基于PDMS薄膜的閥控微流芯片

陳婷　陳均　劉侃

摘要：該文報道了一種基于PDMS（Polydimethylsiloxane， 聚二甲基硅氧烷）薄膜的三維結構型氣動微閥芯片的設計、制造和性能表征。芯片的制作將玻璃雕刻技術與聚合物轉移粘合技術相結合，方法簡單。在外源氣壓的作用下，芯片中間層薄膜發生形變使液體通道產生阻塞，通過對控制壓力與液體流量之間關系的測量，得出該微閥可實現對流體的良好控制，同時，集成多個微型閥的芯片可實現對復雜流體的控制功能。

關鍵詞：微流控芯片；微型閥；PDMS薄膜

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）02-0257-02

在微流控系統中，往往需要對微流體進行精確的控制，因此一個可靠的微型閥門至關重要，它的精準度、可靠度及制作成本都將對整個系統造成影響。可以說，微型閥是微流控系統中最為重要的部件之一[1-2]。微型閥的發展主要經歷了兩個階段[3]，在發展的早期階段，主要是以MEMS技術為基礎制作開發，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（將多層硅結構堆疊在一起）的三維結構，雖然穩定性好，但有結構復雜，難以集成，生產成本高，功耗較大等缺點。作為微流控系統發展水平的重要標志，微型閥在近年來獲得了迅速發展，各種非傳統技術已被應用于微型閥的開發中，如外部氣動有源微型閥[4]，相變微型閥[5]等。其制作材料也由硅逐漸轉化為聚合物，如PMMA[6]，PDMS[7]，PC等材料，因其良好的可塑性和價格低廉等優點被廣泛使用。尤其是PDMS具有優異的透光性，高透氣性，無毒性和生物相容性等諸多優點，已經成為最受歡迎的微型閥制作材料。然而許多基于PDMS材料生產的微型閥需采用光刻技術，使得生產過程復雜而繁瑣，導致成本增加[8]。因此，簡化微閥的結構和制作方法，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微型閥門可用于控制復雜流體的微流控芯片。該芯片由兩塊具有微結構的玻璃芯片和一層PDMS薄膜鍵合而成，微加工技術簡單，制作方便，成本低廉，可廣泛應用于微流控分析系統中。

1 芯片結構與工作原理

芯片的結構如圖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層發生形變和回彈，從而達到液路截斷和導通的作用。當向氣體控制通道提供適當壓力時，中間的彈性PDMS薄膜層被制動從而阻塞流體通道，當撤銷控制通道的壓力時，彈性PDMS薄膜產生回彈，液體通道恢復流通狀態，即一個微型閥門的作用。

2 芯片的制備方法

芯片制造的關鍵在于兩塊玻璃芯片通過PDMS膜層有效地結合在一起，形成可承受較大壓力的高粘結強度芯片。具體制作過程如圖2所示，步驟如下：（1）用雕刻機在上、下玻璃片上雕刻出設計的通道（寬0.6mm，深0.2mm）和通孔（直徑0.6mm）；（2）將適量的PDMS預聚物（組分比例A / B = 10：1）混合，然后在真空環境中除去氣泡；（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膜進行電暈放電處理[9]，然后在65℃下烘烤約4小時；（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行電暈放電處理，然后對準貼合，并在80℃下烘烤粘合至少6小時。

3 微閥性能測試

3.1 實驗裝置

圖3為微型閥性能表征的示意性實驗裝置，整個系統包括：芯片夾具，密封試劑容器，壓力驅動模塊，供氣模塊和觀察模塊。芯片夾具由兩個PMMA芯片組成，其中用于放置微流控芯片的凹槽由雕刻機加工，通孔由標準激光燒蝕步驟制成[10]，并且為了增加夾具的密封性，使用了O形墊圈，毛細管等零件。壓力驅動模塊選擇氣動電磁閥（ITV-1030，日本SMC公司），為系統提供精確的壓力驅動。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，可產生高壓空氣，然后將包括毛細管和顯微鏡的觀察模塊連接到芯片出口。在液體驅動壓力一定的情況下，通過改變氣體溝道的控制壓力，觀察液體的流量，具體測量方法參考文獻[11]。

3.2 測試結果及討論

圖4顯示了當驅動壓力為5kpa時氣體控制壓力和液體的流量之間的關系。從圖中可以看出，微型閥是一種常開閥，在液體的驅動壓力作用下，流體從入口進入，此時流量最大。當施加控制壓力時，流量開始下降，當控制壓力達到一定值時，流量基本為零，可以認為已經實現了閥門的切斷功能。此外，我們發現，當控制壓力被去除時，由于PDMS膜的彈性恢復過程，流量返回初始狀態存在滯后，但是微型閥仍然處于良好的導通狀態。由此可見，此微型閥可以實現對流體的良好控制。

4 結論

在本文中，我們描述了一種基于PDMS膜的三維結構式氣動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生爆裂。當液體壓力低于空氣壓力時，微型閥可良好地實現對液體的截斷功能。另外，將多個平行的閥陣列集成到一個微流控芯片中，可以實現對復雜流體的操控。

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