專利名稱：微流體控制器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微流體控制器件(microfluid control device)以及制造該微流體控制器件的方法，更具體地，涉及具有多臺階微通道的塑料微流體控制器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
微流體控制器件是芯片上實驗室(lab-on-a-chip)的關(guān)鍵部件，并應(yīng)用于要求精密流體控制的各種器件，諸如蛋白質(zhì)芯片、DNA芯片、藥物輸送系統(tǒng)、微型綜合分析系統(tǒng)和微反應(yīng)器。根據(jù)控制微流體的方法，微流體控制器件可以使用微致動法、電滲 (electrosmotic)法或毛細(xì)流動法實現(xiàn)，微致動法用于在流體通道或腔室上實現(xiàn)塑料微型泵和閥，電滲法利用通過在微流體之間施加電壓產(chǎn)生的電滲透(electromosis)來驅(qū)動流體。例如，利用毛細(xì)流動法的微流體控制器件使用微管的內(nèi)表面與流體之間的表面張力產(chǎn)生的吸引或排斥來控制流體的流動和流速。當(dāng)流體使用毛細(xì)力控制時，微流體控制器件不需要單獨的致動器或附加的電源，并很少有故障。近來，已經(jīng)提出應(yīng)用于使用毛細(xì)流動的流體控制器件或生物芯片的微塑料微結(jié)構(gòu)的各種結(jié)構(gòu)。例如，已經(jīng)提出了診斷生物芯片結(jié)構(gòu)，用于僅使用通過毛細(xì)力的流動來輸送樣品、依次在流體通道和腔室中進(jìn)行反應(yīng)以及通過光學(xué)方法測量樣品的反應(yīng)量。此外，已經(jīng)提出通過在通道中安裝具有均勻深度的六角形微型柱來產(chǎn)生毛細(xì)力或通過調(diào)節(jié)具有均勻深度的通道的寬度和角度來控制毛細(xì)力的方法。這樣的微流體控制器件可以通過諸如計算機(jī)數(shù)字控制過程的精細(xì)加工或半導(dǎo)體工藝中的干法蝕刻來制造。然而，該精細(xì)加工提供粗糙的表面，在形成微圖案上存在限制。因此，難以使用毛細(xì)力精確地控制流體。此外，使用半導(dǎo)體工藝制造微流體控制器件具有工藝?yán)щy、制造時間長和制造成本高的問題。同時，由于用于診斷疾病的微流體控制器件是一次性的(disposable)，它通常由聚合物制造。通常，其已經(jīng)通過直接加工聚合物或形成模具并將模具轉(zhuǎn)印到聚合物而制造。然而，使用聚合物的常規(guī)微流體控制器件難以控制微通道的表面形狀。由于靜電或微小顆粒附著在通道的表面上或者通道的表面特性根據(jù)時間的變化，也難以控制流體的流速。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及使用多臺階微通道控制微流體的微流體控制器件以及制造該微流體控制器件的方法。本發(fā)明的一個方面提供了一種微流體控制器件，該微流體控制器件包括下基板；
3以及流體通道基板，接觸下基板并在結(jié)合到下基板的一側(cè)具有多臺階微通道，該多臺階微通道至少具有兩個深度。本發(fā)明的另一方面提供了一種制造微流體控制器件的方法，該方法包括形成具有多臺階微圖案的模具；通過將模具的多臺階微圖案轉(zhuǎn)印到流體通道基板，形成至少具有兩個深度的多臺階微通道；以及將具有多臺階微通道的流體通道基板結(jié)合到下基板。


通過參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，本發(fā)明的以上和其它的特征以及優(yōu)點對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將變得更加明顯，附圖中圖IA和圖IB示出根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的微流體控制器件的結(jié)構(gòu)；圖IC和圖ID示出根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的微流體控制器件的控制微流體的原理；圖2A至圖2F是示出根據(jù)本發(fā)明示范性實施例形成模具原型(prototype)的方法的截面圖；圖3是示出根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的形成模具的方法的截面圖；圖4A至圖4D是示出根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的形成流體通道基板的方法的截面圖；以及圖5A和圖5B是示出根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的流體通道基板結(jié)合到下基板的截面圖。
具體實施例方式在下文，將詳細(xì)描述本發(fā)明的示范性實施例。然而，本發(fā)明不限于以下公開的實施例，而是可以以各種形式實施。為了清晰，將省略與本發(fā)明的描述不相關(guān)的部分，貫穿整個說明書，相似的部件將用相似的附圖標(biāo)記來表示。貫穿整個說明書，當(dāng)部分“包括”或“包含”部件時，除非另外限定，該部分可以包括而不是排除另一個元件。另外，術(shù)語這里使用的“部分”或“單元”是指至少擁有一個功能或操作的單元。圖IA和圖IB示出根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的微流體控制器件的結(jié)構(gòu)。圖IA是透視圖，圖IB是沿圖IA的線1-1’截取的截面圖。如圖IA和圖IB所示，根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的微流體控制器件100包括下基板120以及與下基板120接觸的流體通道基板110，流體通道基板110具有多臺階微通道150，多臺階微通道150在與下基板120的結(jié)合側(cè)至少具有兩個深度。這里，流體通道基板110還可以包括流體入口 130和流體出口 140以及分離孔，空氣可通過分離孔以幫助流體流動。下基板120還可以包括傳感器和反應(yīng)器。流體通道基板110和下基板120可以由聚合物形成，它們可以具有相同或不同的結(jié)構(gòu)。多臺階微通道150具有根據(jù)位置的各個深度，通道的深度通過多臺階來控制。這里，臺階152、154、156和158的寬度(W)和高度(H)可以根據(jù)微流體控制器件的用途和應(yīng)用而改變。因此，由于臺階152、154、156和158的寬度和高度，毛細(xì)力可以根據(jù)通道的位置而被精確地控制。例如，由于通道形成為在使流體快速通過的部分和在因反應(yīng)而阻擋流體的流動的部分具有不同的深度，所以流體可以以高精度和再現(xiàn)性控制。因此，每個臺階152、154、156 或158的高度(H)可以為1至1000 μ m，每個臺階152、154、156或158的寬度(W)可以為1 至 100000 μ m0多臺階微通道150的表面可以被化學(xué)或物理地處理以控制疏水性或親水性。圖IC和圖ID示出根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的微流體控制器件的控制微流體的原理。圖IC是多臺階微通道的透視圖，圖ID示出多臺階微通道的截面圖。如圖IC所示，根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的微流體控制器件100可以在微通道的深度Dl和D2上被控制。換句話說，由于微流體控制器件100的通道可以形成為具有各種深度的多臺階結(jié)構(gòu)，所以毛細(xì)力可以在深度方向上被控制。根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的微流體控制器件100可以在通道的深度Dl和D2以及寬度Wl、W2和W3上被控制。因此，通過同時控制通道的寬度Wl和W2以及深度Dl和D2， 毛細(xì)力可以被更精確地控制。例如，在用于增大流體的流速的部分中，可以增大通道的深度Dl和/或?qū)挾萕1，從而減小毛細(xì)力。在用于阻擋流體的流動的部分、閥部分或降低流速的部分中，減小了通道的深度D2和/或?qū)挾萕2和W3，從而增大了毛細(xì)力。如圖ID所示，通過同時控制通道的寬度(Wl > W3 > W2)和深度(Dl > D2)，可以有效減少微流體所經(jīng)過的微通道的截面。例如，與當(dāng)僅控制通道的寬度(Wl > W3 > W2)來減小微通道的截面(W1XD1 >W3XD1 > W2XD1)時相比，當(dāng)通道的寬度(Wl > W3 > W2)和深度(D1 >D2)被同時控制時，可以有效減小微通道的截面(W1XD1 >W3XD1 >W2XD1)。同樣地，通過使用水平和垂直方向的控制因素，流體的阻擋、閥調(diào)節(jié)、通過和匯合可以被更精確地和可再現(xiàn)地控制。具體地，在生物微機(jī)電系統(tǒng)(bio-MEMQ中用于疾病的早期診斷和的化學(xué)分析的的芯片的情況下，根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的多臺階微通道的應(yīng)用能夠通過精確地控制和可再現(xiàn)地控制超微流體而提供更精確的分析。此外，當(dāng)毛細(xì)力僅在水平方向上控制時，通道的寬度和形狀不得不被控制，因此會增大芯片的尺寸。然而，當(dāng)毛細(xì)力也在垂直方向上控制時，芯片的尺寸不會增大。為了制造包括多臺階微通道的微流體控制器件，可以使用加工或半導(dǎo)體工藝。然而，根據(jù)加工工藝，通道會具有粗糙的表面，因此在流體控制上的可再現(xiàn)性會降低。與機(jī)械加工相比，根據(jù)半導(dǎo)體工藝，可以獲得更平滑的表面，但是通道可以形成為具有僅Iym或更小的深度，且制造成本變得較高。結(jié)果，生產(chǎn)率低于一次性塑料芯片產(chǎn)品的生產(chǎn)率。在下文，將參照附圖描述適于形成多臺階微通道的制造微流體控制器件的方法。圖2A至圖5B是示出根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的制造微流體控制器件的方法的截面圖。根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例，形成具有多臺階微圖案的模具原型，具有多臺階微圖案的模具使用模具原型來形成。接著，通過將模具的多臺階微圖案轉(zhuǎn)印到流體通道基板來形成至少具有兩個深度的多臺階微通道。然后，具有多臺階微通道的流體通道基板結(jié)合到下基板，從而完成微流體控制器件。根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)微流體控制器件通過將模具的多臺階微圖案轉(zhuǎn)印到流體通道基板而制造時，由于獲得了通道的平滑的表面，流體控制的可再現(xiàn)性變高，并獲得了低的制造成本和高生產(chǎn)率。由于通道的深度可以被控制在從微米到厘米的不同單位，所以毛細(xì)力被精確地控制，從而流體可以被更精確地控制。圖2A至圖2F是示出根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的形成模具原型的方法的截面圖。如圖2A所示，光致抗蝕劑220涂敷到硅基板210，掩模圖案230形成在光致抗蝕劑 220 上。這里，光致抗蝕劑220可以是環(huán)氧基光致抗蝕劑。環(huán)氧基光致抗蝕劑220可以容易地通過曝光形成期望的圖案，在熱硬化之后不會被額外的曝光損壞或變形，并能夠形成微圖案。可以使用示范性的環(huán)氧基光致抗蝕劑，SU-8基光致抗蝕劑。涂敷的光致抗蝕劑220的厚度可以根據(jù)光致抗蝕劑的粘性、旋涂裝置的每單位轉(zhuǎn)數(shù)以及時間來控制。例如，光致抗蝕劑220可以以500至5000rpm的旋轉(zhuǎn)速度來涂敷，并可以形成為1至100 μ m的厚度。微圖案的寬度W由掩模圖案230的寬度W4確定，掩模圖案230可以具有1至 100000 μ m 的寬度 W2。如圖2B所示，第一圖案220A使用掩模圖案230作為蝕刻阻擋物通過曝光和顯影形成。這里，第一圖案220A的形成可以通過具有Ιμπι或更大的分辨率的光刻來進(jìn)行。接著，第一圖案220Α通過熱硬化工藝來固化。這里，熱硬化工藝可以在顯影之前和之后進(jìn)行。結(jié)果，形成具有微圖案的模具原型，多臺階微圖案可以通過重復(fù)包括光致抗蝕劑的涂敷、掩模圖案的形成、微圖案的形成和硬化的工藝而形成。如圖2C所示，光致抗蝕劑240涂敷到包括固化的第一圖案220Α的所得產(chǎn)物的整個表面上，掩模圖案250形成在光致抗蝕劑240上。如圖2D所示，第二圖案MOA使用掩模圖案250作為蝕刻阻擋物通過曝光和顯影形成。接著，第二圖案MOA通過熱硬化而固化。如圖2Ε所示，光致抗蝕劑260涂敷到包括固化的第二圖案MOA的所得產(chǎn)物的整個表面上，掩模圖案270形成在光致抗蝕劑260上。如圖2F所示，第三圖案^OA使用掩模圖案270作為蝕刻阻擋物形成。接著，第三圖案^OA通過熱硬化而固化。結(jié)果，制造了具有三臺階微圖案的模具原型200。這里，微圖案的臺階的數(shù)目可以根據(jù)工藝重復(fù)的次數(shù)來控制，微圖案的形狀可以根據(jù)掩模圖案230、250或270的形狀而改變。圖3是示出根據(jù)本發(fā)明示范性實施例形成模具的方法的截面圖。如圖3所示，使用具有多臺階微圖案的模具原型200來形成模具300。例如，金屬模具可以通過電鍍形成。具體地，籽晶薄膜可以形成在模具原型200上，金屬模具可以通過電鍍形成。這里，籽晶薄膜可以由諸如Ti、Cr、Al或Au的金屬形成從而具有單層或雙層。模具300可以形成為具有足夠的厚度從而在接下來的轉(zhuǎn)印工藝中不彎曲或破裂。然后，盡管在附圖中沒有示出，模具原型200通過濕法蝕刻去除。圖4A至圖4D是示出根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的形成流體通道基板的方法的截面圖。如圖4A所示，制備了包括多臺階微圖案的模具300以及用于轉(zhuǎn)印形成在模具300 的表面上的多臺階微圖案的基板400。這里，基板400可以是聚合物基板，其可以由環(huán)烯烴共聚物(COC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、環(huán)烯烴聚合物(COP)、液晶聚合物(LCP)、聚二甲基硅氧烷 (PDMS)、聚酰胺(PA)、聚乙烯(PE)、聚酰亞胺(PI)、聚丙烯(PP)、聚苯醚(PPE)、聚苯乙烯 (PS)、聚甲醛(POM)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚砜(PEQ、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、氟化乙烯丙烯(FEP)、過氟烷基化物(PFA)或其合成物形成?；?00可以通過注塑成型、熱模壓、鑄造、立體平版印刷、激光消融(laser ablation)、快速原型設(shè)計(rapid prototyping)、絲網(wǎng)印刷、諸如數(shù)字控制加工的常規(guī)機(jī)械加工或諸如光刻的半導(dǎo)體工藝形成。如圖4B所示，模具300的多臺階微圖案轉(zhuǎn)印到基板400。例如，當(dāng)使用由聚合物形成的基板400時，多臺階微圖案可以使用注塑成型、熱模壓或鑄造來轉(zhuǎn)印。結(jié)果，具有復(fù)雜形狀的多臺階微圖案可以容易地轉(zhuǎn)印到聚合物基板400， 因此可以完成具有多臺階微通道的流體通道基板400A。如上所述，當(dāng)多臺階微通道通過轉(zhuǎn)印形成在聚合物基板400上時，通道可以形成為具有從幾微米到幾厘米的深度。如圖4C所示，在完成多臺階微圖案到流體通道基板400A的轉(zhuǎn)印之后，去除模具 300。在附圖中，形成在流體通道基板400A上的多臺階微流體通道由附圖標(biāo)記“410”來指
7J\ ο如圖4D所示，流體通道基板400A被蝕刻以形成用于注入流體的流體入口 420以及用于排出流體的流體出口 430。在附圖中，具有流體入口 420和流體出口 430的流體通道基板由附圖標(biāo)記“400B”來指示。此外，盡管沒有在附圖中示出，但是可以進(jìn)一步形成讓空氣通過的孔。圖5A和圖5B是示出根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的流體通道基板結(jié)合到下基板的截面圖。如圖5A所示，制備具有多臺階微流體通道410的流體通道基板400B和下基板 500。這里，下基板500可以由與流體通道基板400B類似的聚合物形成。流體通道基板 400B和下基板500可以由相同或不同的聚合物結(jié)構(gòu)來形成。下基板500的材料的示例與上述流體通道基板400的材料的示例相同。流體通道基板400B和下基板500可以由具有相同疏水性或親水性，或者具有不同的疏水性或親水性的材料形成?？蛇x地，流體通道基板400B和下基板500的表面的一部分可以由具有不同疏水性或親水性的材料形成。同樣地，由于可以控制流體通道基板400B和下基板500的表面改性，所以可以控制流體的流速。如圖5B所示，微流體控制器件通過將流體通道基板400B結(jié)合到下基板500而制造。這里，當(dāng)流體通道基板400B和下基板500由相同的材料形成時，流體通道基板 400B到下基板500的結(jié)合可以通過使用熱、化學(xué)物質(zhì)或超聲波的熔合粘附方法來進(jìn)行。
7
當(dāng)流體通道基板400B和下基板500由不同的材料形成時，流體通道基板400B到下基板500的結(jié)合可以使用液體型粘合材料、粉末粘合材料或紙狀薄膜型粘合材料來進(jìn)行。特別地，可以使用UV硬化劑。此外，可以要求室溫或低溫以防止生化材料在結(jié)合期間改性，在此情形下，可以使用僅用壓力進(jìn)行結(jié)合的壓敏粘合劑。根據(jù)本發(fā)明，通過使用具有不同深度的多臺階微通道來控制流體，微流體控制器件在通道深度方向上調(diào)節(jié)毛細(xì)力并精確控制流體的流動。此外，通過重復(fù)光刻和轉(zhuǎn)印微圖案來形成多臺階微圖案，可以容易地形成表面平坦且高度被精確控制的多臺階微通道。因此，流體可以使用垂直多臺階超微結(jié)構(gòu)被可再現(xiàn)地和精確地控制。根據(jù)本發(fā)明的微流體控制器件及其制造方法可以應(yīng)用于各種芯片上實驗室生物器件，包括蛋白質(zhì)芯片、DNA芯片、藥物輸送系統(tǒng)、微型綜合分析系統(tǒng)和生化微反應(yīng)器。盡管已經(jīng)參照本發(fā)明的特定示范性實施例示出并描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可以在形式和細(xì)節(jié)上進(jìn)行各種改變而不背離本發(fā)明由權(quán)利要求書限定的精神和范圍。本申請要求于2010年3月24日提交的韓國專利申請No. 10-2010-0026154以及于2010年8月12日提交的韓國專利申請No. 10-2010-0077699的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，其全部內(nèi)
容通過引用結(jié)合于此。
權(quán)利要求
1.一種微流體控制器件，包括 下基板；和流體通道基板，接觸所述下基板并且在結(jié)合到所述下基板的一側(cè)具有多臺階微通道， 該多臺階微通道至少具有兩個深度。
2.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述多臺階微通道的毛細(xì)力在通道的深度方向上被控制。
3.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述多臺階微通道具有一個臺階，該臺階的深度為1 至 1000 μ HIo
4.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述多臺階微通道具有一個臺階，該臺階的寬度為1 至 100000 μ Hio
5.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述流體通道基板和所述下基板由相同或不同的聚合物結(jié)構(gòu)形成。
6.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述多臺階微通道的表面被化學(xué)處理，以控制疏水性或親水性。
7.—種制造微流體控制器件的方法，包括 形成具有多臺階微圖案的模具；通過將所述模具的所述多臺階微圖案轉(zhuǎn)印到流體通道基板，形成至少具有兩個深度的多臺階微通道；以及將具有所述多臺階微通道的所述流體通道基板結(jié)合到下基板。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述流體通道基板和所述下基板由相同或不同的聚合物形成。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述流體通道基板使用粘合劑或超聲接合而結(jié)合到所述下基板。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述模具的形成包括 形成具有多臺階微圖案的模具原型；以及使用所述模具原型通過電鍍形成金屬模具。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述模具原型的形成包括 涂敷光致抗蝕劑到硅基板的表面；通過圖案化所述光致抗蝕劑形成微圖案；以及硬化所述微圖案，其中重復(fù)所述光致抗蝕劑的涂敷、所述掩模圖案的形成、所述微圖案的形成以及所述硬化，以形成所述多臺階微圖案。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述光致抗蝕劑是環(huán)氧或SU-8基光致抗蝕劑。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述金屬模具的形成包括 在所述模具原型上形成籽晶薄層；通過電鍍形成所述金屬模具；以及通過濕法蝕刻去除所述模具原型。
14.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述轉(zhuǎn)印通過注塑成型、熱模壓或鑄造進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明公開了微流體控制器件及其制造方法，提供了具有多臺階微通道的塑料微流體控制器件及其制造方法。該器件包括下基板和接觸下基板的流體通道基板，該流體通道基板在結(jié)合到下基板的一側(cè)具有多臺階微通道，該多臺階微通道至少具有兩個深度。因此，通過使用具有不同通道深度的多臺階微通道控制流體來在通道深度方向上控制毛細(xì)力，該器件能夠精確地控制流體流動。多臺階微圖案通過重復(fù)光刻和轉(zhuǎn)印而形成，從而易于形成具有平坦表面和精確控制的高度的多臺階微通道。
文檔編號B01J19/00GK102247786SQ201110071280
公開日2011年11月23日 申請日期2011年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月24日
發(fā)明者宋炫禹, 樸善熙, 李大植, 鄭光孝, 鄭文衍, 金承煥 申請人:韓國電子通信研究院