[发明专利]一种聚合物芯片微通道的加工和平整化方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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R_z介于100-500nm之间，操作不慎甚至可以达到μm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。

发明内容

本发明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，本发明的技术方案是，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℃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℃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℃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，最后铣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。