一种制备三维微管道或腔体的方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种制备三维微管道或腔体的方法与应用。一种制备三维微管道或腔体的方法，用材料１包覆由材料２制成的实心模具形成包覆层，所述实心模具与三维微管道或腔体形状相同，所述包覆层上设有至少一个液体流出口，所述材料１的熔点大于材料２的熔点；然后在高于材料２的熔点，低于材料１的熔点的温度下，去除所述实心模具，获得由材料１制成的三维微管道或腔体。本发明专利技术的制备三维微管道或腔体的方法没有对准工艺和键合工艺要求，因此能简化工艺，降低工艺难度，且易于制造截面为圆型的管道和腔体，所用材料的熔点都在室温以上，易于进行加工，尤其适合用弹性材料制备的三维微管道或腔体。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种制备三维微管道或腔体的方法与应用。
技术介绍
三维微管道或腔体的加工，通常要先加工微沟和微槽(图l)，再将微沟或微槽封闭起来，也就是常说的封装键合(图2)，将加工有微沟槽的基片和盖片对准 叠放，键合；封装后形成需要的微管道和微腔体(图3)。这种方法的优点是沟槽 可以通过常规加工手段，高精度的实现，但是，目前能实现高精度封装的方法，只 有阳极键合、共晶键合等。塑料和玻璃微流体芯片封装可用热压键合、胶粘、不干 胶粘贴等方法。阳极键合是在一定温度下将硅片和一种特殊的含有碱金属原子(锂或钠)的硼 硅玻璃，通过在硅和玻璃间施加高压电场，使硅和玻璃间形成永久键合的方法。阳 极键合要求的条件比较高1)键合用的玻璃必须含有碱金属离子锂或钠，在一定 温度下，在电场作用下能够迁移，使得玻璃和硅界面形成一层富氧层，氧和硅片的 硅原子形成很强的化学键；2)玻璃的热膨胀系数必须与硅的热膨胀系数匹配，且 玻璃耐温一般要在200°C以上，这样在高温键合后温度从200°C以上降到室温时， 玻璃才不会因为热膨胀系数与硅间存在的巨大差异而破裂，这是实现阳极键合的必 备条件之一；3)玻璃和硅表面平整度要好，表面台阶100nra以上就可以在显微镜 下观察到台阶周围明显的未键合区。在硅片上制作管道，再用钠玻璃(例如Corning 的Pyrex7740等)阳极键合封装形成封闭管道，只有这种方法能够保证封装完成后 管道和腔体的尺寸没有变化。阳极键合要求的条件严格，且硅片导电，诸如毛细管 电泳这种需要施加高压的情况，阳极键合并不适用。单晶硅片和含有碱金属原子能 够和硅热膨胀系数匹配的玻璃价格都很高，致使阳极键合芯片的成本很高。共晶键合需要在基片表面制作大面积的金属层，同样无法在微流体领域应用。 采用塑料和玻璃制作微管道和微腔体，在这些材料上加工沟槽，精度能够保证， 但是要做到高精度的封装，还没有一种非常行之有效的方法。最常用的是热压键合: 将加工好沟槽的塑料片和另一块用来封装的塑料片对好位置加一定的压力，加热到 塑料玻璃化温度附近，保持一定时间，两片会键合到一起。这种方法的封装存在如下几方面的缺点1)结合力弱，虽然能够满足通常的使用，但是键合后如遇到较 大的外力撞击，键合面会分开；2)键合后原来的管道和腔体的尺寸经过键合热压 会发生变化，而且，这个变化有一定的不确定性，难以控制；3)控制电极难以集 成，由于键合温度较高，金属和塑料的热膨胀系数相差非常大，当温度升高到一定 的数值时，塑料将会把金属线条拉断，对于厚度不足微米的金属控制电极集成困难; 4)键合的两个部分，如果都有图形而且图形间还有位置对应关系，精确对准需要 特殊的仪器设备才能实现；5)在键合过程中由于塑料的软化，还会导致位移，即 使键合前对得很准得两个部分，经过热压，也会发上微小的偏移，影响对准精度。相对于热压键合封装方式，还有胶粘的方法，采用液体胶粘，胶会流到微小的 沟槽中破坏沟槽结构，工艺加工上难以控制。不干胶方式粘结仅仅适合封装结构至 少有一侧为软材料的情况，而且不适合于沟槽深度小的情况，因为不干胶贴膜上面 的不干胶是有一定厚度的，对于沟槽很浅的情况，不干胶也会明显改变槽的深度尺 寸。如果两块键合的材料都很厚很硬，键合面会存在大量气泡，导致漏气漏液而无 法使用。牺牲层技术是一种已经广泛在MEMS领域使用的微加工技术。在形成微机械结 构的空腔或可活动的微结构过程中，先在下层薄膜上用结构材料制作所需的各种 特殊结构件，再用化学刻蚀剂或溶解的方法将此层薄膜腐蚀掉，但不损伤微结构 件，然后得到上层结构(空腔或微结构件)。由于被去掉的下层薄膜只起分离层 作用，故称其为牺牲层。牺牲层技术常用于制造三维的悬臂结构、三维管道和腔 体，微流体加工中也有使用。常规的牺牲层技术适用于三维尺寸较小的情况，比如 悬臂梁，几微米到十几微米厚、几十微米宽、 一两百微米长的实心梁。当然，也有 人用来制作微流体芯片，比如用光刻出图形的正性光刻胶作为牺牲层，用Parylene (聚对二甲苯)沉积覆盖后，将管道的端孔刻蚀出来，将整个芯片放入丙酮中浸泡， 用丙酮将正性光刻胶溶解掉形成微流体管道。由于微流体尺寸通常只有几十微米见 方的横截面，却有几个厘米甚至十几厘米的长度，将整个管道的牺牲层全部溶解掉 需要几个到几十个小时。管道端口的牺牲层很容易溶解，但溶解了的牺牲层的饱和 溶液需要经过扩散才能离开界面，新溶剂需要通过扩散才能到达界面继续溶解牺牲 层。这个扩散过程随着溶解形成的管道长度的加长，扩散形成的物质交换越慢、越 困难，所以用常规的牺牲层技术制作微流体管道时间长、效率低。美国Gergia Tech Research Corporation在2004年申请一系列专利，提出一种牺牲层技术制作微流体芯片，他们采用低温下可以热分解的有机材料作为牺牲 层，在牺牲层上制作结构层后，通过加热使牺牲层材料热分解形成管道。这种方法 的优点避免前面所述的牺牲层去除困难和管道精度控制问题，但是，低温下能够分 解的有机物，不是通常手段能够得到的。他们的专利系列也包括了一些能够低温分 解的有机化合物，这些化合物都不是普遍使用的化学材料，需要特殊的合成。另外， 在结构层和牺牲层之间还要增加一层无机材料使结构层和牺牲层分开，否则，结构 层和牺牲层会发生作用，使结构层变性。牺牲层去除还是需要1到2个小时的时间， 这种方法应用有很大的局限性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种制备三维微管道或腔体的方法与应用。 本专利技术所述的制备三维微管道或腔体的方法，是用材料1 (高熔点结构层材料)包覆由材料2 (低熔点牺牲层材料)制成的实心模具形成包覆层，所述实心模具与 三维微管道或腔体形状相同，所述包覆层上设有至少一个液体流出口，所述材料l的熔点大于材料2的熔点；然后在高于材料2的熔点低于材料1的熔点的温度下，去除所述实心模具，获得由材料1制成的三维微管道或腔体。其中，所述包覆层上设有至少两个液体流出口。所述材料1的熔点大于材料2的熔点至少rc。这种方法是基于材料的相变实现的，通过加热使材料2发生相变，从固态变成 液态或气态，液态或气态的材料很容易被去除掉，留下需要的微管道、微腔体以及 各种三维的微结构。由于低熔点牺牲层材料的作用只是形成结构，在最终的结构中 并没有低熔点牺牲层材料，因此，这是一种牺牲层技术，称之为热牺牲层技术。这 种热牺牲层技术与常规的牺牲层技术不同，常规的牺牲层技术是用溶剂将牺牲层溶 解去除，或用腐蚀剂将牺牲层腐蚀掉，只保留结构层，形成三维各种结构。热牺牲 层技术在加工过程中整个低熔点牺牲层材料全部熔化，整体去除，从加热到低熔点 牺牲层材料熔化，再到将低熔点牺牲层材料去除只需要几分钟的时间，这个时间受 结构形状的影响不大。本专利技术的关键点之一是高熔点结构层材料能在低于低熔点牺牲层材料的熔点 温度下能够通过液体合成或气体凝固将低熔点牺牲层材料包覆起来，形成高熔点结 构层材料包覆低熔点牺牲层材料的结构。所述形成包覆层的方法为低温单体聚合、物理气相沉积、液相沉积或化学气相沉积。低温单体聚合是在低于低熔点牺牲层材料的熔点温度下，通过液态的单体和引 发剂进行聚合，合成的高熔点结构层材料的熔点，高于低熔点牺牲层材料，或高熔 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备三维微管道或腔体的方法，用材料１包覆由材料２制成的实心模具形成包覆层，所述实心模具与三维微管道或腔体形状相同，所述包覆层上设有至少一个液体流出口，所述材料１的熔点大于材料２的熔点；然后在高于材料２的熔点低于材料１的熔点的温度下，去除所述实心模具，获得由材料１制成的三维微管道或腔体。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：于中尧，
申请(专利权)人：博奥生物有限公司，清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]