基于PDMS薄膜的閥控微流芯片

陳婷　陳均　劉侃

摘要：該文報(bào)道了一種基于PDMS（Polydimethylsiloxane， 聚二甲基硅氧烷）薄膜的三維結(jié)構(gòu)型氣動(dòng)微閥芯片的設(shè)計(jì)、制造和性能表征。芯片的制作將玻璃雕刻技術(shù)與聚合物轉(zhuǎn)移粘合技術(shù)相結(jié)合，方法簡(jiǎn)單。在外源氣壓的作用下，芯片中間層薄膜發(fā)生形變使液體通道產(chǎn)生阻塞，通過對(duì)控制壓力與液體流量之間關(guān)系的測(cè)量，得出該微閥可實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的良好控制，同時(shí)，集成多個(gè)微型閥的芯片可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜流體的控制功能。

關(guān)鍵詞：微流控芯片；微型閥；PDMS薄膜

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）02-0257-02

在微流控系統(tǒng)中，往往需要對(duì)微流體進(jìn)行精確的控制，因此一個(gè)可靠的微型閥門至關(guān)重要，它的精準(zhǔn)度、可靠度及制作成本都將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成影響?？梢哉f，微型閥是微流控系統(tǒng)中最為重要的部件之一[1-2]。微型閥的發(fā)展主要經(jīng)歷了兩個(gè)階段[3]，在發(fā)展的早期階段，主要是以MEMS技術(shù)為基礎(chǔ)制作開發(fā)，包括壓電微型閥，磁性微型閥，靜電微型閥等。這些方法大多需要采用多層硅工藝（將多層硅結(jié)構(gòu)堆疊在一起）的三維結(jié)構(gòu)，雖然穩(wěn)定性好，但有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以集成，生產(chǎn)成本高，功耗較大等缺點(diǎn)。作為微流控系統(tǒng)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，微型閥在近年來獲得了迅速發(fā)展，各種非傳統(tǒng)技術(shù)已被應(yīng)用于微型閥的開發(fā)中，如外部氣動(dòng)有源微型閥[4]，相變微型閥[5]等。其制作材料也由硅逐漸轉(zhuǎn)化為聚合物，如PMMA[6]，PDMS[7]，PC等材料，因其良好的可塑性和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用。尤其是PDMS具有優(yōu)異的透光性，高透氣性，無毒性和生物相容性等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為最受歡迎的微型閥制作材料。然而許多基于PDMS材料生產(chǎn)的微型閥需采用光刻技術(shù)，使得生產(chǎn)過程復(fù)雜而繁瑣，導(dǎo)致成本增加[8]。因此，簡(jiǎn)化微閥的結(jié)構(gòu)和制作方法，降低成本，增加其靈活性具有重要意義。

基于此，我們制作出了一種集成多個(gè)微型閥門可用于控制復(fù)雜流體的微流控芯片。該芯片由兩塊具有微結(jié)構(gòu)的玻璃芯片和一層PDMS薄膜鍵合而成，微加工技術(shù)簡(jiǎn)單，制作方便，成本低廉，可廣泛應(yīng)用于微流控分析系統(tǒng)中。

1 芯片結(jié)構(gòu)與工作原理

芯片的結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，由上下兩塊玻璃芯片和中間一層PDMS薄膜鍵合而成，其中上片玻璃芯片上具有液體微溝道，下片玻璃芯片上具有氣體微溝道，PDMS層上具有連接上下溝道入口的通孔，其中流體通道直接穿過氣體通道下方，組合成如圖1（b）所示的微流控芯片。主要原理是利用氣流溝道與液流溝道間的氣壓差，使中間的PDMS層發(fā)生形變和回彈，從而達(dá)到液路截?cái)嗪蛯?dǎo)通的作用。當(dāng)向氣體控制通道提供適當(dāng)壓力時(shí)，中間的彈性PDMS薄膜層被制動(dòng)從而阻塞流體通道，當(dāng)撤銷控制通道的壓力時(shí)，彈性PDMS薄膜產(chǎn)生回彈，液體通道恢復(fù)流通狀態(tài)，即一個(gè)微型閥門的作用。

2 芯片的制備方法

芯片制造的關(guān)鍵在于兩塊玻璃芯片通過PDMS膜層有效地結(jié)合在一起，形成可承受較大壓力的高粘結(jié)強(qiáng)度芯片。具體制作過程如圖2所示，步驟如下：（1）用雕刻機(jī)在上、下玻璃片上雕刻出設(shè)計(jì)的通道（寬0.6mm，深0.2mm）和通孔（直徑0.6mm）；（2）將適量的PDMS預(yù)聚物（組分比例A / B = 10：1）混合，然后在真空環(huán)境中除去氣泡；（3）將制得的PDMS混合物旋涂在干凈的PET膜（85mm×85mm）上，在1500r/min的轉(zhuǎn)速下旋涂60秒，然后在65℃下烘烤40分鐘；（4）將覆蓋有PDMS的上部芯片和PET膜進(jìn)行電暈放電處理[9]，然后在65℃下烘烤約4小時(shí)；（5）用刀片沿著上芯片的邊緣切割PDMS膜，然后輕輕剝離PET膜，然后去除在芯片的通孔處的PDMS；（6）將覆蓋有PDMS膜的上部芯片和下部芯片進(jìn)行電暈放電處理，然后對(duì)準(zhǔn)貼合，并在80℃下烘烤粘合至少6小時(shí)。

3 微閥性能測(cè)試

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖3為微型閥性能表征的示意性實(shí)驗(yàn)裝置，整個(gè)系統(tǒng)包括：芯片夾具，密封試劑容器，壓力驅(qū)動(dòng)模塊，供氣模塊和觀察模塊。芯片夾具由兩個(gè)PMMA芯片組成，其中用于放置微流控芯片的凹槽由雕刻機(jī)加工，通孔由標(biāo)準(zhǔn)激光燒蝕步驟制成[10]，并且為了增加夾具的密封性，使用了O形墊圈，毛細(xì)管等零件。壓力驅(qū)動(dòng)模塊選擇氣動(dòng)電磁閥（ITV-1030，日本SMC公司），為系統(tǒng)提供精確的壓力驅(qū)動(dòng)。密封的試劑容器是帶有隔膜帽的小瓶，隔膜被兩根管刺穿，一根與氣動(dòng)閥連接，另一根連接到芯片的流體入口。供氣模塊主要是空氣壓縮機(jī)，可產(chǎn)生高壓空氣，然后將包括毛細(xì)管和顯微鏡的觀察模塊連接到芯片出口。在液體驅(qū)動(dòng)壓力一定的情況下，通過改變氣體溝道的控制壓力，觀察液體的流量，具體測(cè)量方法參考文獻(xiàn)[11]。

3.2 測(cè)試結(jié)果及討論

圖4顯示了當(dāng)驅(qū)動(dòng)壓力為5kpa時(shí)氣體控制壓力和液體的流量之間的關(guān)系。從圖中可以看出，微型閥是一種常開閥，在液體的驅(qū)動(dòng)壓力作用下，流體從入口進(jìn)入，此時(shí)流量最大。當(dāng)施加控制壓力時(shí)，流量開始下降，當(dāng)控制壓力達(dá)到一定值時(shí)，流量基本為零，可以認(rèn)為已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了閥門的切斷功能。此外，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)控制壓力被去除時(shí)，由于PDMS膜的彈性恢復(fù)過程，流量返回初始狀態(tài)存在滯后，但是微型閥仍然處于良好的導(dǎo)通狀態(tài)。由此可見，此微型閥可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的良好控制。

4 結(jié)論

在本文中，我們描述了一種基于PDMS膜的三維結(jié)構(gòu)式氣動(dòng)微閥芯片的制造和特性。微閥芯片可承受較高的液體或空氣壓力不產(chǎn)生爆裂。當(dāng)液體壓力低于空氣壓力時(shí)，微型閥可良好地實(shí)現(xiàn)對(duì)液體的截?cái)喙δ?。另外，將多個(gè)平行的閥陣列集成到一個(gè)微流控芯片中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜流體的操控。

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