一种玻璃基微流控芯片及其制备方法

本发明涉及玻璃基微流控芯片领域，具体指有一种玻璃基微流控芯片及其制备方法。

背景技术：

1、微流控芯片技术是一种利用微通道处理或操纵微小流体的技术，具有体积小、反应速度快、能耗低、样品及试剂用量少的特点。微流控芯片技术现已成为备受关注的前沿分析技术之一，在医药、生化分析以及化学合成等领域具有广阔的应用前景。在微流控芯片制备过程中，常用的材质有玻璃、石英、pdms(聚二甲基硅氧烷)、ps(聚苯乙烯)、pp(聚丙烯)、pe(聚乙烯)和pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)。成品的微流控芯片常见材质为pdms芯片、玻璃芯片和pmma芯片。目前，pdms因成本低、生物适应性好、易于制造，是快速制造微流控装置的首选材料。然而，微流控芯片在实际应用时，还需要综合考虑其化学惰性、软化温度、透光率、成型性能、键合性能等特性参数。当微流控芯片作为反应器应用于化学合成领域时，要求芯片材质能耐住dmf(n，n－二甲基甲酰胺)、dic(n，n－二异丙基碳二亚胺)、tfa(三氟乙酸)等有机溶剂或酸碱试剂的腐蚀，此时pdms芯片往往不适用。玻璃作为微流控芯片的重要基材，对有机溶剂具有良好的耐受性，具有不与其他物质发生化学反应、电绝缘性和散热性良好、光学性能优良、耐高压、具有较好的生物相容性等独特优势。

2、实际应用中通常需要在玻璃基片上进行微加工，采用的工艺通常包括微机械加工(如电化学放电、超声打孔、激光刻蚀等)、干法刻蚀和湿法刻蚀三种。在这三种加工方法中，可以使用氢氟酸溶液的湿法刻蚀法，但目前玻璃湿法刻蚀技术能达到的刻蚀深度较浅。玻璃进行深度湿法刻蚀的工艺瓶颈，主要是在刻蚀过程中强腐蚀性的刻蚀剂更容易造成掩膜保护层的塌陷、钻蚀甚至剥离。此外，在进行深度刻蚀时，刻蚀面上反应生成物的及时去除、对刻蚀速率与刻蚀时间的可控性，二者对刻蚀成败与否至关重要，是湿法刻蚀在制备不同深度的玻璃微通道应用领域待解决的问题。

3、现有用于医药和生物领域的微流控芯片，大多选用聚合物基(pc、pmma、pdms等)微流控芯片，当用于化学合成领域时存在以下缺点：

4、(1)芯片具有疏水性：水溶液引入通道中存在困难，疏水性物质会被吸附在pdms芯片表面从而干扰接下来的反应进行或分析检测；

5、(2)弹性材质的芯片不耐高压：当通道内压增大时会改变通道的几何形状，容易发生反应液泄漏，影响实验进行或造成实验失败；

6、(3)芯片对有机溶剂不耐受：当进行合成实验时，因材质不耐受反应环境而发生溶解，失去芯片反应器的功能性。

7、现有技术进行玻璃湿法刻蚀时多数采用静置刻蚀，表面易有金属氧化物等物质沉积(刻蚀面上的反应生成物不易及时去除)，造成刻蚀通道表面粗糙度明显加大、不平整度增大，进而影响更深度的刻蚀。

8、现有技术湿法刻蚀的深度较浅，难以得到较高深宽比的刻蚀通道。

9、现有技术湿法刻蚀时使用的刻蚀液刻蚀速率过快或过慢不好调控，横向侧蚀严重，往往会造成过刻情况，刻蚀过程不可控，难以得到稳定的刻蚀结果。

10、现有技术在进行玻璃打孔时，多采用金刚石钻孔或比较粗糙的激光打孔，得到的圆孔上下孔径不同，边缘毛刺多，表面多存在凹凸不平，这样的盖板在与底板进行键合时很容易在芯片微通道附近产生气泡，导致芯片制备失败。

11、现有技术进行玻璃－玻璃高温键合时，通常采用直接升温键合方式，升温速率过快很容易造成玻璃芯片表面的崩裂，导致芯片制备失败。

12、针对上述的其中一个或多个现有技术存在的问题设计一种玻璃基微流控芯片及其制备方法是本发明研究的目的。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明在于提供一种玻璃基微流控芯片及其制备方法，能够有效解决上述现有技术存在的问题。

2、本发明的技术方案是：

3、一种玻璃基微流控芯片的制备方法，包括以下步骤：

4、通过镀铬工艺、匀胶工艺、光刻工艺、显影工艺、坚膜工艺、去铬工艺，制得裸露光刻图形的玻璃基底，所述光刻图形包含溶液流入通道、反应通道、溶液流出通道，所述反应通道设置有围堰结构；

5、对所述裸露光刻图形的玻璃基底除反应通道以外的图形，根据不同的刻蚀通道深度分别进行保护，得到分步保护的玻璃基底；

6、使湿法刻蚀液在所述分步保护的玻璃基底的表面恒速流动，根据刻蚀通道目标深度，在相应的时间分别去除所述分步保护的玻璃基底的保护，使各个通道分别在恒速流动的湿法刻蚀液中暴露相应的时间，制得具有不同深宽比微通道的芯片底板；

7、制备芯片盖板，将所述芯片底板和所述芯片盖板键合，制得玻璃基微流控芯片。

8、进一步地，所述溶液流入通道、所述反应通道、所述围堰结构、所述溶液流出通道在所述玻璃基底上依次首位间隙设置，并且各个通道分别在恒速流动的湿法刻蚀液中暴露相应的时间后，所述溶液流入通道、所述反应通道、所述溶液流出通道依次连通，所述反应通道与所述围堰结构连通。

9、进一步地，所述湿法刻蚀液为40％hf：hno3：h2o(v/v)＝(8－12)：(5－10)：(25－40)，所述湿法刻蚀液的刻蚀速度稳定。

10、进一步地，所述溶液流入通道的刻蚀通道目标深度为200－250μm、所述反应通道的刻蚀通道目标深度为400－500μm、所述围堰结构的刻蚀通道目标深度为8－12μm、所述溶液流出通道的刻蚀通道目标深度为60－100μm；

11、所述对所述裸露光刻图形的玻璃基底除反应通道以外的通道，根据不同的刻蚀通道深度分别进行保护，得到分步保护的玻璃基底包括：对所述溶液流入通道、所述围堰结构、所述溶液流出通道分别进行保护。

12、进一步地，所述根据刻蚀通道目标深度，在相应的时间分别去除所述分步保护的玻璃基底的保护包括：

13、将暴露所述反应通道的所述分步保护的玻璃基底放置于所述湿法刻蚀液中，对所述反应通道进行刻蚀；

14、当所述反应通道的当前深度距离目标深度为所述溶液流入通道的刻蚀通道目标深度±3μm时，去除所述溶液流入通道的保护，对所述反应通道、所述溶液流入通道进行刻蚀；

15、当所述反应通道和/或所述溶液流入通道的当前深度距离目标深度为所述溶液流出通道的刻蚀通道目标深度±3μm时，去除所述溶液流出通道的保护，对所述反应通道、所述溶液流入通道、所述溶液流出通道进行刻蚀；

16、当所述反应通道和/或所述溶液流入通道和/或所述溶液流入通道的当前深度距离目标深度为所述围堰结构的刻蚀通道目标深度±1μm时，去除所述围堰结构的保护，对所述反应通道、所述溶液流入通道、所述溶液流出通道、所述围堰结构进行刻蚀；

17、当所述围堰结构达到目标深度，停止湿法刻蚀。

18、进一步地，所述根据刻蚀通道目标深度，在相应的时间分别去除所述分步保护的玻璃基底的保护之前，包括：测量所述湿法刻蚀液的刻蚀速度；

19、湿法刻蚀过程中，根据刻蚀速度＊刻蚀时间计算各个通道的当前深度。

20、进一步地，所述使湿法刻蚀液在所述分步保护的玻璃基底的表面恒速流动包括：

21、将所述分步保护的玻璃基底设置有光刻图形的一面朝下放置于搅拌机构中，将所述湿法刻蚀液盛放于搅拌机构中，通过搅拌机构控制所述湿法刻蚀液的温度，通过搅拌机构匀速搅拌所述湿法刻蚀液使其形成平缓的涡流。

22、进一步地，所述制备芯片盖板，将所述芯片底板和所述芯片盖板键合包括：

23、所述溶液流入通道包含入样孔，所述溶液流出通道包含出样孔，通过紫外纳秒激光仪对芯片盖板对应所述入样孔和所述出样孔的位置打孔；

24、将所述芯片底板的入样孔、出样孔和所述芯片盖板的孔位对准，加压锁紧后，以2℃/min升温至130℃，保持130℃50min后，再以2℃/min升温至600℃，在600℃处保温键合16h，之后以1℃/min的降温速率降至室温。

25、进一步提供一种玻璃基微流控芯片，由所述的一种玻璃基微流控芯片的制备方法制得；

26、所述溶液流入通道包含入样孔、入样通道，所述溶液流出通道包含出样通道、出样孔，所述入样孔、所述入样通道、所述反应通道、所述出样通道、所述出样孔依次连通连接；

27、所述入样通道可以是一条或多条，每条所述入样通道均在其末端设置有所述入样孔，若所述入样通道是多条则多条所述入样通道等角度间隔设置；和/或

28、所述出样通道可以是直线或蛇形蜿蜒结构。

29、进一步地，所述围堰结构为三排及以上的柱状阵列结构。。

30、因此，本发明提供以下的效果和/或优点：

31、本技术通过刻蚀液在玻璃基底的表面流动，刻蚀液与玻璃基底反应后的反应物可以立即被水流带走，同时由于刻蚀液流动，可以不断地带来所需浓度的刻蚀液对玻璃基底进行反应。整个反应过程中，恒速流动使得反应速率恒定。可以根据刻蚀通道目标深度，将玻璃基底的需要刻蚀的结构暴露在刻蚀液中一定的时间，即可得到对应深度。

32、本技术对玻璃基板上除反应通道外的各个图形设置有保护，本发明在湿法刻蚀时，在刻蚀的不同时间段中，用聚酰亚胺胶带和聚氯乙烯薄膜对芯片底板的不同通道位置施加分步保护措施，在刻蚀结束后，可以制得具有不同深宽比的微通道，实现一个玻璃微流控芯片具有不同的反应功能特性。对芯片底板的不同通道位置施加分步保护措施，可以制得具有不同深宽比的微通道，实现一个玻璃微流控芯片具有不同的反应功能特性。

33、本发明在对芯片盖板进行加工时，通过适配不同的紫外纳秒激光仪摸索加工工艺，最终确定的加工方法可以批量制得上下孔径均匀，边缘无毛刺瑕疵的盖板圆孔。

34、本发明在进行芯片键合时，摸索出一套程序升温加压键合工艺，有效降低了玻璃芯片在加热升温过程中的崩裂率，芯片键合夹层中无气泡或仅在远离通道处有少量气泡(不影响芯片的正常使用性能)，该方法有效提高了实验室进行玻璃芯片键合的成功率。

35、本发明通过搅拌机构，在刻蚀过程中使得刻蚀液在芯片通道表面呈缓流状态，芯片表面沉积的金属氧化物或反应生成物能够被及时清除，制得的芯片通道表面光滑平整、深度一致，能够实现更深度的刻蚀。

36、本发明对芯片除刻蚀通道外的平面施加保护措施，缓解芯片通道附近的横向侧蚀情况，提高芯片表面的平整度。

37、应当明白，本发明的上文的概述和下面的详细说明是示例性和解释性的，并且意在提供对如要求保护的本发明的进一步的解释。