[发明专利]一种3D打印集成数字微流控芯片结构及制造方法

说明书

本发明公开了一种3D打印集成数字微流控芯片结构及制造方法，属于数字微流控技术和3D打印技术领域，传统数字微流控芯片制备中介电层、疏水层和3D微结构层简化为一步式集成制造，有效的简化了数字微流控芯片的制备工艺，解决了步骤复杂、工艺繁琐、三维结构加工等难题，实现芯片的批量化、自动化生产，有利于拓宽数字微流控芯片在工业和产业上的应用。

技术领域

本发明涉及属于数字微流控技术和3D打印技术领域，更具体的说是涉及一种3D打印集成数字微流控芯片结构及制造方法。

背景技术

目前，数字微流控技术，是一种微液滴操作的流体控制技术。数字微流控技术可以实现对多液滴操作控制，因此在芯片实验室应用中实现多液滴并行处理和分析测试，将生物、化学的样品制备、反应、分离、检测等分析过程集成到微米尺寸的检测芯片上，例如数字微流控芯片，实现液滴产生和液滴控制，用极短的时间产生反应液滴，避免反应物之间互相污染，速度快，效率高。

传统的用于制作半导体及集成电路芯片的光刻和刻蚀技术，是微流控芯片加工工艺中最基础的。它是用光胶、掩膜和紫外光进行微细加工，工艺成熟，已广泛用于硅、玻璃和石英基片上制作微结构层。光刻和刻蚀技术由薄膜沉积、光刻和刻蚀三个工序组成。复杂的微结构层可通过多次重复薄膜沉积-光刻-刻蚀这三个工序来完成。基于光刻技术制造数字微流控芯片主要包含以下基本工艺过程构成：基片预处理、涂胶、前烘、曝光、显影、后烘等一系列的操作。光刻技术制造微流控芯片步骤繁琐、工艺复杂、需要操作熟练的人员，而且大批量制造芯片比较困难。如需制造3D微结构层，则还需人工对准和粘合，这大大增加了数字微流控芯片制造的难度，也降低了结构制造的精度。以前文献(Zhai,J.,Li,H.,Wong,A.HH.et al.A digital microfluidic system with 3D microstructures for single-cell culture.Microsyst Nanoeng 6,6(2020).)采用了基于SU8材料光刻工艺制造了数字微流控芯片。文献中提到的阵列长方体结构，并不是真正的3D微结构层。因此，采用光刻技术实现3D微结构层的加工制造具有一定的挑战性。

增材制造技术(3D打印技术)在工业、生物医学、艺术等众多领域获得了广泛应用。较为成熟的商业化增材制造技术主要包括光固化成型(SLA)、分层实体成型(LOM)、熔丝沉积(FDM)及选择性激光烧结(SLS)等工艺原理。鉴于制造精度—效率的调和问题，增材制造技术在微纳尺度结构、器件的制造上更具应用潜力。微纳增材制造技术是实现人工设计具有微观3D精细结构制造的理想方法。以光固化为特征(激光直写、双光子激光、投影曝光等)的3D打印技术已经实现商业化，可以轻易打印线宽～2μm的结构。

因此，鉴于光刻技术制造数字微流控芯片介电层-疏水层-微结构层复杂的制造步骤，如何提供一种3D打印集成数字微流控芯片的制造方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种阵列微结构层、数字微流控芯片及其制备方法。用以解决传统芯片制造步骤繁琐、失败率高、成型速度慢、难以一次成型的问题。

有鉴于此，本发明提供了一种3D打印集成数字微流控芯片的制造方法，本发明采用3D打印技术集成化和一步式制造具有3D微结构层的数字微流控芯片。通过本发明3D打印集成化和一步式制造方法，可以实现介电层-疏水层-3D微结构层-电极层-基底的一步式制造，避免多步骤、多层对准、键合等精度偏差等问题，并可实现芯片的批量化、自动化生产，有利于将拓宽数字微流控芯片在工业和产业上的应用。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，一种3D打印集成数字微流控芯片结构，所述数字微流控芯片包括：上、下极板两部分，所述上极板为疏水化的电极；所述下极板包括依次连接的基底板、介电层、疏水层以及3D微结构层；所述基底板包括依次连接的基底层以及电极层。

另一方面，一种3D打印集成数字微流控芯片的制造方法，包括：