微流控器件以及其制造方法、制造装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及微纳3D打印以及微流控器件技术领域。本发明专利技术提出一种微流控器件的制造方法：在下基底层上通过打印的方式形成具有微流道基本单元和/或微阀基本单元的功能区，最后键合上基底层；其中，功能区的形成具体是：通过打印的方式沉积纳米纤维膜基层，而后通过打印的方式将疏水材料按照设定的图案转移至纳米纤维膜基层并固化，以形成纳米纤维膜功能层，按照此过程构建至少一层纳米纤维膜功能层。同时，本发明专利技术还提出一种根据上述制造方法所制造的微流控器件。以及本发明专利技术还提出一种微流控器件的制造装置，包括：高压直流电源、注射泵系统、喷头模块、收集板、位移执行组件和控制系统。本发明专利技术能够大幅的节约微流控器的制造成本。

Microfluidic device and its manufacturing method and device

【技术实现步骤摘要】
微流控器件以及其制造方法、制造装置本申请是申请号为201910280944.1、申请日为2019-04-09、名称为“含多级微纳结构器件的纳米纤维自支撑增材制造方法”的专利技术专利申请的分案申请。
本专利技术涉及微纳3D打印以及微流控器件
，尤其涉及基于微/纳米纤维打印的微流控器件以及其制造方法、制造装置。
技术介绍
高效微流控系统正在向三维层叠结构发展。微流控系统中的多种基本元件(微泵、微阀、微混合器、微电极等)呈现3D(Three-dimensions)几何特征，它是实现立体化、规模化、集成化微流控系统的关键。微流控系统所用3D微流控器件中的功能区根据功能用途的不同会设有微流道基本单元或微阀基本单元。3D纸基微流控器件是一种典型的具有微流道基本单元的3D微流控器件，目前主要采用两种制备方法，叠纸法和折纸法。叠纸法(A.W.Martinez,S.T.Phillips,Z.Nie,C.M.Cheng,E.Carrilho,B.J.4WileyandG.M.Whitesides,Labonachip,2010,10,2499-2504.)是通过双面胶多层的纸逐层叠加起来形成的3D结构，在微米尺度的通道上，上下层芯片的对准需要非常精确并且繁琐；另外，采用激光切割预制连接孔增加了制造的步骤和成本。叠纸法的制造过程非常繁琐和耗时，限制了大批量的生产和应用。折纸法(H.LiuandR.M.Crooks,JournaloftheAmericanChemicalSociety,2011,133,17564-17566.D.Sechi,B.Greer,J.JohnsonandN.Hashemi,Analyticalchemistry,2013,85,10733-10737.)按照设计的程序将一张纸折叠成多层，最后使用一个铝夹固定芯片就完成整个3D芯片组装。这种方法不需要胶带粘贴，避免了污染和非特异性吸附，避免了纤维素粉末的使用。但是这种方法仅采用铝夹固定可能导致试剂泄漏。2012年，Lewis组(G.G.Lewis,M.J.Ditucci,M.S.BakerandS.T.Phillips,Labonachip,2012,12,2630-2633.)将蜡打印图案的纸一张一张地叠在一起形成3D纸基微流控器件结构并使用喷胶黏贴。这种方法组装过程需要施加额外压力将各层压紧，可能导致芯片变形或者损坏微流控图案。上述方法，在制造方式上均是预先通过光刻法或者蜡打印法将纸张图案化，然后借助额外的设备或者工序再进行后续的组装和装配。因此，基于目前的3D纸基微流控器件制造方法的复杂性，发展一种灵活的、简单的和自动化的微流控器件的一步式制造方法是一个非常有意义和挑战性的工作。然而，对于具有微阀基本单元其他一些微流控器件，上述的用于制造3D纸基微流控器件的方法是无法实现的。这类微流控器件中，典型的三维结构-微阀基本单元是以微尺度致动薄膜—微腔(膜厚10～100μm，微腔深约300μm，压力约500kPa)为基本特征，是构造微流体控制元件系统的基础。微阀作为微流体的压力驱动基本单元，它在执行流体输运时避免了电驱动带来的电热、电磁等效应而被广泛采用。微尺度致动薄膜—微腔结构是微泵或微阀的核心结构，是制造难点。对于这类具有可动薄膜-微腔结构的微流控器件，目前现有技术是基于硅、玻璃材料的微泵、微阀采用MEMS工艺来实现的，虽技术成熟，但难以在规模化微流控系统中应用。相比硅、玻璃等，聚合物材料成本低、工艺简单、生物兼容性好、表面改性相对容易，应用广泛。针对单层聚合物平面上微纳结构的加工已有多种有效的方法，如热压、注塑、浇注、纳米压印、微铣削、激光烧蚀等。热压、微注塑成型最为常用。对于两层以上的结构，Quake等基于PDMS材料用软蚀刻技术形成薄膜和流道，在聚合物上制作了片上气/液动微阀阵列。Weaver等设计三层膜—腔结构微阀，多个微阀的级联构建集成化的微流控系统。而传统的热压、键合等工艺制作微泵、微阀类含有致动薄膜—微腔结构存在诸多问题，如，无法制作真三维结构、大面积键合率一致性难以控制、可动薄膜的变形与塌陷、刚度不足、与传感单元结构制作工艺难以兼容等。这些固有问题使得该工艺方法难以在产业化生产中获得应用。参考文献：1、A.W.Martinez,S.T.PhillipsandG.M.Whitesides,ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica,2008,105,19606-19611。2、A.W.Martinez,S.T.Phillips,Z.Nie,C.M.Cheng,E.Carrilho,B.J.4WileyandG.M.Whitesides,Labonachip,2010,10,2499-2504。3、H.LiuandR.M.Crooks,JournaloftheAmericanChemicalSociety,2011,133,17564-17566.D.Sechi,B.Greer,J.JohnsonandN.Hashemi,Analyticalchemistry,2013,85,10733-10737。4、G.G.Lewis,M.J.Ditucci,M.S.BakerandS.T.Phillips,Labonachip,2012,12,2630-2633。5、WeaverJA,MelinJ,StarkD,etal.Staticcontrollogicformicrofluidicdevicesusingpressure-gainvalves[J].NaturePhysics,2010,6(3):218-223。6、Unger,M.A.MonolithicMicrofabricatedValvesandPumpsbyMultilayerSoftLithography[J].Science,2000,288(5463):113-116。
技术实现思路
因此，针对上述问题，本专利技术提出一种基于微/纳米纤维打印的微流控器件以及其制造方法、制造装置。本专利技术目的之一，在于提出一种含多级微纳结构的微流控器件的制造方法，其特征在于：通过打印的方式沉积微/纳米纤维膜层，然后将筑型流体按照设定图案喷印至微/纳米纤维膜层并固化，以形成含筑型图案及微/纳米纤维膜的基本单元，按照此过程构建至少一层所述的基本单元，还包括：将所述基本单元中未覆盖筑型流体部分的微/纳米纤维膜进行全部移除或选择性移除。本专利技术的目的之二，在于提出一种微流控器件，所述的微流控器件包括：下基底层、上基底层、和设置于二者之间的至少包括有微流道基本单元的功能区，所述的功能区是由至少一层或是二层以上微/纳米纤维膜层叠打印构成，其中至少具有一层微/纳米纤维膜层中渗透并固化有疏水材料，所述的疏水材料按照设定的图案形成以构建出构建微流控疏水壁垒，从而所述的功能区中构建出2D分布或3D分布的微流道；所述的功能区中微流道还本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含多级微纳结构的微流控器件的制造方法，通过打印的方式沉积微/纳米纤维膜层，然后将筑型流体按照设定图案喷印至微/纳米纤维膜层并固化，以形成含筑型图案及微/纳米纤维膜的基本单元，按照此过程构建至少一层所述的基本单元，其特征在于：还包括：将所述基本单元中未覆盖筑型流体部分的微/纳米纤维膜进行全部移除或选择性移除。/n

【技术特征摘要】
1.一种含多级微纳结构的微流控器件的制造方法，通过打印的方式沉积微/纳米纤维膜层，然后将筑型流体按照设定图案喷印至微/纳米纤维膜层并固化，以形成含筑型图案及微/纳米纤维膜的基本单元，按照此过程构建至少一层所述的基本单元，其特征在于：还包括：将所述基本单元中未覆盖筑型流体部分的微/纳米纤维膜进行全部移除或选择性移除。


2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述的基本单元是二层以上，并按照层层打印叠加构成。


3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述的筑型图案喷印方式包括全面覆盖和/或按照微流道图案进行部分覆盖。


4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述的打印方式是以微/纳米纤维自支撑的增材制造方式进行的。


5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于：所述的纳米纤维自支撑增材制造方式是基于电液耦合喷印技术。


6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述的微/纳米纤维膜层的材料是：高分子聚合物纳米级纤维、高分子复合材料纳米级纤维或天然纤维的纳米级改性纤维。


7.一种微流控器件，其特征在于：所述的微流控器件包括：下基底层、上基底层、和设置于二者之间的至少包括有微流道基本单元的功能区，所述的功能区是由至少一层或是二层以上微/纳米纤维膜层叠打印构成，其中至少具有一层微/纳米纤维膜层中渗透并固化有疏水材料，所述的疏水材料按照设定的图案形成以构建出构建微流控疏水壁垒，从而所述的功能区中构建出2D分布或3D分布的微流道；其中，所述的功能区中微流道还填充有微/纳米纤维材料、或者是移除了微/纳米纤维材料的中空通道。


8.一种微流控器件，其特征在于：所述的微流控器件包括：下基底层、上基底层、和设置于二者之间的至少包括有微阀基本单元的功能区，所述的功能区是由至少三层以上微/纳米纤维膜层叠打印构成，其中：中间层是至少包括一层微/纳米纤维膜层中渗透并固化有疏水材料，以构成薄膜-微腔结构的可致动薄膜部分，中间层的其中上、下层中，均至少具有一层微/纳米纤维膜层中渗透并固化有疏水材料，所述的疏水材料按照设定的图案形成以构建出构建微流控疏水壁垒，从而构建出2D分布或3D分布的微流道；其中，所述的功能区中的微流道是移除了微/纳米纤维材料的中空通道或者是微流道有部...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙道恒，陈小军，吴德志，王凌云，陈沁楠，何功汉，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35