阅读说明：本技术 一种3d微通道的制作方法 (Manufacturing method of 3D micro-channel ) 是由 章安良 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种3D微通道的制作方法,其采用低熔点的焊锡丝构建一个3D微通道模板即微通道图案；利用恒温箱低温固化放置有3D微通道模板的PDMS；对PDMS固化体的顶部进行切除处理以得到3D微通道的两个端口；利用恒温箱高温熔融3D微通道模板,使用注射管和长细软管将熔融的焊锡丝尽量全部挤出；使用注射管使盐酸溶液在3D微通道内反复流动以溶解3D微通道的内壁上剩余的焊锡丝；使用注射管使纯净水在3D微通道内反复流动以清洗器件；优点是其对制作设备要求低,工艺过程简单,且制作得到的3D微通道对微流体的处理能力强。(The invention discloses a method for manufacturing a 3D micro-channel, which adopts a low-melting-point solder wire to construct a 3D micro-channel template, namely a micro-channel pattern; curing PDMS (polydimethylsiloxane) placed with the 3D microchannel template at low temperature by using a constant temperature box; cutting off the top of the PDMS solidified body to obtain two ports of the 3D microchannel; melting the 3D micro-channel template at high temperature by using a thermostat, and extruding the molten solder wires out completely as much as possible by using an injection tube and a long and thin hose; enabling the hydrochloric acid solution to repeatedly flow in the 3D micro-channel by using an injection tube so as to dissolve the residual solder wires on the inner wall of the 3D micro-channel; repeatedly flowing purified water in the 3D microchannel by using an injection tube to clean the device; the method has the advantages of low requirement on manufacturing equipment, simple process and strong microfluid processing capability of the manufactured 3D microchannel.)

一种3D微通道的制作方法

技术领域

本发明涉及一种微流控芯片中微通道的制作技术，尤其是涉及一种3D微通道的制作方法。

背景技术

微机电技术的发展为微流控芯片提供了工艺基础，使得在一个基片上能够集成多种微流操作单元，为微流控芯片的应用创造了条件。微流控芯片可以在一个若干平方厘米的基片上完成生化分析，相比于常规实验室分析，微流控芯片具有较多优点，如体积极大缩小、分析所使用的试剂大大减小、分析时间也获得很大缩短，并且可以较易实现分析自动化，因此，微流控芯片自发明以来，获得了快速发展，并已迅速渗透到了多个领域，并影响到了人们的生活，每年都有大量关于微流控芯片的研究成果报道。目前，微流控芯片在DNA分析、细胞分析、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。

微通道是微流控芯片中的最基础单元，它为微流控芯片中微流体提供输运通道，为微流分析过程中的试剂和样品进行预处理、混合、反应等一系列操作提供基础，是微流控芯片必不可少的单元。因此，微流控芯片的制作，其中很大一个关键是微通道的制作，合适的微通道结合控制、检测单元，方可完成微流分析。

目前，现有的微通道大多是平面型微通道，在两维平面内采用软光刻或模铸法实现微通道制作。这种微通道的一个缺点是，对于通过增加微通道长度达到混合目的操作单元，会增加微流控芯片的整体尺寸，且微通道在平面内不需相交叉的地方，无法实现交叉设计，对微通道的整体设计带来一定的局限性。同时，目前典型的微通道制作方法，往往借助微机电系统(MEMS，micro-electro-mechanical system)技术，有一定的设备要求，对普通的、条件受限的实验室进行微流控芯片制作有一定的困难，因此需要有新的微通道制作方法，以克服两维平面内微通道设计受限的问题。

为解决两维平面内微通道设计制作交叉受限问题，有人发明了3D微通道的微流控芯片。由于纸基片微流控芯片制作相对简单，且制作及分析成本相对较低，因此，3D纸基片微流控芯片得到了发展。3D纸基片微流控芯片是通过纸基片叠层实现3D微通道，从而使微流体在3D微通道内输运，并实现3D微流控芯片纸基微流分析。3D纸基片微流控芯片虽然可以实现部分微流分析，但它对微流体处理能力较弱，如样品预处理操作、混合操作、微流流向控制、富集、萃取等微流体操作在纸基片上难以实现。因此，3D纸基片微流控芯片较适合无需复杂的微流操作、简单的微流分析，应用受到了一定的限制。

3D聚二甲基硅氧烷(PDMS)微通道可以克服3D纸基片微流控芯片存在的缺点，它可以在3D空间内实现多种微流操作，因此，发明了激光刻蚀3D微通道的微流控芯片。3D微通道的图案通过预先设计，并控制激光刻蚀位置，实现PDMS的3D微通道及其它微流单元的制作。激光刻蚀方法可以方便地实现3D微通道，但设备昂贵，有待改进。3D打印机的出现，为3D微通道的微流控芯片提供了工艺条件，3D打印机不仅可以打印两维平面内微通道的微流控芯片，而且也可以实现3D微通道的微流控芯片。如期刊《电解分析.Electroanalysis》2018年第30卷第1期101-108页公开了《3D-printed microfluidic device based on cottonthreads for amperometric estimation of antioxidants in wine samples》(《基于棉线3D打印微流器件安培检测葡萄酒样品中抗氧化剂》)，它采用丙烯腈一丁二烯丙烯一苯乙烯共聚物结合棉线打印3D微通道，作为试剂微流体输运通道，在检测区采用丝网印刷碳电极作为电化学检测器，检测葡萄酒样品中五倍子酸和咖啡酸含量。利用3D打印机打印3D微流器件的优点是制作工艺简单，能制作各种两维或三维微通道及其它微流单元，但缺点是3D打印机的价格仍然较为昂贵，对于普通实验室来说，是一种昂贵的设备，因此，3D打印方法制作3D微通道的微流控芯片受条件限制。因此，需要研究一种更为简单、设备要求更低的3D微通道和其它微流单元的制作方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种3D微通道的制作方法，其对制作设备要求低，工艺过程简单，且制作得到的3D微通道对微流体的处理能力强。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种3D微通道的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：采用低熔点的焊锡丝构建一个3D微通道模板；

步骤二：在第一容器中加入未固化的PDMS；然后将盛有未固化的PDMS的第一容器置于恒温箱中，使PDMS固化，得到厚度为1～2毫米的PDMS垫块；接着从恒温箱中取出第一容器后，将3D微通道模板放入第一容器中且位于PDMS垫块的上方，并使3D微通道模板的两端朝上；之后向第一容器中倒入未固化的PDMS，使3D微通道模板完全没入未固化的PDMS中；再将盛有未固化的PDMS且已放入3D微通道模板的第一容器置于恒温箱中，使PDMS固化，得到含有3D微通道模板的PDMS固化体；

步骤三：从恒温箱中取出PDMS固化体；然后对PDMS固化体的顶部进行切除处理以得到3D微通道的两个端口，3D微通道的其中一个端口的位置与3D微通道模板的其中一端的位置对应，3D微通道的另一个端口的位置与3D微通道模板的另一端的位置对应；

步骤四：在3D微通道的任意一个端口上连接一根长细软管；然后将连接有长细软管的PDMS固化体置于第二容器中，再将第二容器置于恒温箱中以熔融3D微通道模板，并使长细软管的自由端通过恒温箱微开的门移出于恒温箱外，连接一根注射管；接着反复推压注射管，利用气压将熔融的焊锡丝尽量全部通过3D微通道的另一个端口挤出，得到3D微通道；

步骤五：从恒温箱中取出PDMS固化体；然后将PDMS固化体置于盛有盐酸溶液的第三容器中；接着反复推拉注射管，使得盐酸溶液在3D微通道内反复流动以溶解3D微通道的内壁上剩余的焊锡丝；之后将PDMS固化体换置于盛有纯净水的第四容器中；再反复推拉注射管，使得纯净水在3D微通道内反复流动进行清洗；

步骤六：在3D微通道的另一个端口上连接一根短细软管，切除长细软管的部分使其长度与短细软管的长度一致，分别作为微流体输入软管和微流体输出软管，至此完成3D微通道的制作。

所述的步骤一中，焊锡丝的熔点为138℃。

所述的步骤一中，所述的3D微通道模板呈螺旋型结构。在此，将3D微通道模板设计成螺旋型结构，这样最终制成的3D微通道也是螺旋型结构的；在具体设计时可根据需要设计不同形状的3D微通道模板以得到不同形状的3D微通道。

所述的步骤二中，恒温箱的温度为75～95℃，恒温时间为0.8～1.2小时。利用恒温箱固化PDMS时可选择恒温温度相对低些而恒温时间稍长些，使PDMS的固化效果更好。

所述的步骤四中，长细软管的长度大于或等于50厘米。由于长细软管的自由端需移出至恒温箱外连接注射管，因此长细软管的长度应当稍长些。

所述的步骤四中，恒温箱的温度为180～220℃，恒温时间为3～5分钟。利用恒温箱熔融焊锡丝，由于焊锡丝的熔点为138℃，因此需将恒温箱的恒温温度设置成高于焊锡丝的熔点，若恒温温度稍高，则恒温时间可以稍短些，目的是完全熔融焊锡丝。

所述的步骤六中，制作得到的3D微通道呈螺旋型结构。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明方法制作3D微通道无需使用激光蚀刻仪、3D打印机等昂贵工艺设备，仅需使用常见的恒温箱和注射管，对制作设备要求较低；本发明方法制作3D微通道无需半导体工艺技术制作母版，降低了工艺设备要求，降低了工艺成本，减少了器件制作时间；本发明方法制作3D微通道无需等离子体键合工艺，不仅避免采用昂贵的等离子键合仪设备，而且省略了键合工艺步骤，提高了微流器件制作效率。

2)本发明方法采用低熔点的焊锡丝构建微通道图案，第一次使用恒温箱来低温固化放置有3D微通道模板的PDMS，第二次使用恒温箱来熔融3D微通道模板，再利用注射管的推压挤出熔融的焊锡丝，利用注射管的推拉使用盐酸溶液溶解3D微通道的内壁上剩余的焊锡丝，最后利用注射管的推拉使用纯净水清洗器件，整个工艺过程简单、快捷。

3)本发明方法制作的微米级的3D微通道在使用时微流体通过微流体输入软管输入，通过3D微通道到达微流体输出软管，即可实现微流体的输运；尤其是不同性质的微流体，通过不同的微流体输入软管输入，经过3D微通道，实现无源混合，再通过微流体输出软管输出，实现微流体输运及混合，这种3D微通道对微流体的处理能力强。

4)利用本发明方法可以制作出各种形状的3D微通道及无源微混合器，混合后流体经过后续微流单元操作，完成微流分析。

附图说明

图1为本发明方法制作的3D微通道的示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：

本实施例提出的一种3D微通道的制作方法，其包括以下步骤：

步骤一：采用低熔点(熔点为138℃)的焊锡丝构建一个3D微通道模板。

步骤二：在第一容器中加入未固化的PDMS；然后将盛有未固化的PDMS的第一容器置于恒温箱中，使PDMS固化，得到厚度为1～2毫米的PDMS垫块；接着从恒温箱中取出第一容器后，将3D微通道模板放入第一容器中且位于PDMS垫块的上方，并使3D微通道模板的两端朝上；之后向第一容器中倒入未固化的PDMS，使3D微通道模板完全没入未固化的PDMS中；再将盛有未固化的PDMS且已放入3D微通道模板的第一容器置于恒温箱中，使PDMS固化，得到含有3D微通道模板的PDMS固化体；其中，恒温箱的温度为80℃，恒温时间为1小时，利用恒温箱固化PDMS时可选择恒温温度相对低些而恒温时间稍长些，使PDMS的固化效果更好。

步骤三：从恒温箱中取出PDMS固化体；然后对PDMS固化体的顶部进行切除处理以得到3D微通道的两个端口，3D微通道的其中一个端口的位置与3D微通道模板的其中一端的位置对应，3D微通道的另一个端口的位置与3D微通道模板的另一端的位置对应。

步骤四：在3D微通道的任意一个端口上连接一根长细软管；然后将连接有长细软管的PDMS固化体置于第二容器中，再将第二容器置于恒温箱中以熔融3D微通道模板，并使长细软管的自由端通过恒温箱微开的门移出于恒温箱外，连接一根注射管；接着反复推压注射管，利用气压将熔融的焊锡丝尽量全部通过3D微通道的另一个端口挤出，得到3D微通道；其中，长细软管的长度大于或等于50厘米，由于长细软管的自由端需移出至恒温箱外连接注射管，因此长细软管的长度应当稍长些，恒温箱的温度为200℃，恒温时间为4分钟，利用恒温箱熔融焊锡丝，由于焊锡丝的熔点为138℃，因此需将恒温箱的恒温温度设置成高于焊锡丝的熔点，若恒温温度稍高，则恒温时间可以稍短些，目的是完全熔融焊锡丝。

步骤五：从恒温箱中取出PDMS固化体；然后将PDMS固化体置于盛有盐酸溶液的第三容器中；接着反复推拉注射管，使得盐酸溶液在3D微通道内反复流动以溶解3D微通道的内壁上剩余的焊锡丝；之后将PDMS固化体换置于盛有纯净水的第四容器中；再反复推拉注射管，使得纯净水在3D微通道内反复流动进行清洗。

步骤六：在3D微通道的另一个端口上连接一根短细软管，切除长细软管的部分使其长度与短细软管的长度一致，分别作为微流体输入软管和微流体输出软管，至此完成3D微通道的制作。

实施例二：

本实施例提出的一种3D微通道的制作方法，其制作过程与实施例一的制作过程相同，不同之处仅在于两次使用恒温箱的恒温温度和恒温时间设置的不相同，在本实施例中将第一次使用恒温箱的恒温温度设置为90℃、恒温时间设置为0.8小时，将第二次使用恒温箱的恒温温度设置为180℃、恒温时间设置为5小时。

实施例三：

本实施例提出的一种3D微通道的制作方法，其制作过程与实施例一的制作过程相同，不同之处仅在于两次使用恒温箱的恒温温度和恒温时间设置的不相同，在本实施例中将第一次使用恒温箱的恒温温度设置为75℃、恒温时间设置为1.2小时，将第二次使用恒温箱的恒温温度设置为220℃、恒温时间设置为3小时。

在上述各个实施例中，3D微通道模板可设计成螺旋型结构，这样最终制成的3D微通道也是螺旋型结构的；在具体设计时可根据需要设计不同形状的3D微通道模板以得到不同形状的3D微通道。图1给出了利用本发明方法制作得到的3D螺旋微通道的结构，图1中1为PDMS固化体，2为3D螺旋微通道，31为微流体输入软管，32为微流体输出软管。