專利名稱：壓電驅(qū)式微混合芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微電子技術(shù)領(lǐng)域的芯片，特別是一種壓電驅(qū)式微混合芯片。
背景技術(shù)：
在生物化學(xué)和醫(yī)學(xué)檢測(cè)分析系統(tǒng)中，生物試劑和化學(xué)試劑的混合是至關(guān)重要 的組成環(huán)節(jié)，微機(jī)電技術(shù)(MEMS)的發(fā)展使這一功能可以在芯片上完成?；诓煌?混合原理的眾多混合方法都被用于生物試劑和化學(xué)試劑組分混合研究中，目前， 微混合器件可分為通道式混合器和微腔混合器，通道式混合器通過構(gòu)造特殊的微 流體通道來使不同試劑流的擴(kuò)散效應(yīng)變得更為顯著，從而實(shí)現(xiàn)試劑的混合；而微 腔混合器，由一個(gè)或多個(gè)制作在基片上的密閉微室和驅(qū)動(dòng)部件構(gòu)成，通過驅(qū)動(dòng)部 件在外部施加機(jī)械運(yùn)動(dòng)引起震蕩，從而促進(jìn)微室內(nèi)不同試劑的混合。在微流體系 統(tǒng)中，由于通道長度和孔徑的小，雷諾數(shù)較小，流體在通道式混合器中實(shí)現(xiàn)均勻 混合難度較高，耗時(shí)較長。而利用微腔混合器則不僅可以縮短混合時(shí)間，還可以 使混合進(jìn)行的更加徹底完全，對(duì)于利用混合來實(shí)現(xiàn)微反應(yīng)的混合反應(yīng)體系尤其有 利。當(dāng)前在微升容量的微型混合器研究中，主要通過氣動(dòng)、電場來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，促 進(jìn)腔體內(nèi)試劑擴(kuò)散流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)混合，這種方式下，由于混合在微小腔室內(nèi)進(jìn)行， 擴(kuò)散主要依靠外力被動(dòng)完成，時(shí)間較長，況且，氣動(dòng)與電場驅(qū)動(dòng)本身的輔助設(shè)備 復(fù)雜，體積龐大，操控繁復(fù)，因此，不利于諸如疾疫和環(huán)境現(xiàn)場監(jiān)控的便攜低功 耗要求。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)美國專利號(hào)為US 2002/0023841 Al，名稱 為- 電泳水流驅(qū)動(dòng)對(duì)流式微混合器(Electrohydrody翻ic Convection Microfluidic Mixer)，該專利中提到的混合器由制作在硅基上的微腔和電場驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)組成，通過設(shè)置在流體通道的電極實(shí)現(xiàn)對(duì)微腔流路內(nèi)試劑的電場驅(qū)動(dòng)，并 形成流體對(duì)流，從而促進(jìn)試劑的混合。這樣的系統(tǒng)雖然沒有機(jī)械驅(qū)動(dòng)部件，然而 本身的制作工藝并不簡單，尤其對(duì)于外部驅(qū)動(dòng)電場需要有精確控制，此外，許多 生物和化學(xué)試劑本身對(duì)于電場格外敏感，在電場作用下會(huì)離解甚至形成氣泡，因 此，并不適用于這一混合器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出了一種壓電驅(qū)式微混合芯 片，使其結(jié)合了通道式混合器和微腔混合器的特點(diǎn)，使不同試劑間的擴(kuò)散和主動(dòng) 對(duì)流得到加強(qiáng)，從而提升混合效率，縮短混合周期，該混合芯片的外部控制電路 和輔助設(shè)備簡單，操作容易，由于功率低，更可以由電池提供驅(qū)動(dòng)能源，非常適 用于野外實(shí)地考察和監(jiān)測(cè)時(shí)對(duì)于微量試劑的混合應(yīng)用。芯片制作工藝相對(duì)簡單， 性能穩(wěn)定，具有良好的可重復(fù)性，解決了背景技術(shù)中存在的問題。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括密封蓋層、通道層和壓 電控制器。連接方式為密封蓋層與通道層通過離子鍵合技術(shù)或者熱鍵合技術(shù)密
封在一起，壓電控制器以粘帖方式嵌入密封蓋層上側(cè)的三個(gè)安裝槽內(nèi)，通道層以 刻蝕或者模壓工藝形成循環(huán)流體通道，當(dāng)壓電控制器按著一定邏輯順序和頻率震 動(dòng)時(shí)，壓電控制器的電致彎曲擠壓密封蓋層相應(yīng)區(qū)域變形，從而構(gòu)成一個(gè)片上微 泵，驅(qū)動(dòng)試劑在循環(huán)流體通道內(nèi)運(yùn)動(dòng)混合。
本發(fā)明芯片用由玻璃或者聚碳酸酯材料制作封裝成形，在密封蓋層上設(shè)有試 劑樣品輸入口、試劑樣品輸出口，在通道層以刻蝕或者模壓工藝形成循環(huán)流體通 道，在密封蓋層的上側(cè)制作了三個(gè)壓電控制器安裝槽，為了實(shí)現(xiàn)壓電控制器驅(qū)動(dòng) 效應(yīng)，在密封蓋層的下側(cè)，壓電控制器安裝槽的投影位置，需要預(yù)先濺射金屬鈦， 防止芯片在離子鍵合或者熱鍵合密封時(shí)鍵合此區(qū)域。
本發(fā)明芯片的三個(gè)壓電控制器依靠一定邏輯順序作用于其下通道層循環(huán)流 體通道，從而使其一定的順序開啟、閉合，這種開啟和閉合的邏輯順序是這樣的， 關(guān)開開、關(guān)關(guān)開、開關(guān)開、開關(guān)關(guān)、開開關(guān)和關(guān)開關(guān)，其間隔由一定的頻率曲線 進(jìn)行優(yōu)化后取最優(yōu)值確定，通過這種邏輯開關(guān)順序，形成片上驅(qū)動(dòng)，可以在循環(huán) 流體通道內(nèi)獲得驅(qū)動(dòng)力以促進(jìn)試劑的混合流動(dòng)。
本發(fā)明中的混合芯片在進(jìn)行微量試劑混合時(shí)，先依次利用真空作用由試劑樣 品輸入口導(dǎo)入兩種以上待混合試劑，其后啟動(dòng)壓電控制器混合，混合試劑由試劑 樣品輸出口導(dǎo)出。
本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性的特點(diǎn)和進(jìn)步，本發(fā)明混合芯片結(jié)合了通道式混合器和微 腔混合器的特點(diǎn)，克服了通道式混合器混合速度緩慢耗時(shí)較長和微腔混合器制作 和操作復(fù)雜的缺點(diǎn)，使不同試劑間的擴(kuò)散和主動(dòng)對(duì)流得到加強(qiáng)，從而提升混合效 率，縮短混合周期，制作成本高和兼容性不強(qiáng)的缺點(diǎn)，通過微細(xì)加工技術(shù)，不僅 大大減小了器件體積，降低了成本，也使其批量化加工成為可能。此外，本發(fā)明 芯片可以作為微系統(tǒng)組成器件與試劑檢測(cè)或者反應(yīng)器件集成起來?？梢詮V泛用于 生物試劑、化學(xué)試劑濃度和組分的實(shí)時(shí)測(cè)定，對(duì)于預(yù)防醫(yī)學(xué)、環(huán)境水源監(jiān)控都具 有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖 圖2為本發(fā)明分解結(jié)構(gòu)示意圖 圖3本發(fā)明結(jié)構(gòu)后視圖
具體實(shí)施例方式
如圖1一3所示，本發(fā)明包括密封蓋層l、通道層2、壓電控制器4。連接 方式為密封蓋層1與通道層2通過離子鍵合技術(shù)或者熱鍵合技術(shù)密封在一起，
壓電控制器4以粘帖方式嵌入密封蓋層上側(cè)的三個(gè)壓電控制器安裝槽3內(nèi)。密封 蓋層1上側(cè)設(shè)有三個(gè)壓電控制器安裝槽3，為了實(shí)現(xiàn)壓電控制器4驅(qū)動(dòng)效應(yīng)，在 密封蓋層1上側(cè)有試劑樣品輸入輸出口 5，在密封蓋層1的下側(cè)、壓電控制器安 裝槽3的投影位置，設(shè)有金屬鈦濺射區(qū)7，防止芯片在離子鍵合或者熱鍵合密封 時(shí)鍵合此區(qū)域。
密封蓋層1是玻璃或者聚碳酸酯材料制作。循環(huán)流體通道6是由刻蝕或模壓 技術(shù)在玻璃或者聚碳酸酯材料上制作。
通道層2以刻蝕或者模壓工藝形成循環(huán)流體通道6，當(dāng)壓電控制器4按著一 定邏輯順序和頻率震動(dòng)時(shí)，壓電控制器4的電致彎曲擠壓密封蓋層相應(yīng)區(qū)域變 形，從而構(gòu)成一個(gè)片上微泵，驅(qū)動(dòng)試劑在循環(huán)流體通道內(nèi)運(yùn)動(dòng)混合。
權(quán)利要求
1、一種壓電驅(qū)式微混合芯片，包括密封蓋層(1)、通道層(2)，其特征在于，還包括壓電控制器(4)，密封蓋層(1)與通道層(2)通過離子鍵合技術(shù)或者熱鍵合技術(shù)密封在一起，密封蓋層(1)上側(cè)設(shè)有三個(gè)壓電控制器安裝槽(3)，壓電控制器(4)以粘帖方式嵌入密封蓋層上側(cè)的三個(gè)壓電控制器安裝槽(3)內(nèi)，通道層(2)上設(shè)有循環(huán)流體通道(6)；所述的三個(gè)壓電控制器(4)通過邏輯順序作用于其下通道層循環(huán)流體通道(6)，循環(huán)流體通道(6)按照順序開啟、閉合，這種開啟和閉合的邏輯順序?yàn)殛P(guān)開開、關(guān)關(guān)開、開關(guān)開、開關(guān)關(guān)、開開關(guān)和關(guān)開關(guān)，通過這種邏輯開關(guān)順序，形成片上蠕動(dòng)泵。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電驅(qū)式微混合芯片，其特征是，在密封蓋層(1) 上側(cè)有試劑樣品輸入輸出口 (5)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的壓電驅(qū)式微混合芯片，其特征是，密封蓋 層(1)是玻璃或者聚碳酸酯材料。
全文摘要
一種微電子技術(shù)領(lǐng)域的壓電驅(qū)動(dòng)的微混合芯片，包括密封蓋層、通道層、壓電控制器，密封蓋層與通道層通過離子鍵合技術(shù)或者熱鍵合技術(shù)密封在一起，密封蓋層上側(cè)設(shè)有三個(gè)壓電控制器安裝槽，壓電控制器以粘貼方式嵌入密封蓋層上側(cè)的三個(gè)壓電控制器安裝槽內(nèi)，通道層上設(shè)有循環(huán)流體通道；所述的三個(gè)壓電控制器通過邏輯順序作用于其下通道層循環(huán)流體通道，循環(huán)流體通道按照順序開啟、閉合，通過這種邏輯開關(guān)順序，形成片上蠕動(dòng)泵。本發(fā)明結(jié)合了通道式混合器和微腔混合器的特點(diǎn)，使不同試劑間的擴(kuò)散和主動(dòng)對(duì)流得到加強(qiáng)，從而提升混合效率，可以廣泛用于生物試劑、化學(xué)試劑濃度和組分的實(shí)時(shí)測(cè)定，對(duì)于預(yù)防醫(yī)學(xué)、環(huán)境水源監(jiān)控都具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G01N1/38GK101187609SQ20071016050
公開日2008年5月28日 申請(qǐng)日期2005年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月8日
發(fā)明者張衛(wèi)平, 牛志強(qiáng), 賈曉宇, 陳文元 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)