液滴噴射微流體混合芯片及加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微流芯片領(lǐng)域，尤其涉及一種用于實(shí)現(xiàn)溶液的快速微混合和微反應(yīng)的基于微液滴噴射陣列的微流體混合芯片及加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微流體芯片是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)應(yīng)用的一個(gè)重要分支，可將許多傳統(tǒng)生物化學(xué)檢測過程:如注入、分離、加樣、混合、反應(yīng)、檢測等功能在一個(gè)便攜式芯片上得以實(shí)現(xiàn)，微流芯片可以實(shí)現(xiàn)從納升到微升的流體流動的控制和驅(qū)動，己被廣泛應(yīng)用于化學(xué)分析、疾病診斷、藥物篩選等許多領(lǐng)域。與傳統(tǒng)監(jiān)測方法相比，微流體芯片技術(shù)具有1)樣品使用量減少；
2)可實(shí)現(xiàn)高通量檢測；和3)反應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)。
[0003]微混合芯片是微流控芯片中的重要功能器件之一，其作用是將2種待檢測(反應(yīng))的流體混合到一起，促使反應(yīng)的發(fā)生。我們知道，由于尺度的縮小，微通道中流體表面積與體積的比值相當(dāng)?shù)拇?，表面力與粘性力的影響占主導(dǎo)地位，慣性力的作用大大減少，雷諾數(shù)一般小于100，流體呈現(xiàn)層流流態(tài)，流體的混合過程是通過流體分子的自由擴(kuò)散進(jìn)行的。根據(jù)Fick擴(kuò)散定律，基于分子熱運(yùn)動的自由擴(kuò)散混合過程是極其緩慢的，因此流體達(dá)到充分混合就需要較長的混合時(shí)間和較長的混合通道。為了加強(qiáng)在微尺度下的流體混合過程，一般會設(shè)計(jì)專門的微流體混合芯片來加強(qiáng)流體的混合過程。依據(jù)有無外界動力源，微混合芯片大致可以分為被動式微混合芯片和主動式微混合芯片兩種。被動式微混合芯片是指不需要外部動力源，主要依賴于通道幾何形狀對流體進(jìn)行混合，如設(shè)計(jì)不同的流體通行路徑(C型，彎弧，扭曲通道)，在通道中加障礙物，蛇形通道等。主動式微混合芯片按作用原理分可分為電動力式、磁動力式、超聲波式、分支注入式、壓電式、機(jī)械式等。被動式微混合芯片無需外部能量的輸入，混合效果穩(wěn)定，便于集成在微流控系統(tǒng)中，但這種方式都會增加驅(qū)動流體流動的壓力，通道往往很長或體積很大，需要加工復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，且對于雷諾數(shù)特別低的流動，混合效果不住、可控性差。
[0004]現(xiàn)有的主動式混合芯片混合時(shí)間較被動式混合芯片短、可控性較好，但仍然存在一些問題，如:1)外部激勵或擾動實(shí)現(xiàn)的裝置往往比較復(fù)雜，工藝過程繁瑣，芯片制造成本較高；2)現(xiàn)有的主動式混合芯片一般都有可動部件，工作時(shí)間長后，容易損壞，導(dǎo)致芯片可靠性差；3)現(xiàn)有主動式微混合芯片沒有加入反饋環(huán)節(jié)，無法實(shí)現(xiàn)根據(jù)混合的結(jié)果好壞，及時(shí)方便地調(diào)整外部激勵或擾動的強(qiáng)度，以迅速調(diào)整激勵參數(shù)，到達(dá)預(yù)期的混合效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對現(xiàn)有技術(shù)中微混合芯片存在的缺陷，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，成本低，且可靠性更高的微流體混合芯片及加工方法。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0007]提供一種液滴噴射微流體混合芯片，包括鍵合而成的上層襯底片、中層襯底片和下層襯底片，上層襯底片為蓋板，設(shè)有第一流體的入口、混合液出口 ；中層襯底片的上部設(shè)有流體混合通道，底部設(shè)有噴嘴陣列；下層襯底片的上部設(shè)有第二流體通道，底部設(shè)有微加熱器陣列；
[0008]微加熱器陣列通電后，加熱第二流體，產(chǎn)生的微氣泡將第二流體的微液珠通過噴嘴陣列噴射入流體混合通道內(nèi)，第一流體與第二流體在流體混合通道內(nèi)混合，并通過混合液出口流出。
[0009]本發(fā)明所述的微流體混合芯片中，該下層襯底片上設(shè)有第二流體清洗口。
[0010]本發(fā)明所述的微流體混合芯片中，該微加熱器陣列通入的電流為脈沖電流。
[0011 ] 本發(fā)明所述的微流體混合芯片中，該微流體混合芯片還設(shè)有反饋式驅(qū)動電路，用于調(diào)整通入微加熱器陣列的脈沖電流。
[0012]本發(fā)明所述的微流體混合芯片中，該流體混合通道的深寬比滿足:在其中的流體流動時(shí)呈扁平狀流態(tài)。
[0013]本發(fā)明所述的微流體混合芯片中，該上層襯底片為透明的玻璃襯底片，中層襯底片和下層襯底片為娃襯底片。
[0014]本發(fā)明還提供一種基于上述微流體混合芯片加工方法，包括以下步驟:
[0015]S1、在上層襯底片上利用腐蝕工藝得到第一流體的入口和混合液出口 ；
[0016]S2、在中層襯底片上的下表面采用標(biāo)準(zhǔn)光刻和反應(yīng)離子刻蝕工藝得到噴嘴陣列的孔結(jié)構(gòu)；在中層襯底片的上表面采用標(biāo)準(zhǔn)光刻和深度反應(yīng)離子刻蝕工藝在噴嘴陣列所在的表面形成流體混合通道；
[0017]S3、在下層襯底片的上表面采用標(biāo)準(zhǔn)光刻和深度反應(yīng)離子刻蝕工藝形成第二流體通道；在第二流動通道的底部采用金屬濺射和剝離工藝得到微加熱器陣列和其接線端陣列；在下層襯底片的下表面采用標(biāo)準(zhǔn)光刻和深度反應(yīng)離子刻蝕工藝在下層襯底片上形成第二流體入口及第二流體清洗口；
[0018]S4、將中層襯底片和下層襯底片鍵合到一起，將上層襯底片與中、下層襯底片鍵合到一起，完成整個(gè)微混合芯片的制作。
[0019]本發(fā)明所述的加工方法中，步驟S1具體為:
[0020]先將上層襯底片減薄，然后在上層襯底片正面和背面各濺射一層金屬保護(hù)層，并在上層襯底片正面采用標(biāo)準(zhǔn)涂膠、曝光、顯影工藝得到2個(gè)通孔處的圖形，其中一個(gè)是第一流體的入口，另一個(gè)是混合液出口 ；
[0021]用標(biāo)準(zhǔn)濕法腐蝕工藝腐蝕掉通孔處的金屬保護(hù)層，然后去掉光刻膠；將上層襯底片放入HF氫氟酸中，用濕法腐蝕工藝得到2個(gè)通孔；
[0022]用標(biāo)準(zhǔn)濕法腐蝕工藝去掉上層襯底片上的金屬保護(hù)層；
[0023]以上步驟所實(shí)現(xiàn)的功能也可采用如下方法:先在上層襯底片表面涂一層厚膠，采用標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝得到2個(gè)通孔處的圓孔圖形；
[0024]直接采用深度反應(yīng)離子刻蝕工藝將上層襯底片刻穿，得到相應(yīng)的2個(gè)通孔。
[0025]本發(fā)明所述的加工方法中，步驟S2具體為:
[0026]中層襯底片通過磨片工藝減薄到200微米左右，然后在中層襯底片下表面采用標(biāo)準(zhǔn)光刻和反應(yīng)離子刻蝕工藝對中層襯底片刻蝕到一定深度，得到噴嘴陣列的孔結(jié)構(gòu)；
[0027]完成了下表面的工藝后，在中層襯底片的上表面采用標(biāo)準(zhǔn)光刻和深度反應(yīng)離子刻蝕工藝對中層襯底片正面刻蝕，直到到達(dá)噴嘴陣列所在的表面形成流體混合通道。
[0028]本發(fā)明所述的加工方法中，步驟S3具體為:
[0029]在下層襯底片的上表面采用標(biāo)準(zhǔn)光刻和深度反應(yīng)離子刻蝕工藝對下層襯底片正面刻蝕到一定深度，形成第二流體通道；
[0030]在第二流動通道的底部采用標(biāo)準(zhǔn)涂膠，光刻，顯影工藝得到微加熱器和接線端的圖形，然后濺射金屬層；
[0031]用剝離工藝去掉其余部分的金屬層，留下的金屬層為所需的微加熱器陣列和接線端陣列；
[0032]在下襯底片下表面旋涂厚膠，然后采用標(biāo)準(zhǔn)光刻，顯影方法得到2個(gè)開孔位的圖形；
[0033]采用深度反應(yīng)離子刻蝕工藝將開孔處的下層襯底片刻蝕穿，形成第二流體入口及第二流體清洗口。
[0034]本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:本發(fā)明通過在流體通道上設(shè)置噴嘴陣列，通過微加熱器陣列加熱一種流體，產(chǎn)生微氣泡，通過噴嘴陣列噴入流體混合通道內(nèi)與其他流體相混合，實(shí)現(xiàn)微流體的主動混合。本發(fā)明的微流體混合芯片結(jié)構(gòu)簡單，與現(xiàn)有的技術(shù)方案比較有成本低的優(yōu)勢。本發(fā)明的微流體混合芯片為主動混合式，但又沒有可動部件，與現(xiàn)有的技術(shù)方案比較可靠性更高。
[0035]進(jìn)一步地，根據(jù)流體的粘性不同，通過反饋式驅(qū)動電路調(diào)整電脈沖的大小，從而實(shí)現(xiàn)不同的氣泡壓力，在噴嘴處產(chǎn)生不同的推動力，從而自動調(diào)整到合理的混合效果。
【附圖說明】
[0036]下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中:
圖1是本發(fā)明實(shí)施例微流體混合芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2 (a)是本發(fā)明實(shí)施例上層襯底片的俯視圖；
圖2 (b)是本發(fā)明實(shí)施例上層襯底片的側(cè)視圖；
圖3 (a)是本發(fā)明實(shí)施例中層襯底片的俯視圖；
圖3 (b)是本發(fā)明實(shí)施例中層襯底片的側(cè)視圖；
圖4 (a)是本發(fā)明實(shí)施例下層襯底片的俯視圖；
圖4 (b)是本發(fā)明實(shí)施例下層襯底片的側(cè)視圖；
圖5是本發(fā)明實(shí)施例微液滴噴射陣列控制電路圖；
圖6是本發(fā)明實(shí)施例微流體混合芯片加工方法流程圖。
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【具體實(shí)施方式】
[0045]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0046]如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供一種液滴噴射微流體混合芯片，由上層襯底、中層襯底和下層襯底三層襯底片鍵合而成。
[0047]如圖2(a)和圖2(b)所示，混合芯片的上層襯底片為蓋板，其上部設(shè)計(jì)有流體A入口 12，及流體A和流體B的混合液出口 13。上層襯底片的材料可以是透明的玻璃襯底片，這樣便于檢測混合液的混合效果。上層襯底片與中層襯底片的鍵合區(qū)域?yàn)?3。
[0048]如圖3(a)和圖3(b)所示，中層襯底片可以是硅襯底片或玻璃襯底片。中層襯底片的上部設(shè)有流體混合通道32，底部設(shè)有噴嘴陣列31 ;噴嘴的剖面形狀可以為接近垂直形狀，也可以為梯形形狀，中層襯底片上的鍵合區(qū)域?yàn)?3。
[0049]如圖4(a)和圖4(b)所示，下層襯底片可以是硅襯底片。下層襯底片的上部設(shè)有流體B的流體通道21，底部設(shè)有微加熱器陣列23，下層襯底片上的鍵合區(qū)域?yàn)?3。微加熱器陣列23通電后，加熱流體B，產(chǎn)生的微氣泡將流體B的微液珠通過噴嘴陣列31噴射入流體混合通道32內(nèi)，流體A與流體B在流體混合通道32內(nèi)混合，并通過混合液出口 13流出。微加熱器陣列23中通入的電流為脈沖電流。
[0050]本發(fā)明為主動式微混合芯片，其還設(shè)計(jì)有反饋式驅(qū)動電路，用于調(diào)整通入微加熱器陣列的脈沖電流。
[0051]如圖5為本發(fā)明噴射陣列的控制電路圖，電阻Rl、R2、…Rn的一端輸入控制脈沖，控制脈沖控制著三極管的開閉時(shí)間，從而控制著微加熱器Rhl