一种用于液滴生成的三维立体微流道芯片结构及制造方法

摘要

本发明公开了一种用于液滴生成的三维立体微流道芯片结构和制作方法，包括上下设置的五个微通道层，第一微通道层和第二微通道层用于第一相和第二相的引入和分流，第三微通道层设有矩阵式排列的混合单元，用于第一相和第二相的混合，第四微通道流程设有与混合单元一一对应的液滴释放单元，用于第一相和第二相混合后形成液滴，第五微流道用于液滴的汇集和引出。本发明解决了平面液滴生成芯片可产液滴较少的问题，应用三维立体的微流道缩小单个液滴生成模块的占地面积，通过矩阵式的排列可实现每小时几升的液滴产量，有望实现年产吨级。

说明书

技术领域

本发明属于微加工技术领域，具体涉及一种用于液滴生成的三维立体微流道芯片结构及制造方法。

背景技术

传统液滴采用振荡法、搅拌法、超声波乳化等方法生成，应用在食品、化妆品及药物的定点运输等领域。随着生物检测技术及微纳米材料的快速发展，微纳米级尺寸的液滴开始应用于微分子的生物检测、微型胶囊的制备以及微纳米颗粒的制备等工作。

针对微型胶囊以及微纳米颗粒的制备，如何实现高通量的液滴生成是液滴生成芯片商业化的关键。现有的平面微流体液滴生成芯片以并行阵列化方式增加并行液滴生成模块数量，已实现采用玻璃-硅-玻璃材料，其中单个平面液滴生成模块长1.4mm，宽80um，生成液滴的尺寸21-28um，每小时产量最高达到升量级，液滴的产量有待进一步提高。

发明内容

针对现有技术方案存在的问题与不足，本发明公开了一种应用于液滴生成的三维阵列式立体微流道芯片结构及制造方法。

为了实现以上目的，本发明的技术方案为：

一种用于液滴生成的三维立体微流道芯片结构，

本发明的有益效果为：

1)提出了微流体液滴生成的芯片三维立体阵列式微流道结构及其制造方法，解决了平面微流体液滴生成芯片可产液滴较少的问题，应用三维立体的微流道缩小单个液滴生成流道的占地面积，其中流体剪切处尺寸最小可至1-2um；

2)通过阵列式的三维立体微流道，液滴尺寸在5um至几百um的范围，并可达到每小时几升的液滴的较高产量，有望实现每年吨级的生产。

附图说明

图1为三维立体阵列式微流道结构；

图2为三维立体阵列式微流道结构拆解图；

图3为三维立体阵列式微流道结构截面图；

图4为三维立体阵列式微流道液滴生成示意图(三维图)；

图5为三维立体阵列式微流道液滴生成示意图(截面图)；

图6-12为三维立体阵列式微流道制造工艺流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。

本实例公开了一种用于液滴生成的三维立体阵列式微流道芯片结构，可参考图1-图3，包括五层微流道层，由下至上分别为第一微流道层100、第二微流道层200、第三微流道层300、第四微流道层400及第五微流道层500。

第一微流道层100具有第一垂直微流道101和第一半开放式平面微流道102；

第二微流道层200具有第二垂直微流道201；

第三微流道层300具有第二半开放式平面微流道301、第三垂直微流道302以及第三半开放式平面微流道303；

第四微流道层400具有第四垂直微流道401和第五垂直微流道402；

第五微流道层500具有第四半开放式平面微流道501和第六垂直微流道502。

若该微流道芯片结构用于水包油液滴的生成，则微通道壁需具备亲水性；若生成油包水液滴，则微通道壁面需疏水。微流道的亲疏水性可通过材料选择或对通道壁进行表面改性来实现。

五个微流道层通过叠合导通形成多个流体的通入、分流和汇集的通道，例如，用于连续相流体和离散相流体生成液滴时：

第一半开放式平面微流道102分为叉指设计的连续相分散流道105和离散相分散流道106，第一垂直微流道101分为与连续相分散流道105和离散相分散流道106一一对应连通的连续相入口103和离散相入口104；第一微流道层100用于多相流体的独立进入和传输；

第二垂直微流道201分为分别与连续相分散流道105和离散相分散流道106对应连通的多个连续相流道202和离散相流道203；第二微流道层200用于流体的分流；

第三微流道层300形成若干阵列式排布的混合单元，各混合单元由由下至上的第二半开放式平面微流道301、第三垂直微流道302和第三半开放式平面微流道303组合而成，分为连续相流道304和离散相流道305，并分别与连续相流道202和离散相流道203对应连通，使连续相和离散相分别进入混合单元；本实施例中，每个混合单元连通1个离散相流道203和2个连续相流道202，且离散相流道203位于两个连续相流道202中间；第二半开放式平面微流道301具有蜿蜒的流道结构，以作为流体流阻通道保证进入混合单元的连续相、离散相动压一致；第三半开放式平面微流道303形成使连续相流道304和离散相流道305连通的流体汇聚。

第四垂直微流道401和第五垂直微流道402一一上下连接形成液滴释放单元，并与前述混合单元一一对应导通，第四垂直微流道401形成流体剪切，第五垂直微流道402用于液滴释放，各混合单元的流体两相混合后在第四微流道层400形成液滴；即，第三微流道层300和第四微流道层400组合形成单个液滴生成模块，多个模块阵列式排布。

第五垂直微流道402与第四半开放式平面微流道501和第六垂直微流道502，第四半开放式平面微流道501用于液滴汇集，第六垂直微流道502设有液滴出口，用于液滴引出。

针对前述用于液滴生成的三维立体阵列式微流道芯片结构，相应液滴生成的方法，可参考图4-图5，连续相和离散相流体分别经第一微流道层、第二微流道层、第三微流道层、第四微流道层后形成液滴，并利用第五微流道层汇集并引出液滴。

首先，连续相流体602经连续相入口103，离散相流体601经离散相入口104引入微流道后，经连续相分散流道105和离散相分散流道106到达单个液滴生成模块。进一步地，流经连续相流道202(离散相流道203)、第二半开放式平面微流道301、连续相流道304(离散相流道305)至第三半开放式平面微流道303实现流体汇聚后，于第四垂直微流道401交汇并经第五垂直微流道402形成液滴603。最后，阵列中的与第四垂直微流道401及第五垂直微流道402同样的位置均生成液滴并连通第四半开放式平面微流道501，并经第六垂直微流道502引出大量的液滴。通过分别控制连续相和离散相流体进入芯片的流量(ul/min)以及微流道流体剪切处的尺寸达几微米/几十微米尺度，可实现5um至几百um级别的液滴生成。

第三微流道层300中设计的流体流阻通道，保证阵列中进入每一个液滴生成模块的连续相、分散相的动压一致。通过阵列式排布数以万计的单个三维立体微流道阵列液滴生成模块，即生成每小时数升的液滴。

进一步参考图6-12，本实例还公开一种用于水包油液滴生成的三维立体阵列式微流道芯片制造方法，包括如下步骤：

步骤1，如图6(a)所示，第一微流道层100采用聚二甲基硅氧烷作基底，通过聚合物复制成形技术在下表面110加工第一垂直微流道101，如图6(b)所示上表面120加工出第一半开放式平面微流道102，且第一垂直微流道101与第一半开放式平面微流道102连通，并在微流道上形成亲水涂层；

步骤2，如图7所示，第二微流道层200采用玻璃作基底，通过激光加工技术可形成连通下表面210和上表面220的第二垂直微流道层201；

步骤3，如图8(a)所示，第三微流道层300采用硅作基底，通过深反应离子刻蚀技术在下表面310上蚀刻出第二半开放式平面微流道301，如图8(b)所示并在上表面320蚀刻出第三半开放式平面微流道303，如图8(c)所示，在第二半开放式平面微流道303往下加工出第三垂直微流道302；

步骤4，如图9(a)所示，第四流道层400采用玻璃作衬底，通过激光加工技术在上表面420上加工出第五垂直微流道402后，如图9(b)所示，在下表面410上加工出第四垂直微流道401；

步骤5，如图10(a)所示，第五微流道层500采用聚二甲基硅氧烷作基底，通过聚合物复制成形技术在下表面510加工第四半开放式平面微流道501，如图10(b)所示，上表面120加工出第六垂直微流道502，且第四半开放式平面微流道501与第六垂直微流道502连通，并在微流道上形成亲水涂层；

步骤6，如图11所示，采用硅玻璃阳极键合工艺，在第三微流道层300两侧分别键合上第二流道层200和第四微流道层400，以连通第二垂直微流道层201、第二半开放式平面微流道301、第三垂直微流道302、第三半开放式平面微流道303、第四垂直微流道401和第五垂直微流道402；

步骤7，如图12所示，在步骤7的基础上采用等离子体键合的方法，在第二微流道层200的下表面键合上第一微流道层100，在第四微流道层400的上表面键合上第五微流道层100，实现了第一垂直微流道101至第六垂直微流道的连通。

微流道特征尺寸最小可达1-2um，也可控制为几十或几百微米尺度；单个液滴生成模块的占地面积小于1mm*50um。

步骤1、5中衬底，除聚二甲基硅氧烷以外还可选择硅或玻璃或特氟龙或亚克力或其他的高分子材料；步骤1、5中，除采用聚合物复制成形技术还可选择深反应离子刻蚀技术或激光诱导蚀刻快速成型技术或湿法刻蚀或热压印技术或激光烧蚀或喷砂或超声微加工或CNC机械加工等方法；

步骤2、4中衬底，除采用玻璃作基底外还可选择硅或特氟龙或亚克力或聚二甲基硅氧烷或其他的高分子材料；步骤2、4中除采用激光加工技术还可选择深反应离子刻蚀技术或激光诱导蚀刻快速成型技术或湿法刻蚀或热压印技术或激光烧蚀或喷砂或超声微加工或或CNC机械加工等方法；

步骤3中衬底，除采用硅作基底外还可选择玻璃或特氟龙或亚克力或聚二甲基硅氧烷或其他的高分子材料；步骤3中除采用深反应离子刻蚀技术还可选择激光诱导蚀刻快速成型技术或湿法刻蚀或热压印技术或激光烧蚀或喷砂或超声微加工或或CNC机械加工等方法；

步骤6中除采用硅玻璃阳极键合工艺，还可采用热键合或胶键合或金属中间层键合或低温键合技术等方法。

步骤7中除采用等离子体键合的方法，还可采用热键合或胶键合或金属中间层键合或低温键合技术等方法。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种用于液滴生成的三维立体阵列式微流道芯片结构及制造方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。