一种压电式自动反应芯片制造技术

本实用新型专利技术公开了一种压电式自动反应芯片，从上至下设有数层，依次为微混合器层、第一绝缘层、换能器层和第二绝缘层，其中微混合器层内集成有振动混合池，第一绝缘层设在微混合器层和换能器层之间，换能器层内集成有叉指型换能器和芯片电极，叉指型换能器设在振动混合池的正下方，叉指型换能器与振动混合池的形状相应，振动混合池内的流体在叉指型换能器的作用下振动，叉指型换能器与芯片电极相连接，芯片电极与反应控制器相连，反应控制器由内置程序控制，有益效果：是一种集混合、反应、温控、搅拌于一体的多功能全自动的新型微流体反应芯片；大大提高微流体反应芯片的适用范围，而不仅仅局限于室温条件下的微生化反应。

【技术实现步骤摘要】
一种压电式自动反应芯片
[0001 ] 本技术涉及一种自动反应芯片，特别涉及一种压电式自动反应芯片。
技术介绍
目前，微流体反应芯片是MEMS领域近年来发展起来的新型生化反应技术，由于可在较小体积下完成反应，试剂用量小、反应效率高、制备效果好，受到各国学者的广泛关注。 微流体反应芯片主要有主动式和被动式两种，其中被动式依靠微流体的自由移动实现混合，一般需要在流道中加设沟槽、弯角等二维或者三维结构来强化混合效果，存在流道长、体积大，反应过程不可控制等问题，主动式则依靠微搅拌、压力扰动、声波扰动等外部能量作用于反应过程，混合效果好，是目前构造微流体反应芯片的主要方法之一，但单一的主动扰动只能产生单一的混合效果、无法实现整个的复杂化学反应。在专利号为201210175152.6的《一种压电驱动微混合器及其制作方法和控制方法》的专利技术专利中，吉林大学刘国君等人首次将压电微泵引入微流体反应芯片领域，提出了一种利用压电泵驱动脉动输入的主动混合方式，证明了压电微泵在实现微流体脉动输入和可控混合方面的优势，但其仅仅只是一个混合装置，无法完成反应过程复杂、反应时间长、需主动搅拌扰动、严格温控(诸如贵金属纳米粒子的液相合成)的整个化学反应，其他主动形式的微流体反应器也存在着类似的缺陷。而本技术提出了一种双主动扰动的微流体反应芯片，将脉动输入与振动扰动分别作用于混合和反应过程，是一种集混合、反应、温控、搅拌于一体的多功能全自动的新型微流体反应芯片。
技术实现思路
本技术的主要目的是为了解决现有的压电式微流体反应器只能实现脉动混合，无法完成反应过程复杂、反应时间长、需主动搅拌扰动、严格温控(诸如贵金属纳米粒子的液相合成)的整个化学反应。 本技术的另一个目的是为了解决现有的叉指型换能器应用在微流体反应芯片中只能进行加热、没有直接作用于流体反应过程或者仅仅通过单一的声波扰动来实现主动混合以及相关装置的整体结构复杂、体积较大、不易于集成化和微型化的问题。 本技术为了达到上述目的、解决上述问题而提供的一种压电式自动反应芯片，首次提出利用叉指换能器产生振动扰动作用于微混合后的化学反应阶段，且可通过主动调控实现多种搅拌、扰动模态，是一种集混合、反应、温控、搅拌于一体的多功能全自动的新型微流体反应芯片。 本技术所述的压电式自动反应芯片的本体为迭片式层叠结构，从上至下设有数层，依次为微混合器层、第一绝缘层、换能器层和第二绝缘层，其中微混合器层内集成有振动混合池，第一绝缘层设在微混合器层和换能器层之间，换能器层内集成有叉指型换能器和芯片电极，叉指型换能器设在振动混合池的正下方，叉指型换能器与振动混合池的形状相应，振动混合池内的流体在叉指型换能器的作用下振动，叉指型换能器与芯片电极相连接，芯片电极与反应控制器相连，反应控制器由内置程序控制，反应控制器提供数字型电压信号通过芯片电极控制叉指型换能器工作，第二绝缘层设在换能器层的下部。 振动混合池与叉指型换能器的形状是对应的，圆形的振动混合池对应正方形的叉指型换能器、长方形的振动混合池对应长方形的叉指型换能器。 微混合器层内还集成有压电微泵、反应芯片进口、反应芯片出口和微混合流道，压电微泵的内腔与反应芯片进口连通，并且压电微泵的内腔通过微混合流道与振动混合池连通，振动混合池与反应芯片出口连通，压电微泵与换能器层内的芯片电极连接，反应控制器提供数字型电压信号通过芯片电极控制压电微泵的工作。 微混合器层为PDMS材料制成的透明层。 换能器层为一压电基片，压电基片为人造石英或铌酸锂或钽酸锂或锗酸铋单晶材料。 叉指型换能器是通过微电子加工工艺在换能器层上制得。 第二绝缘层的下部设有温控层，温控层上集成有钼金加热薄膜，温控层与换能器层内的芯片电极相连接，反应控制器通过芯片电极控制温控层工作。 压电微泵设有两个或数个，压电微泵的泵体结构为单腔体或多腔体结构。 微混合流道的结构形式为Y形或T形或星形。 当压电微泵设有两个时，与之相对应的微混合流道的结构形式为Y形或T形；当压电微泵设有多个时，与之相对应的微混合流道的结构形式为不同结构形式的星形。 本技术的工作原理: 压电微泵是利用压电振子的往复振动在泵腔内产生正压或负压，同时结合单向阀开启和关闭的协调运动，最终实现泵腔内流体的单向流动，通过反应控制器调节压电微泵的电压、频率、波形及相位等实现包括高低频脉动混合在内的各种不同混合模式，从而实现微流体的脉动注入及混合。 叉指型换能器是根据逆压电效应，将输入的电信号转化为机械振动，作用于振动混合池内的流体，使微流体产生振动，对流体产生搅拌或者涌动或者点阵振动的效果，叉指型换能器可在反应控制器的激励下产生行波或驻波的多模态振动，进而造成振动混合池内两相(或多相)微流体的有序扰动和混合反应。 叉指型换能器的具体作用方式如下所述: 方式一:如图3所示，振动混合池是圆形的，其对应叉指型换能器是正方形的，叉指型换能器是由四个同样的小单元互相垂直布置组成正方形的结构形式，每个小单元的边长不得大于圆形振动混合池的半径，每个小单元是由周期性排列并与汇流条交替连接的多根电极构成的。这种方式产生的旋涡波对振动混合池内的微流体进行扰动会产生搅拌的作用，使混合反应更加充分，形成更好的反应效果；并且可以通过反应控制器调节旋涡波的扰动方向，还可以将其方向调节为脉动的，形成更好的反应效果。特别对于贵金属或其他纳米粒子的合成除增强反应效果外还可以起到调控所合成纳米粒子粒径与形貌的作用。 方式二:如图4所示，振动混合池是长方形的，其对应叉指型换能器是长方形的，其对应的叉指型换能器是由四个长方形的小单元组成的，具体为两个小单元平行置于中间位置、另外两个与其相垂直分别置于左右两侧，每个小单元是由周期性排列并与汇流条交替连接的多根电极构成的。这种方式会产生涌波或者点阵波对混合池内的微流体进行扰动，通过调控只让水平方向的2个小单元工作会产生竖直方向的涌波、只让竖直方向的2个小单元工作会产生水平方向的涌波，让4个小单元全部工作会使两个垂直方向传播的波交叉在一起形成点阵波，在每个交叉点附近区域有着相同的扰动环境，使反应均匀进行。对于贵金属或其他纳米粒子的合成这种方式的优势也是很明显的:这种扰动方式所形成的振动模态将晶核均匀振到各个交叉点上，阻碍了晶核的沉积与聚集，并使贵金属纳米粒子有了一个规整、均匀的生长环境，从而合成单分散性好的纳米粒子。 方式三；还可以将上述两种方式串联在一起，即将圆形振动混合池和矩形振动混合池通过微混合流道连通，并且每种振动混合池相对应的叉指型换能器分别位于其正下方，二者的扰动作用不会相互干扰。在这种方式作用下，微流体先在圆形振动混合池内受到旋涡波的搅动，使混合更加充分、反应更加彻底，形成更多的晶核，然后带有大量晶核的流体流入矩形振动混合池，该池内的振动模态使晶核均匀分布于点阵波的交叉点上，使纳米粒子有一个均匀的成长环境，阻碍纳米粒子沉积，合成粒径均一的纳米粒子。 本技术所述的压电微泵是由现有技术的组装，因此具体型号和规格没有进一步进行赘述。 本技术的有益效果: 1、本技术利用叉指换能器产生机械振动，直接作用于振动混本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电式自动反应芯片，其特征在于：本体为迭片式层叠结构，从上至下设有数层，依次为微混合器层、第一绝缘层、换能器层和第二绝缘层，其中微混合器层内集成有振动混合池，第一绝缘层设在微混合器层和换能器层之间，换能器层内集成有叉指型换能器和芯片电极，叉指型换能器设在振动混合池的正下方，叉指型换能器与振动混合池的形状相应，振动混合池内的流体在叉指型换能器的作用下振动，叉指型换能器与芯片电极相连接，芯片电极与反应控制器相连，反应控制器由内置程序控制，反应控制器提供数字型电压信号通过芯片电极控制叉指型换能器工作，第二绝缘层设在换能器层的下部。

【技术特征摘要】
1.一种压电式自动反应芯片，其特征在于:本体为迭片式层叠结构，从上至下设有数层，依次为微混合器层、第一绝缘层、换能器层和第二绝缘层，其中微混合器层内集成有振动混合池，第一绝缘层设在微混合器层和换能器层之间，换能器层内集成有叉指型换能器和芯片电极，叉指型换能器设在振动混合池的正下方，叉指型换能器与振动混合池的形状相应，振动混合池内的流体在叉指型换能器的作用下振动，叉指型换能器与芯片电极相连接，芯片电极与反应控制器相连，反应控制器由内置程序控制，反应控制器提供数字型电压信号通过芯片电极控制叉指型换能器工作，第二绝缘层设在换能器层的下部。2.根据权利要求1所述的一种压电式自动反应芯片，其特征在于:所述的微混合器层内还集成有压电微泵、反应芯片进口、反应芯片出口和微混合流道，压电微泵的内腔与反应芯片进口连通，并且压电微泵的内腔...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘国君，赵天，杨志刚，刘建芳，李新波，杨旭豪，吴越，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：新型
国别省市：吉林;22