一种聚合物芯片微通道的加工和平整化方法技术

本发明专利技术借助电路板雕刻机提供一种有机聚合物微流控芯片的加工方法及其平整化技术，它可以解决现有机械加工聚合物芯片过程中芯片微通道均匀性差，表面粗糙度高的缺陷。技术方案是，所述平整化方法是按照以下操作步骤进行的：将经过芯片微通道加工方法后的芯片基片置于培养皿中，刻有微通道一面向下，用垫块垫起四角，在培养皿内注入平整化有机溶剂，有机溶剂的液面与芯片表面保持3-8mm的距离，将培养皿封闭并置于恒温水浴加热器中，20-40℃条件下保持一定时间，使有机溶剂蒸气浸润微通道，溶解微通道内毛刺和坑洼处，从而实现平整化。平整化方法是通过芯片基材在有机溶剂蒸气中的缓慢腐蚀而实现的，成本低、操作简便，平整化效率高、效果好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微流控芯片的加工领域，具体地说，涉及一种微流控芯片微通道平整化和快速加工的方法。
技术介绍
微流控芯片(Microfluidics)或称芯片实验室(Lab-on-a_chip),指的是在一块几平方厘米的芯片上构建的化学或生物的实验室。它把化学、生物领域中所涉及的样品制备、分离、反应、检测等操作单元集中到一块很小的芯片上，以可控流体贯穿整个系统，用以实现常规化学或生物学实验室的各种功能。微流控芯片技术是以微通道网络为主要结构特征，通过微通道设计和构型实现各种分析、检测等功能单元，因而微通道的加工是微流控芯片制作技术的基础。常用的微通道加工技术包括光刻、蚀刻、微机械加工、模塑、热压等多种，其中光刻法操作步骤复杂且难以加工深宽比较大的通道；模塑法设计制作模具成本较高且芯片设计灵活性较差；热压法加工精度较低，不适合复杂微图案的芯片加工；激光刻蚀技术法只能刻制倒三角形通道且表面粗糙度较高。相比之下，微机械加工技术在使用成本、操作难易程度上等方面有着较大的优势，特别是借助商业化的电路板雕刻机可实现大深宽比，高精度的芯片快速加工。然而在实际应用中这种方法存在两方面不足:第一，微通道是通过旋转铣刀切削而成的，在加工有机聚合物材质芯片过程中，高速旋转的铣刀与芯片基片长时间接触后会释放大量热能，致使聚合物材质基片局部融化，进而导致芯片微通道均匀性差，甚至破坏芯片；同时融化的有机聚合物材质会包裹在铣刀刀头上，致使铣刀切削性能下降，大大影响了刀具寿命并容易产生别断刀具的现象。第二，采用铣削方式加工出来的聚合物芯片微通道内壁粗糙度相对较高，毛刺、坑洼处较多，一般来说表面粗糙度Rz介于100-500nm之间，操作不慎甚至可以达到μπι级。这对于微通道尺度在 微米甚至纳米级的芯片而言是不可忽略的。现有技术处理微通道表面的方法是将加工后的芯片置于有机溶剂中浸泡，通过腐蚀毛刺以达到平整化的效果。但这种方法很难操控，芯片表面腐蚀速度受温度、有机溶剂种类浓度等多种因素影响，实际操作中经常出现腐蚀不足或腐蚀过度破坏微通道的现象。
技术实现思路
本专利技术借助电路板雕刻机提供一种有机聚合物微流控芯片的加工方法及其平整化技术，它可以解决现有机械加工聚合物芯片过程中芯片微通道均匀性差，表面粗糙度高的缺陷。为达到解决上述技术问题的目的，本专利技术的技术方案是，一种聚合物芯片微通道加工和平整化方法，包括芯片微通道加工和平整化方法，所述平整化方法是按照以下操作步骤进行的:将经过芯片微通道加工方法后的聚合物芯片基片置于培养皿中，刻有微通道一面向下，用垫块垫起四角，在培养皿内注入平整化有机溶剂，有机溶剂的液面与芯片表面保持3-8mm的距离，将培养皿封闭并置于恒温水浴加热器中，20-40°C条件下保持一定时间，使有机溶剂蒸气浸润微通道，溶解微通道内毛刺和坑洼处，从而实现平整化。所述的聚合物芯片基片为聚甲基丙烯酸甲酯或聚环烯烃，平整化有机溶剂为氯仿乙醇混合液或正己烷乙醇混合液。聚甲基丙烯酸甲酯材质芯片的平整化有机溶剂氯仿与乙醇的体积比为1:1-8 ;聚环烯烃材质芯片采用的平整化有机溶剂正己烷与乙醇的体积比为1:0.5-5。20_40°C条件下保持时间为40-600S。所述的表面平整化方法需在芯片微通道加工完毕后0.5-4小时内完成。将两片平整化处理后的芯片基片对齐放入热压机中，60-100°C下施加130-150N/cm2压力，保持25-35分钟实现芯片封接，形成成型芯片。所述芯片微通道加工方法按下述步骤进行: 1)对于切割好的有机聚合物芯片基片，依次用去离子水超声清洗、乙醇冲洗、氮气吹干以去除表面灰尘及油污，随后将芯片基片置于略大于基片幅面的培养皿或托盘中，并以胶带将基片固定在培养皿底 面，在培养皿或托盘中注入芯片基片冷却液用以冷却芯片基材，使冷却液液面没过基材表面3-5mm，将托盘连同基片固定在电路板雕刻机工作台上； 2)将预先设计的芯片图纸导入雕刻机工作站软件，并按照图形控制刀具运行轨迹刻制芯片，采用电路板雕刻机加工微流控芯片过程中主要包括四种铣削工艺，分别是钻孔、铣微通道、铣内轮廓、铣外轮廓，所述四种铣削工艺按照先钻孔，再铣微通道，随后铣内轮廓，最后统外轮廓的顺序进行加工； 3)加工完成后将带有微通道的芯片基片从冷却液中取出，置于去离子水中超声清洗后依次经过无水乙醇、异丙醇冲洗，并用氮气吹干。所述的芯片基片冷却液包括去离子水和无水乙醇两种，当聚合物基材的玻璃态转化温度Tg〈78°C时采用无水乙醇作为冷却液；当Tg ^ 78°C时采用去离子水作为冷却液。所述的芯片基片加工过程中钻头、铣刀的旋转速度和行进速度设置如下:钻头直径不大于1.5mm时，转速30000-40000r/min, Z轴下落速度15-20mm/s,钻头直径大于1.5mm时，转速25000-30000r/min，Z轴下落速度10-15mm/s ;铣微通道、内外轮廓时铣刀直径不大于1.0mm时，转速25000-30000r/min，水平横移速度15-20mm/s，铣刀直径大于1.0mm时，转速 18000-25000r/min，水平横移速度 5_15mm/s。所述的聚合物为聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯，聚四氟乙烯，聚碳酸酯或聚环烯烃。本专利技术提供了一套有机聚合物微流控芯片微通道机械加工和平整化的方法，相比于现有技术，本专利技术的有益效果在于: I)在现有技术中，采用机械加工方式在有机聚合物基片上刻制微通道时，刻制的微通道内壁往往比较粗糙，且毛刺、坑洼处较多，这是由于加工刀具与基片摩擦生热，使聚合物基材与刀具接触区域局部融化导致的；另一方面融化的聚合物基材会粘附在加工刀具上，致使刀具寿命下降甚至会损坏刀具，同时也大大影响加工精度，针对这一问题，本专利技术借助水浴(乙醇浴)冷却的方法并辅助以刀具转速、行进速度、下落速度的优化解决了这一问题，使得微通道平整度更高，刀具寿命更长，大大提高了加工精密度。2)在现有技术中，芯片微通道的平整化技术主要是采用有机溶液浸泡的方式，即将加工好的芯片浸泡在有机溶剂中，利用有机溶剂对芯片基材的溶解能力实现平整化，然而这种方法在实际操作中非常难控制，基材在有机溶剂中溶解速度受到温度、有机试剂浓度、种类等多种因素的影响，很难找到一个恰到好处的条件。本专利技术中利用有机溶剂蒸气的方式对基片进行平整化，这样大大降低了基片溶解速度，使得最佳条件比较容易获得，进而提高了平整化效率。附图说明图1-1是本专利技术聚合物芯片结构示意 图1-2是本专利技术聚合物芯片的微通道刻制示意 图1-3是本专利技术聚合物芯片加工刻有微通道的芯片基片结构 1.微通道，2.进样孔和出液孔，3.储液池，4.光源和检测器接口，5.电路板雕刻机，6.芯片基片，7.冷却液，8.刻有微通道的芯片基片， 图2-1是本专利技术聚合物芯片表面平整化示意 图2-2是本专利技术聚合物芯片热压封装示意图； 图2-3是本专利技术聚合物成型芯片示意 8.刻有微通道的芯片基片，9.培养皿，10.有机溶剂，11.水浴加热器，12.玻璃垫块；13.成型芯片。具体实施例方式下面通过附图1-1、图1-2、图1-3、图2-1、图2-2和图2_3并结合实例详细叙述本专利技术的
技术实现思路
。实施例1:PMMA材质微流控芯片的加工 1.所用仪器 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚合物芯片微通道加工和平整化方法，包括芯片微通道加工和平整化方法，其特征在于，所述平整化方法是按照以下操作步骤进行的：将经过芯片微通道加工方法后的聚合物芯片基片置于培养皿中，刻有微通道一面向下，用垫块垫起四角，在培养皿内注入平整化有机溶剂，有机溶剂的液面与芯片表面保持3?8mm的距离，将培养皿封闭并置于恒温水浴加热器中，20?40℃条件下保持一定时间，使有机溶剂蒸气浸润微通道，溶解微通道内毛刺和坑洼处，从而实现平整化。

【技术特征摘要】
1.一种聚合物芯片微通道加工和平整化方法，包括芯片微通道加工和平整化方法，其特征在于，所述平整化方法是按照以下操作步骤进行的: 将经过芯片微通道加工方法后的聚合物芯片基片置于培养皿中，刻有微通道一面向下，用垫块垫起四角，在培养皿内注入平整化有机溶剂，有机溶剂的液面与芯片表面保持3-8mm的距离，将培养皿封闭并置于恒温水浴加热器中，20-40°C条件下保持一定时间，使有机溶剂蒸气浸润微通道，溶解微通道内毛刺和坑洼处，从而实现平整化。2.根据权利要求1所述的一种聚合物芯片微通道加工和平整化方法，其特征在于，所述芯片材质为聚甲基丙烯酸甲酯或聚环烯烃，平整化有机溶剂为氯仿乙醇混合液或正己烷乙醇混合液。3.根据权利要求2所述的一种聚合物芯片微通道加工和平整化方法，其特征在于，聚甲基丙烯酸甲酯材质芯片的平整化有机溶剂氯仿与乙醇的体积比为1:1-8 ;聚环烯烃材质芯片采用的平整化有机溶剂正己烷与乙醇的体积比为1:0.5-5。4.根据权利要求1所述的一种聚合物芯片微通道加工和平整化方法，其特征在于，20-40°C条件下保持时间为40-600s。5.根据权利要求1所述的一种聚合物芯片微通道加工和平整化方法，其特征在于，所述的表面平整化方法需在芯片微通道加工完毕后0.5-4小时内完成。6.根据权利要求1所述的一种聚合物芯片微通道加工和平整化方法，其特征在于，将两片平整化处理后的芯片基片对齐放入热压机中，60-100°C下施加130-150N/cm2压力，保持25-35分钟实现芯片封接，形成成型芯片。7.根据权利要求1至6中任意一项权利要求所述的一种聚合物芯片微通道加工和平整化方法，其特征在于，所述芯片微通道加工方法按下述步骤进行: 1)对于切割好的有机聚合...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹煊，陈朝贵，汤永佐，高杨，刘岩，马然，任国兴，褚东志，
申请(专利权)人：山东省科学院海洋仪器仪表研究所，
类型：发明
国别省市：