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专利名称：一种叠层无源微混合器及其制作方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN201910978675.6

专利申请（专利权）人：武夷学院
权利人地址：福建省南平市武夷山市武夷大道16号

专利发明（设计）人：章安良

专利摘要：本发明公开了一种叠层无源微混合器及其制作方法，该叠层无源微混合器包括多个PDMS薄固化层和多张间隔纸片，一个PDMS薄固化层上设有具有两个入口和一个出口的通道，其余PDMS薄固化层上设有具有一个入口和出口的通道，自下而上按一个PDMS薄固化层、一张间隔纸片的顺序依次叠放形成叠层结构，最上方为具有两个入口和一个出口的通道的PDMS薄固化层，上下两个通道的位置错开，间隔纸片位于相邻两个PDMS薄固化层的边缘之间使中央区域之间形成有微空腔，上下两个通道通过微空腔连通，相邻两个PDMS薄固化层的外周壁之间密封连接，最上方的通道的两个入口分别作为输入口，最下方的通道的出口作为输出口；优点是混合效率高，结构简单、工艺便捷、工艺成本低。

主权利要求：
1.一种叠层无源微混合器的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：制作多个尺寸相同的PDMS薄固化层，其中一个PDMS薄固化层上贯穿上下制作有具有两个入口和一个出口的通道，其余PDMS薄固化层上贯穿上下制作有具有一个入口和一个出口的通道；
步骤二：制作多张外框尺寸与PDMS薄固化层的尺寸一致，且框边宽度为1～2毫米的呈框状的间隔纸片；
步骤三：自下而上按一个PDMS薄固化层、一张间隔纸片的顺序依次对齐叠放，使相邻两个PDMS薄固化层上的通道的位置错开，使间隔纸片位于相邻两个PDMS薄固化层的边缘之间形成叠层结构，叠层结构中最上方为具有两个入口和一个出口的通道的PDMS薄固化层、相邻两个PDMS薄固化层上的通道通过这两个PDMS薄固化层的中央区域之间形成的微空腔连通；
步骤四：在相邻两个PDMS薄固化层的外周壁之间涂覆凝胶态的PDMS经固化后形成密封圈实现密封连接；
步骤五：将叠层结构中最上方的PDMS薄固化层上的通道的两个入口分别作为输入口并引出细软管，将叠层结构中最下方的PDMS薄固化层上的通道的出口作为输出口并引出细软管，至此制作得到叠层无源微混合器；
所述叠层无源微混合器包括多个PDMS薄固化层和多张间隔纸片，其中一个所述的PDMS薄固化层上贯穿上下设置有具有两个入口和一个出口的通道，其余所述的PDMS薄固化层上贯穿上下设置有具有一个入口和一个出口的通道，自下而上按一个所述的PDMS薄固化层、一张所述的间隔纸片的顺序依次叠放形成叠层结构，所述的叠层结构中最上方为具有两个入口和一个出口的通道的所述的PDMS薄固化层，相邻两个所述的PDMS薄固化层上的通道的位置错开，所述的间隔纸片位于相邻两个所述的PDMS薄固化层的边缘之间使相邻两个所述的PDMS薄固化层的中央区域之间形成有一个微空腔，相邻两个所述的PDMS薄固化层上的通道通过所述的微空腔连通，相邻两个所述的PDMS薄固化层的外周壁之间密封连接，所述的叠层结构中最上方的所述的PDMS薄固化层上的通道的两个入口分别作为输入口，所述的叠层结构中最下方的所述的PDMS薄固化层上的通道的出口作为输出口，所述的叠层结构中最上方的所述的PDMS薄固化层上的通道为T型结构或Y型结构通道、其余所述的PDMS薄固化层上的通道为竖直的直通通道，所述的PDMS薄固化层上的通道位于所述的PDMS薄固化层的一个角端处，叠放时使相邻两个所述的PDMS薄固化层上的通道呈对角错开。
2.根据权利要求1所述的一种叠层无源微混合器的制作方法，其特征在于所述的步骤一的具体过程为：
将一根直径为100～200微米的细金属丝竖直放置于一个容器中；然后向容器内倒入未固化的PDMS；接着利用恒温箱进行固化；再取出固化体，并抽取掉细金属丝；最后按所需尺寸将固化体切片，得到多个具有一个入口和一个出口的通道的PDMS薄固化层，PDMS薄固化层上的通道位于一个角端处；
利用直径为100～200微米的细金属丝制作成T型结构或Y型结构，并将制作好的金属丝结构放置于一个容器中；然后向容器内倒入未固化的PDMS，使未固化的PDMS的高度为PDMS薄固化层所需尺寸；接着利用恒温箱进行固化；再取出固化体，并抽取掉细金属丝，得到一个具有两个入口和一个出口的通道的PDMS薄固化层，PDMS薄固化层上的通道位于一个角端处。
3.根据权利要求1所述的一种叠层无源微混合器的制作方法，其特征在于所述的PDMS薄固化层上的通道的孔径为100～200微米。 说明书 : 一种叠层无源微混合器及其制作方法技术领域[0001] 本发明涉及一种微流控芯片中的微混合器及其制作技术，尤其是涉及一种叠层无源微混合器及其制作方法。背景技术[0002] 微流控芯片是将常规实验室分析仪器单元集成在一个小基片上，完成常规实验室生化分析功能，它具有体积小、生化试剂消耗量少、分析时间短、可以做到较高分析自动化的优点，因此微流控芯片自从发明以来，受到了国内外专家的重视，并得到了快速发展，已逐渐渗透到了多个学科领域，并进一步影响到了人们生活的方方面面，每年都有大量的文献报道微流控芯片相关开云优惠体育网页版入口。目前，微流控芯片已在DNA分析、蛋白质分析、毒品检测、环境监测、食物安全等领域获得了广泛应用。[0003] 微流体混合是微流控芯片不可或缺的基本操作单元，生化反应进行微流分析前必须进行反应液充分混合，才能有可靠的分析精度。因此，微流控芯片专家、学者投入大量精力，不懈地研究微混合器结构及其制作方法，以便降低制作成本，提高混合效率，并发明了不同机理的微混合器的制作方法及结构。[0004] 按照微混合器的能量供给来分，微混合器分为两大类，无需外界能量供给的微混合器称为无源微混合器，而需要外界能量供给的混合器则为有源微混合器。有源微混合器根据提供的能量源不同，有多种形式，制作方法和微混合器的结构也随之不同。常见的有源微混合器主要有电磁驱动微混合器、热膨胀微混合器、超声波驱动微混合器、机械搅动和电驱动等形式的微混合器。有源微混合器的优点是微混合器的混合效率较高、混合速度较快，但它们都有一个共同的缺点，即结构相对复杂，外界能量供给导致体积增大，提高了分析成本，也与微流分析向着小尺寸、自动化的发展方向有出入。因此，在有些场合中，无源微混合器发挥了作用。无源微混合器无需外界能量供给，无需片外单元，体积。档土朔治龀杀。[0005] 出现较早、简单的无源微混合器是十字型、T型微混合器。这种微混合器通过软光刻或模铸法制作十字型或T型交叉微通道，待混合的微流体在两个输入口输入，经过十字型或T型交叉微通道后，汇合为一个微通道，两微流体在汇合后的同一微通道内通过扩散，实现两微流体被动混合。这种微混合器的结构简单，但混合效率有待进一步提高。[0006] 为提高无源微混合器的混合效果，在制作T型结构或十字型结构的微混合器时，往往加长汇合后的微通道的长度，以确保混合物充分混合；除此之外，在增加混合用的微通道的长度的同时，在混合用的微通道的内部设计有不同图形的结构，以提高混合效率，但从改变微通道的内部物理结构来提高无源微混合器的混合效率，增加了微混合器的工艺成本，有待改进。如：期刊《科学，Science》2002年第295卷第1期647?651页公开了《微通道无序混合器，Chaoticmixerformicrochannels》，它在微通道底部采用MEMS技术设计了交叉鱼刺状槽，即，通过MEMS技术设计有一排鱼刺条状的图案，再采用模铸法制作底部带有鱼刺状的微通道，并键合，连接出入口，构成内部有特殊结构的无源微混合器。该无源微混合器采用鱼刺状结构，使得微流体经过时产生紊流，增加了混合液间的扩散机会，相对于传统的通过增加微通道的长度来提高混合效率的方法而言，混合液的混合效率大大提高了。该无源微混合器的缺点是增加了工艺步骤，对模板制作的工艺要求较高，提高了微混合器的制作条件及工艺成本，尤其是对于普通的实验室，条件受限的情况下，更是一种挑战。发明内容[0007] 本发明所要解决的技术问题是提供一种叠层无源微混合器及其制作方法，该叠层无源微混合器的混合效率高，且结构简单、工艺便捷、工艺成本低。[0008] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种叠层无源微混合器，其特征在于包括多个PDMS薄固化层和多张间隔纸片，其中一个所述的PDMS薄固化层上贯穿上下设置有具有两个入口和一个出口的通道，其余所述的PDMS薄固化层上贯穿上下设置有具有一个入口和一个出口的通道，自下而上按一个所述的PDMS薄固化层、一张所述的间隔纸片的顺序依次叠放形成叠层结构，所述的叠层结构中最上方为具有两个入口和一个出口的通道的所述的PDMS薄固化层，相邻两个所述的PDMS薄固化层上的通道的位置错开，所述的间隔纸片位于相邻两个所述的PDMS薄固化层的边缘之间使相邻两个所述的PDMS薄固化层的中央区域之间形成有一个微空腔，相邻两个所述的PDMS薄固化层上的通道通过所述的微空腔连通，相邻两个所述的PDMS薄固化层的外周壁之间密封连接，所述的叠层结构中最上方的所述的PDMS薄固化层上的通道的两个入口分别作为输入口，所述的叠层结构中最下方的所述的PDMS薄固化层上的通道的出口作为输出口。[0009] 所述的叠层结构中最上方的所述的PDMS薄固化层上的通道为T型结构或Y型结构通道、其余所述的PDMS薄固化层上的通道为竖直的直通通道。由于对于无源微混合器需有两个输入口，因此最上方的PDMS薄固化层上的通道需具有两个入口，这样可将最上方的PDMS薄固化层上的通道设计成T型结构或Y型结构等。[0010] 所述的PDMS薄固化层上的通道的孔径为100～200微米。相对而言，通道的孔径越小混合效果就越好，一般情况下可将通道的孔径设计为120微米。[0011] 所述的PDMS薄固化层上的通道位于所述的PDMS薄固化层的一个角端处，叠放时使相邻两个所述的PDMS薄固化层上的通道呈对角错开。将通道设计于PDMS薄固化层的一个角端处，这样叠放PDMS薄固化层时为达到最好的混合效果，可将上下两个通道呈对角错开，对角错开时上下两个通道形成的路径最长。[0012] 所述的间隔纸片呈框状，所述的间隔纸片设置于相邻两个所述的PDMS薄固化层的边缘之间。在实际处理时可直接将常用的A4纸裁剪成与PDMS薄固化层的长、宽一致，再将中间部分挖空，形成框状的间隔纸片，挖空部分位于相邻两个PDMS薄固化层的中央区域之间形成微空腔。[0013] 所述的间隔纸片的框边宽度为1～2毫米。限定间隔纸片的框边宽度使得微空腔的体积达到最大。[0014] 相邻两个所述的PDMS薄固化层的外周壁之间涂覆凝胶态的PDMS经固化后形成密封圈实现密封连接。在相邻两个PDMS薄固化层的外周壁之间采用PDMS密封连接的效果最佳。[0015] 所述的输入口和所述的输出口上分别引出有细软管。[0016] 一种叠层无源微混合器的制作方法，其特征在于包括以下步骤：[0017] 步骤一：制作多个尺寸相同的PDMS薄固化层，其中一个PDMS薄固化层上贯穿上下制作有具有两个入口和一个出口的通道，其余PDMS薄固化层上贯穿上下制作有具有一个入口和一个出口的通道；[0018] 步骤二：制作多张外框尺寸与PDMS薄固化层的尺寸一致，且框边宽度为1～2毫米的呈框状的间隔纸片；[0019] 步骤三：自下而上按一个PDMS薄固化层、一张间隔纸片的顺序依次对齐叠放，使相邻两个PDMS薄固化层上的通道的位置错开，使间隔纸片位于相邻两个PDMS薄固化层的边缘之间形成叠层结构，叠层结构中最上方为具有两个入口和一个出口的通道的PDMS薄固化层、相邻两个PDMS薄固化层上的通道通过这两个PDMS薄固化层的中央区域之间形成的微空腔连通；[0020] 步骤四：在相邻两个PDMS薄固化层的外周壁之间涂覆凝胶态的PDMS经固化(固化工艺可利用恒温箱实现)后形成密封圈实现密封连接；[0021] 步骤五：将叠层结构中最上方的PDMS薄固化层上的通道的两个入口分别作为输入口并引出细软管，将叠层结构中最下方的PDMS薄固化层上的通道的出口作为输出口并引出细软管。[0022] 所述的步骤一的具体过程为：[0023] 将一根直径为100～200微米的细金属丝竖直放置于一个容器中；然后向容器内倒入未固化的PDMS；接着利用恒温箱进行固化；再取出固化体，并抽取掉细金属丝；最后按所需尺寸(如厚度为1～2毫米)将固化体切片，得到多个具有一个入口和一个出口的通道的PDMS薄固化层，PDMS薄固化层上的通道位于一个角端处；[0024] 利用直径为100～200微米的细金属丝制作成T型结构或Y型结构，并将制作好的金属丝结构放置于一个容器中；然后向容器内倒入未固化的PDMS，使未固化的PDMS的高度为PDMS薄固化层所需尺寸(如厚度为1～2毫米)；接着利用恒温箱进行固化；再取出固化体，并抽取掉细金属丝，得到一个具有两个入口和一个出口的通道的PDMS薄固化层，PDMS薄固化层上的通道位于一个角端处。[0025] 与现有技术相比，本发明的优点在于：[0026] 1)该叠层无源微混合器是将多个PDMS薄固化层依次叠放在一起，且将相邻两个PDMS薄固化层上的通道的位置错开，这样由所有通道和相邻两个PDMS薄固化层的中央区域之间形成的微空腔构成了一条很长的微通道，即在空间方向上增加了微通道的长度，确保了混合物能够充分混合，混合效率高；且微空腔的空间较大，提高了混合效果。[0027] 2)该叠层无源微混合器是在空间方向上增加了微通道的长度，可将无源微混合器的长度方向尺寸缩减到最。⒎鞘峭ü黾游拊次⒒旌掀髟诔ざ确较蛏系某叽缋丛黾游⑼ǖ赖某ざ。[0028] 3)该叠层无源微混合器通过增加微通道的长度来提高混合效率，避免了采用MEMS技术制作无源微混合器的内部物理结构所要求的昂贵工艺设备，解决了普通实验室研究中没有相应昂贵设备导致难以研制微流微混合单元问题。[0029] 4)该叠层无源微混合器的结构简单、工艺便捷、工艺成本低。附图说明[0030] 图1为实施例一的叠层无源微混合器的结构示意图；[0031] 图2为实施例一的叠层无源微混合器中最上面2个PDMS薄固化层连接成的结构的示意图；[0032] 图3为图2的剖视结构示意图。具体实施方式[0033] 以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。[0034] 实施例一：[0035] 本实施例提出的一种叠层无源微混合器，如图所示，其包括6个PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄固化层1和5张间隔纸片2，其中一个PDMS薄固化层1上贯穿上下设置有具有两个入口和一个出口的通道3，其余PDMS薄固化层1上贯穿上下设置有具有一个入口和一个出口的通道3，自下而上按一个PDMS薄固化层1、一张间隔纸片2的顺序依次叠放形成叠层结构，叠层结构中最上方为具有两个入口和一个出口的通道3的PDMS薄固化层1，相邻两个PDMS薄固化层1上的通道3的位置错开，间隔纸片2位于相邻两个PDMS薄固化层1的边缘之间使相邻两个PDMS薄固化层1的中央区域之间形成有一个微空腔4，相邻两个PDMS薄固化层1上的通道3通过微空腔4连通，相邻两个PDMS薄固化层1的外周壁之间密封连接，叠层结构中最上方的PDMS薄固化层1上的通道3的两个入口分别作为输入口51，叠层结构中最下方的PDMS薄固化层1上的通道3的出口作为输出口52，输入口51和输出口52上分别引出有细软管(图中未示出)。[0036] 在本实施例中，叠层结构中最上方的PDMS薄固化层1上的通道3为Y型结构通道、其余PDMS薄固化层1上的通道3为竖直的直通通道。由于对于无源微混合器需有两个输入口51，因此最上方的PDMS薄固化层1上的通道3需具有两个入口，这样可将最上方的PDMS薄固化层1上的通道3设计成Y型结构，也可以设计成T型结构等。[0037] 在本实施例中，PDMS薄固化层1上的通道3的孔径为100～200微米，相对而言，通道3的孔径越小混合效果就越好，一般情况下可将通道3的孔径设计为120微米。[0038] 在本实施例中，PDMS薄固化层1上的通道3位于PDMS薄固化层1的一个角端处，叠放时使相邻两个PDMS薄固化层1上的通道3呈对角错开。将通道3设计于PDMS薄固化层1的一个角端处，这样叠放PDMS薄固化层1时为达到最好的混合效果，可将上下两个通道3呈对角错开，对角错开时上下两个通道3形成的路径最长。[0039] 在本实施例中，间隔纸片2呈框状，间隔纸片2设置于相邻两个PDMS薄固化层1的边缘之间。在实际处理时可直接将常用的A4纸裁剪成与PDMS薄固化层1的长、宽一致，再将中间部分挖空，形成框状的间隔纸片2，挖空部分位于相邻两个PDMS薄固化层1的中央区域之间形成微空腔4。[0040] 在本实施例中，间隔纸片2的框边宽度W为1～2毫米，如设计为1.5毫米，限定间隔纸片2的框边宽度W使得微空腔4的体积达到最大。[0041] 在本实施例中，相邻两个PDMS薄固化层1的外周壁之间涂覆凝胶态的PDMS经固化后形成密封圈6实现密封连接。在相邻两个PDMS薄固化层1的外周壁之间采用PDMS密封连接的效果最佳。[0042] 该叠层无源微混合器使用时，待混合的微流体分别通过两个输入口51进样，微流体经第1个通道后进入第1个微空腔，输运的同时实现无源混合，通过第2个通道到达第2个微空腔，如此在各个通道和各个微空腔内实现输运和混合，最后通过第6个通道到达输出口52输运到微流分析器件的后续操作单元进行微流操作，完成微流分析。[0043] 实施例二：[0044] 本实施例提出了一种实施例一的叠层无源微混合器的制作方法，其包括以下步骤：[0045] 步骤一：制作多个尺寸相同的PDMS薄固化层，其中一个PDMS薄固化层上贯穿上下制作有具有两个入口和一个出口的通道，其余PDMS薄固化层上贯穿上下制作有具有一个入口和一个出口的通道。[0046] 在此，步骤一的具体过程为：[0047] 将一根直径为100～200微米的细金属丝竖直放置于一个容器中；然后向容器内倒入未固化的PDMS；接着利用恒温箱进行固化；再取出固化体，并抽取掉细金属丝；最后按所需尺寸(如厚度为1～2毫米)将固化体切片，得到多个具有一个入口和一个出口的通道的PDMS薄固化层，PDMS薄固化层上的通道位于一个角端处。[0048] 利用直径为100～200微米的细金属丝制作成Y型结构，并将制作好的金属丝结构放置于一个容器中；然后向容器内倒入未固化的PDMS，使未固化的PDMS的高度为PDMS薄固化层所需尺寸(如厚度为1～2毫米)；接着利用恒温箱进行固化；再取出固化体，并抽取掉细金属丝，得到一个具有两个入口和一个出口的通道的PDMS薄固化层，PDMS薄固化层上的通道位于一个角端处。[0049] 步骤二：制作多张外框尺寸与PDMS薄固化层的尺寸一致，且框边宽度为1～2毫米的呈框状的间隔纸片。[0050] 步骤三：自下而上按一个PDMS薄固化层、一张间隔纸片的顺序依次对齐叠放，使相邻两个PDMS薄固化层上的通道的位置错开，使间隔纸片位于相邻两个PDMS薄固化层的边缘之间形成叠层结构，叠层结构中最上方为具有两个入口和一个出口的通道的PDMS薄固化层、相邻两个PDMS薄固化层上的通道通过这两个PDMS薄固化层的中央区域之间形成的微空腔连通。[0051] 步骤四：在相邻两个PDMS薄固化层的外周壁之间涂覆凝胶态的PDMS经固化(固化工艺可利用恒温箱实现)后形成密封圈实现密封连接。[0052] 步骤五：将叠层结构中最上方的PDMS薄固化层上的通道的两个入口分别作为输入口并引出细软管，将叠层结构中最下方的PDMS薄固化层上的通道的出口作为输出口并引出细软管。

专利地区：福建

专利申请日期：2019-10-15

专利公开日期：2024-10-29

专利公告号：CN110732275B