擴張閥實現(xiàn)，然后通過液體觸發(fā)的方 式實現(xiàn)交匯處微閥的開啟，從而實現(xiàn)兩種液體的同時進(jìn)樣。在微通道內(nèi)局部沉積C4F8，或制 作OTS疏水區(qū)可形成疏水閥；毛細(xì)擴張閥主要是通過微通道內(nèi)深度或?qū)挾确较虺叽绲耐蛔?實現(xiàn)毛細(xì)流動的截止功能。疏水閥的制作需要進(jìn)行局部表面處理，會增加工藝復(fù)雜性和加 工難度，工藝兼容性差；擴張閥主要是依靠尺寸的擴張來實現(xiàn)流動的截止，對高親液體易失 效。因此，通常的Y型進(jìn)樣微通道存在加工工藝復(fù)雜，工藝兼容性差，難以實現(xiàn)高親液體同 時進(jìn)樣和存在液體殘留的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決目前微流控技術(shù)中存在的難以實現(xiàn)兩種具有不同親介質(zhì) 特性的微量液體同時進(jìn)樣的技術(shù)難題，提出一種微流控芯片內(nèi)的雙液體毛細(xì)微流控制閥及 其制作方法。本發(fā)明微流控芯片內(nèi)的雙液體毛細(xì)微流控制閥，是表面上設(shè)有凹槽的聚二甲基硅 氧烷(PDMS)基片貼置在玻璃片表面上構(gòu)成的Y型毛細(xì)通道，所述PDMS基片表面上的凹槽 包括第一支流凹槽、第二支流凹槽、輸出凹槽和氣道凹槽；所述第一支流凹槽、第二支流凹 槽和輸出凹槽的橫截面寬度相等；所述氣道凹槽的橫截面寬度小于第一支流凹槽、第二支 流凹槽和輸出凹槽的橫截面寬度；所述第二支流凹槽和輸出凹槽的深度相等，第一支流凹 槽的深度小于第二支流凹槽的深度；第二支流凹槽和輸出凹槽的深度小于氣道凹槽的深 度；所述第一支流凹槽和第二支流凹槽的末端匯通于輸出凹槽的輸入端，氣道凹槽的末端 匯通于第二支流凹槽的末端前，所述氣道凹槽的進(jìn)口端距輸出凹槽輸入端的長度大于第一 支流凹槽進(jìn)口端與第二支流凹槽進(jìn)口端距輸出凹槽輸入端的長度。微流控芯片內(nèi)的雙液體毛細(xì)微流控制閥的制作方法，該方法的具體步驟為步驟一、在氧化后的Si單晶片的表面上旋涂光刻膠，光刻出所述第一支流凹槽、 第二支流凹槽、輸出凹槽和氣道凹槽的光刻膠圖形，將所述光刻膠圖形堅膜后濕法腐蝕鋁 SiO2,然后將第一支流凹槽、第二支流凹槽、輸出凹槽和氣道凹槽其余部分的光刻膠去除， 獲得第一支流凹槽、第二支流凹槽、輸出凹槽和氣道凹槽通道的SiO2掩模圖形；步驟二、在步驟一獲得的SiO2掩模圖形上蒸鍍1 μ m厚的鋁膜，然后在所述鋁膜上旋涂光刻膠，光刻出所述的第二支流凹槽、輸出凹槽和氣道凹槽的光刻膠圖形，堅膜后濕法 腐蝕鋁，獲得鋁掩模圖形，然后將所述第二支流凹槽、輸出凹槽和氣道凹槽的其余部分的光 刻膠去除，獲得第二支流凹槽、輸出凹槽和氣道凹槽的鋁掩模圖形；步驟三、在步驟二獲得的鋁掩模圖形的Si晶片上旋涂光刻膠，光刻出氣道凹槽的 光刻膠圖形，堅膜后去膠，獲得膠掩模圖形；步驟四、將步驟二獲得的鋁掩模圖形和步驟三獲得的膠掩模圖形的Si晶片進(jìn)行 ICP干法刻蝕，獲得Si基陰模模具；所述ICP干法刻蝕的過程為步驟A、首先刻蝕10 μ m，然后除去膠掩模，獲得含有鋁掩模圖形的Si晶片； 步驟B、在步驟A的基礎(chǔ)上繼續(xù)刻蝕170 μ m,然后除去鋁掩模，繼續(xù)刻蝕30 μ m，獲 得Si基陰模模具；步驟五、采用微模鑄方法，將液態(tài)PDMS澆注于Si基陰模模具上，然后進(jìn)行真空脫 氣、加熱、冷卻后脫模；獲得PDMS陽模模具；步驟六、在步驟五所述的PDMS陽模模具上澆注液態(tài)PDMS，然后進(jìn)行真空脫氣、加 熱、冷卻后脫模；獲得PDMS基片；步驟七、對步驟六獲得的PDMS基片上的第一支流凹槽、第二支流凹槽和氣道凹槽 的末端處分別打孔，分別為第一支流凹槽的進(jìn)口端、第二支流凹槽的進(jìn)口端和氣道凹槽的 進(jìn)口端；步驟八、將步驟七獲得的打孔后的PDMS基片與玻璃片貼合，獲得微流控芯片內(nèi)雙 液體毛細(xì)微流控制閥。本發(fā)明雙液體毛細(xì)微流控制閥的工作原理為深度較小的第一支流凹槽所構(gòu)成的第一支流液體通道與深度較大的第二支流凹 槽所構(gòu)成的第二支流液體通道和輸出凹槽所構(gòu)成的輸出液體通道的交匯處分別形成兩擴 張閥，第二支流液體通道與氣道凹槽所構(gòu)成的氣體通道的交匯處也有擴張閥形成。當(dāng)一種 液體由第一支流液體通道的進(jìn)口加入后，在毛細(xì)作用下液體到達(dá)與輸出液體通道交匯處的 擴張閥處時，毛細(xì)流動被截止。然后由第二支流液體通道的進(jìn)口處加入另一種液體，該液體 亦在毛細(xì)作用下流向其該通道末端，由于被封堵在第一支流液體通道與第二支流液體通道 末端的氣體被壓縮，使得氣壓與毛細(xì)壓平衡，而使得第二支流液體通道的液體截止于氣體 通道與該第二支流液體通道的交匯處。然后提供離心力，旋轉(zhuǎn)中心位于該雙液體毛細(xì)微流 控制閥的上述兩個支流液體通道和氣體通道的進(jìn)口端一側(cè)，在離心力作用下，被封堵于第 一支流液體通道與第二支流液體通道末端的氣體因向旋轉(zhuǎn)中心方向運動而由氣體通道的 進(jìn)口而排出，第二支流液體通道內(nèi)的液體到達(dá)兩支流液體通道的交匯處，與第一支流液體 通道內(nèi)的液體在擴張閥處匯合，進(jìn)而使兩支液體流沿輸出液體通道同時流出。該雙液體毛 細(xì)微流控制閥結(jié)構(gòu)簡單，能夠同時實現(xiàn)兩種液體(其中一種可為高親液體)的毛細(xì)流動在 交匯處的阻斷，進(jìn)而實現(xiàn)在離心力下兩種液體的同時進(jìn)樣，且Y型微通道交匯處無液體殘 余；另外，選用聚合物等廉價材料，使制作工藝極大簡化，成本降低。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明微流控芯片內(nèi)的雙液體毛細(xì)微流控制閥，可以實現(xiàn)高 親液體在Y型微通道交匯處的阻斷；在離心力場內(nèi)氣體易順利排出，提高了對高親液體毛 細(xì)流動于交匯處截止的可靠性，從而有效的保證了兩種液體進(jìn)樣的同時性；且避免了液體 在Y型微通道交匯處的殘余；其結(jié)構(gòu)材料廉價，工藝簡單，可有效縮短器件的制作周期和降低制作成本。


圖1是本發(fā)明微流控芯片內(nèi)雙液體毛細(xì)微流控制閥的立體示意圖；圖2是圖1中所示PDMS基片的立體示意圖；圖3是圖2中所示PDMS基片的A-A剖面示意圖。圖中1、PDMS基片，1-1、第一支流凹槽，1-1-1、第一支流凹槽進(jìn)口端，1-2、第二支 流凹槽，1-2-1、第二支流凹槽進(jìn)口端，1-3、輸出凹槽，1-4、氣道凹槽，1-4-1、氣道凹槽進(jìn)口 端，2、玻璃片。
具體實施例方式具體實施方式
一、結(jié)合圖1至圖3說明本實施方式，微流控芯片內(nèi)的雙液體毛細(xì)微 流控制閥，是表面上設(shè)有凹槽的PDMS基片1貼置在玻璃片2表面上構(gòu)成的Y型毛細(xì)通道， 所述PDMS基片1表面上的凹槽包括第一支流凹槽1-1、第二支流凹槽1-2、輸出凹槽1-3和 氣道凹槽1-4 ；所述第一支流凹槽1-1、第二支流凹槽1-2和輸出凹槽1-3的橫截面寬度相 等；所述氣道凹槽1-4的橫截面寬度小于第一支流凹槽1-1、第二支流凹槽1-2和輸出凹槽 1-3的橫截面寬度；所述第二支流凹槽1-2和輸出凹槽1-3的深度相等，第一支流凹槽1-1 的深度小于第二支流凹槽1-2的深度；第二支流凹槽1-2和輸出凹槽1-3的深度小于氣道 凹槽1-4的深度；所述第一支流凹槽1-1和第二支流凹槽1-2的末端匯通于輸出凹槽1-3 的輸入端，氣道凹槽1-4的末端匯通于第二支流凹槽1-2的末端前，所述氣道凹槽1-4的進(jìn) 口端1-4-1距輸出凹槽1-3輸入端的長度大于第一支流凹槽1-1進(jìn)口端1-1-1與第二支流 凹槽1-2進(jìn)口端1-2-1距輸出凹槽1-3輸入端的長度。本實施方式所述氣道凹槽1-4的末端匯通于第二支流凹槽1-2的末端前，所述的 末端前是指第一支流凹槽1-1和第二支流凹槽1-2的末端匯通于輸出凹槽1-3的輸入端 之前的任意的位置。本實施方式所述的第一支流凹槽1-1、輸出凹槽1-3和第二支流凹槽1-2的深度分 別為30 μ m、200 μ m和200 μ m,其寬度均為600 μ m ；所述氣道凹槽1-4的深度為240 μ m、寬 度為100 μ m。
具體實施方式
二、本實施方式為具體實施方式
一所述的微流控芯片內(nèi)的雙液體毛 細(xì)微流控制閥的制作方法，該方法的具體步驟為步驟一、在氧化后的Si單晶片的表面上旋涂光刻膠，光刻出所述第一支流凹槽 1-1、第二支流凹槽1-2、輸出凹槽1-3和氣道凹槽1-4的光刻膠圖形，然后將所述光刻膠圖 形堅膜后濕法腐蝕SiO2,然后將第一支流凹槽1-1、第二支流凹槽1-2、輸出凹槽1-3和氣道 凹槽1-4其余部分的光刻膠去除，獲得第一支流凹槽1-1、第二支流凹槽1-2、輸出凹槽1-3 和氣道凹槽1-4通道的SiO2掩模圖形；步驟二、在步驟一獲得的SiO2掩模圖形上蒸鍍1 μ m厚的鋁膜，然后在所述鋁膜上 旋涂光刻膠，光刻出所述的第二支流凹槽1-2、輸出凹槽1-3和氣道凹槽1-4的光刻膠圖形， 堅膜后濕法腐蝕鋁，獲得鋁掩模圖形，然后將所述第二支流凹槽1-2、輸出凹槽1-3和氣道 凹槽1-4的其余部分的光刻膠去除，獲得第二支流凹槽1-2、輸出凹槽1-3和氣道凹槽1-4的鋁掩模圖形；步驟三、在步驟二獲得的鋁掩模圖形的Si晶片上旋涂光刻膠，光刻出氣道凹槽 1-4的光刻膠圖形，堅膜后去膠，獲得膠掩模圖形；步驟四、將步驟二獲得的鋁掩模圖形和步驟三獲得的膠掩模圖形的Si晶片進(jìn)行 ICP干法刻蝕，獲得Si基陰模模具；所述ICP干法刻蝕的過程為步驟A、首先刻蝕10 μ m，然后除去膠掩模，獲得含有鋁掩模圖形的Si晶片；步驟B、在步驟A的基礎(chǔ)上繼續(xù)刻蝕170 μ m,然后除去鋁掩模，繼續(xù)刻蝕30 μ m，獲 得Si基陰模模具；步驟五、采用微模鑄方法，將液態(tài)PDMS澆注于Si基陰模模具上，然后進(jìn)行真空脫 氣、加熱、冷卻后脫模；獲得PDMS陽模模具；步驟六、在步驟五所述的PDMS陽模模具上澆注液態(tài)PDMS，然后進(jìn)行真空脫氣、加 熱、冷卻后脫模；獲得PDMS基片1 ；步驟七、對步驟六獲得的PDMS基片1上的第一支流凹槽1-1、第二支流凹槽1_2和 氣道凹槽1-4的末端處分別打孔，分別為第一支流1-1的進(jìn)口端1-1-1、第二支流凹槽1-2 的進(jìn)口端1-2-1和氣道凹槽1-4的進(jìn)口端1-4-1 ；步驟八、將步驟七獲得的打孔后的PDMS基片1與玻璃片2貼合，獲得微流控芯片 內(nèi)雙液體毛細(xì)微流控制閥。本實施方式中步驟一所述的Si單晶片的厚度可以為380 μ m、600 μ m或者800 μ m。本實施方式中步驟五和步驟六所述的進(jìn)行真空脫氣、加熱、冷卻和脫模；獲得 PDMS陽模模具；所述的加熱溫度為120°C，加熱固化時間為15分鐘。本實施方式中步驟五獲得的PDMS陽模模具的結(jié)構(gòu)與步驟四獲得的Si基陰模模具 的結(jié)構(gòu)互補；所述的液態(tài)PDMS與固化劑按10 1的比例混合而成。本實施方式中步驟六獲得的PDMS基片1的結(jié)構(gòu)與步驟四獲得的Si基陰模模具的 結(jié)構(gòu)相同。本實施方式所述的玻璃片(2)的材質(zhì)為硼硅玻璃片，所述硼硅玻璃片的尺寸與 SiO2單晶片的尺寸相同；厚度為1mm。
權(quán)利要求
微流控芯片內(nèi)的雙液體毛細(xì)微流控制閥，是表面上設(shè)有凹槽的PDMS基片(1)貼置在玻璃片(2)上構(gòu)成的Y型毛細(xì)通道，其特征是所述PDMS基片(1)表面上的凹槽包括第一支流凹槽(1 1)、第二支流凹槽(1 2)、輸出凹槽(1 3)和氣道凹槽(1 4)；所述第一支流凹槽(1 1)、第二支流凹槽(1 2)和輸出凹槽(1 3)的橫截面寬度相等；所述氣道凹槽(1 4)的橫截面寬度小于第一支流凹槽(1 1)、第二支流凹槽(1 2)和輸出凹槽(1 3)的橫截面寬度；所述第二支流凹槽(1 2)和輸出凹槽(1 3)的深度相等，第一支流凹槽(1 1)的深度小于第二支流凹槽(1 2)的深度；第二支流凹槽(1 2)和輸出凹槽(1 3)的深度小于氣道凹槽(1 4)的深度；所述第一支流凹槽(1 1)和第二支流凹槽(1 2)的末端匯通于輸出凹槽(1 3)的輸入端，氣道凹槽(1 4)的末端匯通于第二支流凹槽(1 2)的末端前，所述氣道凹槽(1 4)的進(jìn)口端(1 4 1)距輸出凹槽(1 3)輸入端的長度大于第一支流凹槽(1 1)進(jìn)口端(1 1 1)與第二支流凹槽(1 2)進(jìn)口端(1 2 1)距輸出凹槽(1 3)輸入端的長度。
2.基于權(quán)利要求1所述的微流控芯片內(nèi)的雙液體毛細(xì)微流控制閥的制作方法，其特征 是，該方法的具體步驟為步驟一、在氧化后的Si單晶片的表面上旋涂光刻膠，光刻出所述第一支流凹槽(1-1)、 第二支流凹槽(1-2)、輸出凹槽(1-3)和氣道凹槽(1-4)的光刻膠圖形，將所述光刻膠圖形 堅膜后濕法腐蝕SiO2，然后將第一支流凹槽(1-1)、第二支流凹槽(1-2)、輸出凹槽(1-3)和 氣道凹槽(1-4)其余部分的光刻膠去除，獲得第一支流凹槽(1-1)、第二支流凹槽(1-2)、輸 出凹槽(1-3)和氣道凹槽(1-4)通道的SiO2掩模圖形；步驟二、在步驟一獲得的SiO2掩模圖形上蒸鍍1 μ m厚的鋁膜，然后在所述鋁膜上旋涂 光刻膠，光刻出所述的第二支流凹槽(1-2)、輸出凹槽(1-3)和氣道凹槽(1-4)的光刻膠圖 形，堅膜后濕法腐蝕鋁，獲得鋁掩模圖形，然后將所述第二支流凹槽(1-2)、輸出凹槽(1-3) 和氣道凹槽(1-4)的其余部分的光刻膠去除，獲得第二支流凹槽(1-2)、輸出凹槽(1-3)和 氣道凹槽(1-4)的鋁掩模圖形；步驟三、在步驟二獲得的鋁掩模圖形的Si晶片上旋涂光刻膠，光刻出氣道凹槽(1-4) 的光刻膠圖形，堅膜后去膠，獲得膠掩模圖形；步驟四、將步驟二獲得的鋁掩模圖形和步驟三獲得的膠掩模圖形的Si晶片進(jìn)行ICP干 法刻蝕，獲得Si基陰模模具；所述ICP干法刻蝕的過程為步驟A、首先刻蝕10 μ m，然后除去膠掩模，獲得含有鋁和SiO2掩模圖形的Si晶片； 步驟B、在步驟A的基礎(chǔ)上繼續(xù)刻蝕170 μ m,然后除去鋁掩模，繼續(xù)刻蝕30 μ m,獲得Si 基陰模模具；步驟五、采用微模鑄工藝，將液態(tài)PDMS澆注于Si基陰模模具上，然后進(jìn)行真空脫氣、加 熱、冷卻后脫模；獲得PDMS陽模模具；步驟六、在步驟五所述的PDMS陽模模具上澆注液態(tài)PDMS，然后進(jìn)行真空脫氣、加熱、冷 卻后脫模；獲得PDMS基片(1)；步驟七、對步驟六獲得的PDMS基片(1)上的第一支流凹槽(1-1)、第二支流凹槽(1-2) 和氣道凹槽(1-4)的末端處分別打孔，分別為第一支流(1-1)的進(jìn)口端(1-1-1)、第二支流 凹槽(1-2)的進(jìn)口端(1-2-1)和氣道凹槽(1-4)的進(jìn)口端(1-4-1)；步驟八、將步驟七獲得的打孔后的PDMS基片(1)與玻璃片(2)貼合，獲得微流控芯片 內(nèi)雙液體毛細(xì)微流控制閥。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微流控芯片內(nèi)的雙液體毛細(xì)微流控制閥的制作方法，其特征 在于，所述Si單晶片的厚度為380μπι、600μπι或者800 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微流控芯片內(nèi)的雙液體毛細(xì)微流控制閥的制作方法，其特征 在于，步驟五和步驟六所述的進(jìn)行真空脫氣、加熱、冷卻和脫模；獲得PDMS陽模模具；所述 的加熱溫度為120°C，加熱固化時間為15分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微流控芯片內(nèi)的雙液體毛細(xì)微流控制閥的制作方法，其特征 在于，步驟五獲得的PDMS陽模模具的結(jié)構(gòu)與步驟四獲得的Si基陰模模具的結(jié)構(gòu)互補。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微流控芯片內(nèi)的雙液體毛細(xì)微流控制閥的制作方法，其特征 在于，步驟五所述的液態(tài)PDMS與固化劑按10 1的比例混合而成。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微流控芯片內(nèi)的雙液體毛細(xì)微流控制閥的制作方法，其特征 在于，步驟六獲得的PDMS基片(1)的結(jié)構(gòu)與步驟四獲得的Si基陰模模具的結(jié)構(gòu)相同。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微流控芯片內(nèi)的雙液體毛細(xì)微流控制閥的制作方法，其特征 在于，所述玻璃片(2)的材質(zhì)為硼硅玻璃片，所述硼硅玻璃片的尺寸與Si單晶片的尺寸相 同。
全文摘要
微流控芯片內(nèi)的雙液體毛細(xì)微流控制閥及其制作方法，涉及用于微流控芯片上實現(xiàn)兩種液體同時進(jìn)樣的毛細(xì)微流控制機構(gòu)；它解決目前微流控技術(shù)中存在的難以實現(xiàn)兩種具有不同親介質(zhì)特性的微量液體同時進(jìn)樣的技術(shù)難題，本發(fā)明所述的第一支流凹槽、第二支流凹槽和輸出凹槽的橫截面寬度相等；氣道凹槽的橫截面寬度小于第一支流凹槽、第二支流凹槽和輸出凹槽的橫截面寬度；第二支流凹槽和輸出凹槽的深度相等，第一支流凹槽的深度小于第二支流凹槽的深度；第二支流凹槽和輸出凹槽的深度小于氣道凹槽的深度；第一支流凹槽和第二支流凹槽的末端匯通于輸出凹槽的輸入端，氣道凹槽的末端匯通于第二支流凹槽的末端前。本發(fā)明適用于高親液體同時進(jìn)樣的裝置結(jié)構(gòu)中。
文檔編號G01N35/10GK101907631SQ20101022954
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月19日
發(fā)明者劉永順, 劉震宇, 吳一輝, 張平, 鄧永波, 黎海文 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所