阅读说明：本技术 一种微流控芯片的微结构模芯及其制造方法 (Micro-structure mold core of micro-fluidic chip and manufacturing method thereof ) 是由 鲁艳军 陈福民 伍晓宇 周超兰 彭启洋 章嘉涛 于 2018-12-10 设计创作，主要内容包括：一种微流控芯片(40)的微结构模芯(30)及其制造方法,包括步骤：将模芯(30)安装在五轴加工中心的工作台上,并将微铣刀以及微细磨头(20)安装于五轴加工中心的刀架上；微铣刀按预设的第一加工轨迹在模芯(30)的表面粗加工铣削成形出具有特定形状的微凸起阵列结构(32)；微细磨头(20)按预设的第二加工轨迹在粗加工成形的微凸起阵列结构(32)的表面进行铣磨精加工出所需的微凸起阵列结构(32)；将模芯(20)安装在注塑机上,并加入聚合物颗粒材料进行微注塑成型出微流控芯片(40)；或将模芯(30)安装在热压机上,并加入聚合物块状材料进行热压成型出微流控芯片(40)；该制造方法制成的微流控芯片(40)形状可控,且能够实现批量化生产与制造,降低了生产制造成本。(A microstructure mold core (30) of a microfluidic chip (40) and a method for manufacturing the same, comprising the steps of: a mold core (30) is arranged on a workbench of a five-axis machining center, and a micro milling cutter and a micro grinding head (20) are arranged on a tool rest of the five-axis machining center; roughly machining and milling the surface of a mold core (30) by a micro milling cutter according to a preset first machining track to form a micro-protrusion array structure (32) with a specific shape; the micro grinding head (20) carries out milling and finish machining on the surface of the rough-machined micro-protrusion array structure (32) according to a preset second machining track to obtain a required micro-protrusion array structure (32); installing the mold core (20) on an injection molding machine, and adding a polymer particle material to perform micro injection molding to form a micro-fluidic chip (40); or the mold core (30) is arranged on the hot press, and polymer block materials are added for hot press molding to obtain the microfluidic chip (40); the shape of the microfluidic chip (40) manufactured by the manufacturing method is controllable, batch production and manufacturing can be realized, and the production and manufacturing cost is reduced.)

一种微流控芯片的微结构模芯及其制造方法

技术领域

本方案属于微流控芯片技术领域，更具体地说，是涉及一种微流控芯片的微结构模芯及其制造方法。

背景技术

目前，为了满足分析检测设备微型化、集成化和便携化的需求，其中微流控芯片是微分析检测系统开发的重要研究领域，微流控芯片具有微型化、集成化、试剂消耗量小、选择性好、分析速度快、成本低的优点。通常在微流控芯片的表面设置相应需求的微流道，在指定的微流道口添加对应的试剂，试剂通过微流道进入指定的位置发生反应。传统的微流控芯片流道少，常见的微流控芯片的结构简单，而且流道内部的粗糙度较大，会影响试剂流动性，而且不适宜于较为复杂的试剂检测，使得微流控芯片不能得到更好的利用。

为了解决这个问题，市场上通过改进微流控芯片的加工成形的工艺，从而可增加微流控芯片的流道的表面质量和微流控芯片的利用率。传统技术上，在微流控芯片的表面设置微结构流道通常是通过激光束加工、热压印技术等电化学刻蚀加工工艺制作，然而这些加工工艺无法加工出高形状精度和高表面质量的微凹槽阵列结构的芯片，无法保证芯片的微结构的形状尺寸精度以及芯片的利用率。

申请内容

本方案的目的在于提供一种微流控芯片的微结构模芯及其制造方法，以解决现有技术中由于采用激光加工、电化学刻蚀加工等工艺存在无法保证微流控芯片中的微结构的形状精度及表面质量，以及微流控芯片的利用率低的技术问题。

为实现上述目的，本方案采用的技术方案是：提供一种微流控芯片的制造方法，包括以下步骤：

将模芯安装在五轴加工中心的工作台上，并将微铣刀以及微细磨头安装于所述五轴加工中心的刀架上；

微铣刀按预设的第一加工轨迹在所述模芯的表面粗加工铣削成形出具有特定形状的微凸起阵列结构；

微细磨头按预设的第二加工轨迹在粗加工成形的所述微凸起阵列结构的表面进行铣磨精加工出所需的微凸起阵列结构，且粗加工成形的所述微凸起阵列结构的尺寸大于精加工成形的所述微凸起阵列结构的尺寸；

将所述模芯安装在注塑机上，并加入聚合物颗粒材料进行微注塑成型出微流控芯片，且所述微流控芯片的表面具有微凹槽阵列结构。

本方案还提供另一种微流控芯片的制造方法，包括以下步骤：

将模芯安装在五轴加工中心的工作台上，并将微铣刀以及微细磨头安装于所述五轴加工中心的刀架上；

微铣刀按预设的第一加工轨迹在所述模芯的表面粗加工铣削成形出具有特定形状的微凸起阵列结构；

微细磨头按预设的第二加工轨迹在粗加工成形的所述微凸起阵列结构的表面进行铣磨精加工出所需的微凸起阵列结构，且粗加工成形的所述微凸起阵列结构的尺寸大于精加工成形的所述微凸起阵列结构的尺寸；

将所述模芯安装在热压机上，并加入聚合物块状材料进行热压成型出微流控芯片，且所述微流控芯片的表面具有微凹槽阵列结构。

进一步地，所述五轴加工中心的主轴转速为5000～20000转/分，所述微铣刀的进给深度为0.1～50微米，所述微铣刀的进给速度为10～1000毫米/分。

进一步地，所述微凹槽阵列结构包括多个依次连接的微沟道，各所述微沟道的沟槽深度为10～800微米。

进一步地，各所述微沟道包括第一沟道、第二沟道、以及连接在所述第一沟道与所述第二沟道之间的过渡沟道，所述第一沟道与所述第二沟道之间的沟槽间隔为10～500微米。

进一步地，所述模芯的材质为陶瓷、金刚石、模具钢或者硬质合金。

进一步地，所述微流控芯片的材质为聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯或者聚碳酸酯中的一种或者两种以上的混合物。

进一步地，所述第一沟道、所述第二沟道、以及所述过渡沟道均包括：

第一侧面，

第二侧面，与所述第一侧面相对设置；以及，

底面，两端分别与所述第一侧面、所述第二侧面连接；

所述第一侧面、所述底面以及所述第二侧面围构形成V形、U形或者矩形。

本方案还提供了一种微流控芯片的微结构模芯，包括模芯本体，所述模芯本体的表面设置有微凸起阵列结构，所述微凸起阵列结构由微铣刀在所述模芯本体的表面粗加工铣削成形出具有特定形状的微凸起阵列结构，并利用微细磨头将粗加工成形的所述微凸起阵列结构的表面进行铣磨精加工而成，所述微凸起阵列结构包括多个依次连接的微凸起，各所述微凸起包括第一连接段、第二连接段、以及连接在所述第一连接段与所述第二连接段之间的过渡段。

进一步地，所述第一连接段为直线段，所述第二连接段为直线段，所述过渡段为弧形段或者直线段。

进一步地，所述第一连接段、所述第二连接段以及所述过渡段的高度均为10～800微米，所述第一连接段、所述第二连接段以及所述过渡段的宽度均为10～500微米，所述第一连接段与所述第二连接段之间的间距为10～500微米。

进一步地，所述第一连接段、所述第二连接段以及所述过渡段均包括：

第三侧面，

第四侧面，与所述第三侧面相对设置；以及，

顶面，两端分别与所述第三侧面、所述第四侧面连接；

所述第三侧面、所述顶面以及所述第四侧面围构形成V形、U形或者矩形。

有益效果

本方案提供的微流控芯片的微结构模芯及其制造方法的有益效果在于：与现有技术相比，本方案微流控芯片的制造方法，通过利用利用微铣刀在模芯的表面铣削出具有特定形状的微凸起阵列结构，再利用微细磨头在粗加工成形的微凸起阵列结构的表面进行铣磨精加工出高精度的微凸起阵列结构，最后将加工完成的模芯安装在注塑机上加入聚合物颗粒材料进行微注塑成型加工，高效注塑成型出高质量的具有微凹槽阵列结构的微流控芯片，或者将加工完成的模芯安装在热压机上加入聚合物块状材料进行热压成型加工，热压成型出高质量微结构的微流控芯片，其形状可控，有效提高了微流控芯片表面的利用率，解决了现有技术由于采用激光束加工等电化学刻蚀加工工艺来制作微流控芯片的微结构导致无法保证微结构加工的形状和尺寸精度以及加工质量的问题；且能够实现微流控芯片的批量化生产与制造，极大地降低了生产制造成本。

具体实施方式

为了使本方案所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本方案进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本方案，并不用于限定本方案。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本方案的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本方案的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1，现对本方案提供的微流控芯片的制造方法进行说明。一种微流控芯片的制造方法，包括步骤S100、S200、S300、S400：

S100、将模芯安装在五轴加工中心的工作台上，并将微铣刀以及微细磨头安装于五轴加工中心的刀架上。

S200、微铣刀按预设的第一加工轨迹在模芯的表面粗加工铣削成形出具有特定形状的微凸起阵列结构。

其中，微铣刀通过按预设的第一加工轨迹铣削，加工得到所需形状的微凸起阵列结构。

S300、微细磨头按预设的第二加工轨迹在粗加工成形的微凸起阵列结构的表面进行铣磨精加工成形出所需的微凸起阵列结构，且粗加工成形的微凸起阵列结构的尺寸大于精加工成形的微凸起阵列结构的尺寸。

其中，微细磨头通过预设的第二加工轨迹铣磨加工，第二加工轨迹与第一加工轨相同，进而加工得到所需形状的高精度的微凸起阵列结构。

S400、将模芯安装在注塑机上，并加入聚合物颗粒材料进行微注塑成型出微流控芯片，且微流控芯片的表面具有微凹槽阵列结构。

其中，步骤S400中，通过注塑成型，可加工出高质量的具有微凹槽阵列结构的微流控芯片，注塑机为微型注塑机，聚合物为颗粒状。

请参阅图2，本方案还提供了另一种微流控芯片的制造方法，包括步骤S100、S200、S300、S500：

S100、将模芯安装在五轴加工中心的工作台上，并将微铣刀以及微细磨头安装于五轴加工中心的刀架上。

S200、微铣刀按预设的第一加工轨迹在模芯的表面粗加工铣削成形出具有特定形状的微凸起阵列结构。

S300、微细磨头按预设的第二加工轨迹在粗加工成形的微凸起阵列结构的表面进行铣磨精加工成形出所需的微凸起阵列结构，且粗加工成形的微凸起阵列结构的尺寸大于精加工成形的微凸起阵列结构的尺寸。

S500、将模芯安装在热压机上，并加入聚合物块状材料进行热压成型出微流控芯片，且微流控芯片的表面具有微凹槽阵列结构。

其中，步骤S500中，通过热压成型，可加工出高质量的具有微凹槽阵列结构的微流控芯片，优选的，热压机为塑料热压机，聚合物为块状。

本方案提供的微流控芯片的制造方法，与现有技术相比，本方案微流控芯片的制造方法，通过利用利用微铣刀在模芯30的表面粗加工铣削成形出具有特定形状的微凸起阵列结构，再利用微细磨头20在粗加工成形的微凸起阵列结构的表面进行铣磨精加工，以在模芯30的表面加工出高精度的微凸起阵列结构311，最后将加工完成的模芯30安装在注塑机上加入聚合物颗粒材料进行微注塑成型加工，高效注塑成型出高质量的具有微凹槽阵列结构41的微流控芯片40，或者将加工完成的模芯30安装在热压机上加入聚合物块状材料进行热压成型加工，热压成型出高质量微结构的微流控芯片40，其形状可控，有效提高了微流控芯片40表面的利用率，解决了现有技术由于采用激光束加工等电化学刻蚀加工工艺来制作微流控芯片的微结构导致无法保证微结构加工的形状和尺寸精度以及加工质量的问题；且能够实现微流控芯片的批量化生产与制造，极大地降低了生产制造成本。

进一步地，作为本方案提供的微流控芯片的制造方法的一种具体实施方式，五轴加工中心的主轴转速为5000～20000转/分，微铣刀的进给深度为0.1～50微米，微铣刀的进给速度为10～1000毫米/分。微细磨头20的进给深度为0.1～50微米，微细磨头20的进给速度为100～1000毫米/分。

进一步地，作为本方案提供的微流控芯片的制造方法的一种具体实施方式，粗加工成形的微凸起阵列结构的尺寸为精加工成形的微凸起阵列结构32的尺寸的1.05～1.2倍。例如可以为1.05倍、1.10倍或者1.2倍。通过将粗加工成形的微凸起阵列结构的尺寸设置为精加工成形的微凸起阵列结构32的尺寸的1.05～1.2倍，使得加工后的微凸起阵列结构32既可以具有良好的精度，同时也可以提高加工效率。

进一步地，作为本方案提供的微流控芯片的制造方法的一种具体实施方式，步骤S100之前还包括步骤S110：根据微流控芯片40的微凹槽阵列结构41的尺寸，选择所需尺寸的模芯。

其中，步骤S110中，通常根据试剂检验的方案，设计相应的微流控芯片40的微凹槽阵列结构41的形状和尺寸，不同的试剂检验的方案，微流控芯片的微凹槽阵列结构41的形状和尺寸大小不同。

进一步地，作为本方案提供的微流控芯片的制造方法的一种具体实施方式，步骤S100之前还包括步骤：在模拟加工的软件上，设计微铣刀和微细磨头的第一加工加工轨迹与第二加工轨迹，并生成G代码导入到五轴加工中心。

进一步地，如图7至图9所示，作为本方案提供的微流控芯片的制造方法的一种具体实施方式，微凹槽阵列结构41包括多个依次连接的微沟道42，各微沟道42的沟槽深度H1为10～800微米，例如H1为10微米、200微米、800微米。微沟道42的沟槽宽度L1为10～500微米，例如L1为10微米、200微米、500微米。

进一步地，如图8所示，作为本方案提供的微流控芯片的制造方法的一种具体实施方式，各微沟道42包括第一沟道421、第二沟道422、以及连接在第一沟道421与第二沟道422之间的过渡沟道423，第一沟道421与第二沟道422之间的沟槽间隔K1为10～500微米。

进一步地，请参阅图4，作为本方案提供的微流控芯片的微结构模芯的一种具体实施方式，第一沟道421、第二沟道422均为直沟道，过渡沟道423为弧形沟道，即第一沟道421与第二沟道422通过弧形过渡连接，过渡自然顺畅。具体的，该过渡沟道423为圆弧形。过渡沟道423的半径R1为10～500微米，例如可以为10微米、100微米、200微米、500微米等。

进一步地，请一并参阅图13至图14，作为本方案提供的微流控芯片的微结构模芯的一种具体实施方式，过渡沟道423还可以为直线沟道，即第一沟道421与第二沟道422通过直角过渡连接。

进一步地，作为本方案提供的微流控芯片的制造方法的一种具体实施方式，步骤S100中，模芯30的材质为陶瓷、金刚石、模具钢或者硬质合金。

进一步地，作为本方案提供的微流控芯片的制造方法的一种具体实施方式，微流控芯片40的材质为聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯或者聚碳酸酯中的一种或者两种以上的混合物。

进一步地，如图9至图10所示，作为本方案提供的微流控芯片的制造方法的一种具体实施方式，在本实施中，第一沟道421、第二沟道422、以及过渡沟道423均包括：第一侧面4211、第二侧面4212以及底面4213，第二侧面4212与第一侧面4211相对设置，底面4213两端分别与第一侧面4211、第二侧面4212连接。第一侧面4211、底面4213以及第二侧面4212围构形成矩形，当然，在其他实施中，还可以为V形、或者U形。

请参照图3至图5所示，本方案还提供了一种微流控芯片的微结构模芯，包括模芯本体31，模芯本体31的表面设置有微凸起阵列结构32，微凸起阵列结构32由微铣刀在模芯本体31的表面粗加工铣削成形出具有特定形状的微凸起阵列结构，并利用微细磨头20将粗加工成形的微凸起阵列结构的表面进行铣磨精加工而成，微凸起阵列结构32包括多个依次连接的微凸起33，各微凸起33包括第一连接段331、第二连接段332、以及连接在第一连接段331与第二连接段332之间的过渡段333。

本方案提供的微流控芯片的微结构模芯，与现有技术相比，本方案微流控芯片的微结构模芯，通过利用微铣刀在模芯本体31的表面粗加工铣削成形出具有特定形状的微凸起阵列结构，再利用微细磨头20在粗加工成形的微凸起阵列结构的表面进行铣磨精加工，从而在模芯本体31的表面加工出高精度的微凸起阵列结构32，最后将加工完成的模芯本体31安装在注塑机上加入聚合物颗粒材料进行微注塑成型加工，高效注塑成型出高质量的具有微凹槽阵列结构41的微流控芯片40，或者将加工完成的模芯本体31安装在热压机上加入聚合物块状材料进行热压成型加工，热压成型出高质量的具有微凹槽阵列结构41的微流控芯片40，其形状可控，有效提高了微流控芯片40表面的利用率，解决了现有技术由于采用激光束加工等电化学刻蚀加工工艺来制作微流控芯片的微结构导致无法保证微结构加工的形状和尺寸精度以及加工质量的问题；且能够实现微流控芯片的批量化生产与制造，极大地降低了生产制造成本。

进一步地，请参阅图4，作为本方案提供的微流控芯片的微结构模芯的一种具体实施方式，第一连接段331为直线段，第二连接段332为直线段，过渡段333为弧形段，即第一连接段331与第二连接段332通过弧形过渡连接，过渡自然顺畅。具体的，该过渡段333为圆弧形。过渡段333的半径R2为10～500微米，例如可以为10微米、100微米、200微米、500微米等。

进一步地，请一并参阅图11至图12，作为本方案提供的微流控芯片的微结构模芯的一种具体实施方式，过渡段333还可以为直线段，即第一连接段331与第二连接段332通过直角过渡连接。

进一步地，请一并参阅图4至图5，作为本方案提供的微流控芯片的微结构模芯的一种具体实施方式，第一连接段331、第二连接段332以及过渡段333的高度H2均为10～800微米，例如H2为10微米、200微米、500微米、800微米。第一连接段331、第二连接段332以及过渡段333的宽度L2均为10～500微米，例如L2为10微米、100微米、300微米、500微米。第一连接段331与第二连接段332之间的间距K2为10～500微米，例如，K2为10微米、100微米、300微米、500微米。

进一步地，请参阅图6，作为本方案提供的微流控芯片的微结构模芯的一种具体实施方式，第一连接段331、第二连接段332以及过渡段333均包括：第三侧面3311、第四侧面3312以及顶面3313，第四侧面3312与第三侧面3311相对设置。顶面3313两端分别与第三侧面3311、第四侧面3312连接。第三侧面3311、顶面3313以及第四侧面3312围构形成矩形，当然，在其他实施中，还可以为V形、或者U形，可根据微流控芯片40的微凹槽阵列结构41的实际所需的形状，设计加工出不同形状的微凸起阵列结构32。

进一步地，作为本方案提供的微流控芯片的微结构模芯的一种具体实施方式，模芯本体31为模具钢件或者硬质合金件，其结构强度较大。

进一步地，作为本方案提供的微流控芯片的微结构模芯的一种具体实施方式，微铣刀为钨钢铣刀，可以有效提高微铣刀的使用寿命。

进一步地，作为本方案提供的微流控芯片的微结构模芯的一种具体实施方式，微细磨头20为金刚石微细磨头，通过采用金刚石烧结制成的微细磨头，其结构强度大，避免微细磨头被轻易磨损，进而提高微细磨头的使用寿命。

以上所述仅为本方案的较佳实施例而已，并不用以限制本方案，凡在本方案的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本方案的保护范围之内。