微流控芯片的微柱结构制作方法及微柱结构图案生成方法与流程

本申请涉及微流控芯片技术领域，特别是涉及一种微流控芯片的微柱结构制作方法及微柱结构图案生成方法。

背景技术：

微柱作为微流控芯片的一个结构单元，可通过软光刻、湿法刻蚀、激光刻蚀、数控技术等加工完成，实现支撑、过滤、混合、样品附着等功能。这些加工方法可制作一定深宽比尺寸的微柱阵列，这些微柱阵列多是一种统一高度，或者是与芯片通道深度一致，无法完全满足实验中的实际需求。

然而，目前传统的加工方法中，软光刻加工方法需要多次曝光实现同一芯片不同微柱高度阵列，而激光刻蚀、数控技术等方法可在同一微流控芯片实现不同的微柱高度，但是同一批次的微柱高度均一性差，且费时费力，制作成本高。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种制作简单且精度高的微流控芯片的微柱结构制作方法及微柱结构图案生产方法。

一种微流控芯片的微柱结构制作方法，包括以下步骤：

将掩模板的空白面紧贴放置在在基片的负性光刻胶上，并曝光负性光刻胶，得到待制作微流控芯片上各微柱对应的倒圆锥形区域；倒圆锥形区域为负性光刻胶的未感光区；掩模板为印制有待制作微流控芯片的微柱结构图案的掩模板；

对曝光后的负性光刻胶进行显影，洗脱各倒圆锥形区域；

将显影后的负性光刻胶加热坚模，得到待制作微流控芯片的微柱结构的模具。

在其中一个实施例中，将显影后的负性光刻胶加热坚模，得到待制作微流控芯片的微柱结构的模具的步骤之后，还包括：

将预聚体混合液注入模具，并加热固化得到盖片；盖片为加热固化后的预聚体混合液；所述预聚体混合液为PDMS；

分离盖片和模具，将分离后的盖片与载玻片键合，获得包括微柱结构的微流控芯片。

在其中一个实施例中，将掩模板的空白面紧贴放置在基片的负性光刻胶上，并曝光负性光刻胶，得到待制作微流控芯片上各微柱对应的倒圆锥形区域的步骤之前，还包括步骤：

在洗净的基片上铺设负性光刻胶；负性光刻胶的厚度大于或等于各微柱的高度的最大值；

加热固化光刻胶。

在其中一个实施例中，基片为硅片、抛光玻璃片或者载玻片。

在其中一个实施例中，掩模板为菲林片。

在其中一个实施例中，待制作微流控芯片为用于包裹PCR试剂的微流控芯片。

在其中一个实施例中，负性光刻胶的厚度为40微米；所述加热固化的温度为65摄氏度。

一种基于微流控芯片的微柱结构制作方法的微柱结构图案生成方法，包括以下步骤：

根据各微柱的高度，获取各微柱对应的微柱图形的微柱直径，以及各微柱图形之间的微柱间距；

根据各微柱直径，得到各微柱图形；

基于各微柱图形以及各微柱间距，生成微柱结构图案。

在其中一个实施例中，微柱直径的数值范围为1至500微米；微柱间距的数值范围为1至500微米。

一种微柱结构图案生成装置，包括：

获取模块10，用于根据各微柱的高度，获取各微柱对应的微柱图形的微柱直径，以及各微柱图形之间的微柱间距；

微柱图形生成模块20，用于根据各微柱直径，得到各微柱图形；

微柱结构图案生成模块30，用于基于各微柱图形以及各微柱间距，生成微柱结构图案。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：

通过该掩模板以及负性光刻胶，结合掩模板的图案面背离光刻胶，进而能够保证在光刻时，得到包括各微柱高度的微柱结构的模具，实现在同一微流控芯片上得到不同高度的微柱。本发明各实施例能够实现在同一微流控芯片上加工制作多种高度的微柱，制作过程简单，成本低廉，且得到的微柱结构阵列精度高，可满足样品过滤、附着等大部分特殊性实验的需求。

附图说明

图1为一个实施例中微流控芯片的微柱结构制作方法的流程示意图；

图2为一个实施例中微流控芯片的微柱结构制作方法曝光时的示意图；

图3为掩模板的图案面紧贴放置在基片的负性光刻胶曝光时的示意图；

图4为一个实施例中微流控芯片的微柱结构制作方法的模具示意图；

图5为一个实施例中微流控芯片的微柱结构制作方法的盖片结构示意图；

图6为一个实施例中微流控芯片的微柱结构制作方法获得微流控芯片的流程示意图；

图7为另一个实施例中微流控芯片的微柱结构制作方法的PCR试剂微流控芯片的微柱结构制作流程示意图；

图8为一个实施例中微流控芯片的微柱结构制作方法的PCR试剂微流控芯片的掩模板结构示意图；

图9为一个实施例中微流控芯片的微柱结构制作方法的PCR试剂微流控芯片的掩模板中微柱结构的放大示意图；

图10为另一个实施例中微柱结构图案生成方法的流程示意图；

图11为另一个实施例中微柱结构图案生成装置的结构框图；

图12为一个实施例中计算机设备的内部结构图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，如图1所示，结合图2、图3和图4，提供了一种微流控芯片的微柱结构制作方法，包括以下步骤：

步骤S110：将掩模板的空白面紧贴放置在基片的负性光刻胶上，并曝光负性光刻胶，得到待制作微流控芯片上各微柱对应的倒圆锥形区域；倒圆锥形区域为负性光刻胶的未感光区；掩模板为印制有待制作微流控芯片的微柱结构图案的掩模板。

掩模板分别为空白面和图案面，掩模板本身有一定的厚度，当空白面紧贴放置在基片的负性光刻胶上时，图案面则背离负性光刻胶。因此，如图2，掩模板本身的厚度相当于在负性光刻胶与图案之间形成间隙，曝光时使用的光源为垂直光源，但同时也有低角度的非垂直光源，非垂直光源通过光密介质透过掩模板时引起光线折射。其中，微柱结构图案可以包括各微柱对应的微柱图形，微柱图形的微柱直径与各微柱的高度一一对应，微柱图形之间的微柱间距与各微柱的高度一一对应。此时，低角度非垂直光源照射在掩模板的图案面上，形成微柱间距尺寸延展，在基片的负性光刻胶上的微柱的形状从理论上的圆柱形变成倒圆锥形。进一步地，待制作微流控芯片上微柱的高度越小，对应的微柱圆形的直径越小，对应形成的倒圆锥形区域的尖端越明显。如图3，而若图案面附着光刻胶面时，由于掩模板的遮光作用，不易产生光折射，导致在光刻胶的未感光区域形成的圆锥形区域不明显，制作出微柱的高度与匀胶厚度保持基本一致。

本发明的微流控芯片的微柱结构制作方法，将掩模板的空白面紧贴放置在涂有负性光刻胶的基片上，利用曝光时，非垂直光源在掩模板的图案面透过光密介质在负性光刻胶折射，进而分别在各微柱对应的微柱图形处形成倒圆锥形区域，便于在光刻时在基片的负性光刻胶上得到待制作微流控芯片各微柱对应的浇注槽，以便得到待制作微流控芯片不同高度的微柱。

步骤S120：对曝光后的负性光刻胶进行显影，洗脱各倒圆锥形区域。

将曝光后的负性光刻胶在显影液中进行显影，其中，显影液可以为丙二醇甲醚醋酸酯，将基片上的未感光的倒圆锥形区域冲洗掉，使用异丙醇终止反应。如图4，进而在完成显影后的、带有负性光刻胶的基片上形成各浇注槽，这些浇注槽便为待制作微流控芯片上各微柱分别对应的倒圆锥形区域显影后形成的槽。

本发明的微流控芯片的微柱结构制作方法，利用负性光刻胶的作用，在基片上形成待制作微流控芯片中各微柱的浇注槽，以便得到待制作微流控芯片不同高度的微柱。进一步地，在同一块微流控芯片上获得多种不同高度的微柱时，掩模板中的微柱直径为主要因素之一，微柱直径相差越大，最终微柱的高度相差越大，结合在显影时的制作工艺公差，进而获得不同深度的各微柱的浇注槽。

步骤S130：将显影后的负性光刻胶加热坚模，得到待制作微流控芯片的微柱结构的模具。

本发明通过对显影后的负性光刻胶加热坚模，能够将残留在光刻胶的溶剂全部挥发，除去剩余的显影液，提高光刻胶与基片的粘附性，进而得到待制作微流控芯片的微柱结构的模具，以便能够向本发明的模具的浇注槽中浇注溶剂制作待制作微流控芯片的微柱结构。即通过该模具能够实现具备多种不同高度的微柱的微流控芯片，且各微柱高度较准确同时满足实验需求。

本发明的微流控芯片的微柱结构制作方法，通过掩模板以及负性光刻胶，结合掩模板的图案面背离光刻胶，进而能够保证在光刻时，得到包括各微柱高度的微柱结构的模具，实现在同一微流控芯片上得到不同高度的微柱或者与通道深度不一致的微柱阵列。本发明制作过程简单，成本低廉，且得到的微柱结构阵列精度高，可满足样品过滤、附着等部分特殊性实验的需求。本发明能够克服传统微流控芯片模具加工微柱阵列不易实现多种高度，且精度低，耗时长的问题。

如图5，结合图6，在一个具体的实施例中，将显影后的负性光刻胶加热坚模，得到待制作微流控芯片的微柱结构的模具的步骤之后，还包括：

步骤S610：将预聚体混合液注入模具，并加热固化得到盖片；盖片为加热固化后的预聚体混合液；预聚体混合液为PDMS(聚二甲基硅氧烷)。

如图5所示，本发明可以但不局限于通过热压法、注塑法或者横塑法中的一种方式得到盖片。本发明的多种高度的微柱制作方法简易，耗时短，能够高效完成多种高度微柱的微流控芯片，方便快捷，且采用PDMS作为预聚体混合液能够适应大部分实验需求。

步骤S620：分离盖片和模具，将分离后的盖片与载玻片键合，获得包括微柱结构的微流控芯片。

如图5所示的盖片相当于待制作微流控芯片的半成品，微柱1和微柱2为根据图4的模具所得到的待制作微流控芯片上对应的微柱，载玻片的材料可以但不局限于PDMS(聚二甲基硅氧烷)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PC(聚碳酸酯)、或者COC(烯烃类共聚物)中的其中一种。

本发明的微流控芯片的微柱结构制作方法，可以在同一微流控芯片上得到多种高度的微柱或者与通道深度不一致的微柱阵列，成本低，可克服传统微流控芯片模具加工微柱阵列不易实现多种微柱高度且精度低的问题。

在一个具体的实施例中，将掩模板的空白面紧贴放置在基片的负性光刻胶上，并曝光负性光刻胶，得到待制作微流控芯片上各微柱对应的倒圆锥形区域的步骤之前，还包括步骤：

步骤1：在洗净的基片上铺设负性光刻胶；负性光刻胶的厚度大于或等于各微柱的高度的最大值。

具体而言，在洗净的基片上铺设负性光刻胶，厚度大于或者等于待制作微流控芯片的微柱的最高高度。本发明便于得到待制作微流控芯片的多种微柱高度。

步骤2：加热固化光刻胶。

本发明的微流控芯片的微柱结构制作方法，能够利用负性光刻胶的作用，便于得到带有待制作微流控芯片的微柱结构的模具，可在同一块微流控芯片中制作多种高度的微柱，制作效率高。

在一个具体的实施例中，基片为硅片、抛光片或者载玻片。

本发明的微流控芯片的微柱结构制作方法，可以符合多种微流控芯片的要求，能够适应大部分实验需求。

在一个具体的实施例中，掩模板为菲林片。

本发明的微流控芯片的微柱结构制作方法，可以采用菲林片作为掩模板，成本低，是制作微流控芯片较为广泛的材料，便于制作出精度高的多种微柱高度。

如图7所示，结合图8、图9，在一个具体的实施例中，待制作微流控芯片为用于包裹PCR试剂的微流控芯片。

作为一优选的实施例，以一种生成油包水型液滴用于包裹PCR试剂的微流控芯片为例进行说明。

由于在液滴生成口处尺寸只有15微米，因此会在水相进样口设置过滤柱，避免外界杂质堵塞芯片，由于PCR扩增前溶液常含有聚合酶等大分子，为了避免过滤柱对这些大分子产生过滤作用，导致分子聚团影响扩增效率等，需要设置过滤柱低于微通道高度，即保证微柱的过滤作用，又避免有效大分子被过滤掉。如图8中的过滤柱直径为40微米，纵向过滤柱间距为15微米，制作流程如下：

步骤S710：可采用Autcad或者Coreldraw软件上设计过滤柱的图形，打印菲林片。

步骤S720：将单晶抛光硅片洗净烘干后，以3500rpm/min的转速匀一层SU-82050型光刻胶，时间约为30S，此时胶厚约为40μm。

步骤S730：将匀好光刻胶的硅片放在热平板上加热固化后，放在光刻机上，将菲林片无图案面贴近光刻胶层，图案面远离光刻胶，设置曝光时间进行曝光。

步骤S740：将曝光后的硅片用显影液显影后，加热坚模，获得带有待制作微流控芯片的微柱结构的模具。

步骤S750：在硅片上注入混合好的PDMS预聚体混合液，65℃加热2小时固化。

步骤S760：将PDMS片从硅片揭下来，切割打孔，与载玻片键合，此时完成了微柱阵列高度低于管道深度的微流控芯片，如图9所示。

本发明的微流控芯片的微柱结构制作方法中，制作的PCR试剂的微流控芯片可以有效阻止杂质进入，同时避免试剂中大分子物质被过滤掉，无需多次曝光可在同一微流控芯片上得到与通道高度不同的微柱或多种高度的微柱，制作方法简单，成本低廉。

在一个具体的实施例中，负性光刻胶的厚度为40微米；加热固化的温度为65摄氏度。

本发明能够实现在制作用于包裹PCR试剂的微流控芯片上得到多种高度的微柱，或者与通道高度不同的微柱组成的微柱阵列，精度高，能够满足生成油包水型液滴的实验需求。

应该理解的是，虽然图1、图6-7流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1、图6-7的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

如图10所示，为基于本发明微流控芯片的微柱结构制作方法的微柱结构图案生成方法，包括：

步骤S220：根据各微柱的高度，获取各微柱对应的微柱图形的微柱直径，以及各微柱图形之间的微柱间距。

具体而言，微流控芯片的微柱常用于实现过滤、支撑等作用，在一些特殊的实验要求中，需要实现过滤功能，但又不会将溶液中某些大分子物质完全过滤，可以通过制作低于通道高度的微柱阵列或是同一芯片多种微柱高度的微柱阵列，以适应特殊的实验。本发明中，微柱图形可以为圆形。待制作微流控芯片上的微柱的高度与微柱图形的直径一一对应，即微柱的高度在对应的微柱结构图案上有相对应的微柱直径。进一步地，为了能够在曝光阶段利用非垂直光源通过掩模板在光刻胶中形成折射进行延展，产生不同深度的倒圆锥形区域，因此，根据各微柱的高度获取微柱图形之间的微柱间距。

步骤S240：根据各微柱直径，得到各微柱图形。

步骤S260：基于各微柱图形以及各微柱间距，生成微柱结构图案。

本发明可在计算机上通过Autocad或者Coreldraw软件设计并生成微柱结构图案。

本发明基于微流控芯片的微柱结构制作方法的微柱结构图案生成方法通过各微柱的高度，获取各微柱对应的微柱图形的微柱直径，以及各微柱图形之间的微柱间距，进而生成微柱结构图案，能够在曝光阶段利用光的折射形成多种不同深度的倒圆锥形区域，以便通过显影坚模等工序得到待制作微流控芯片的微柱结构的模具，进而通过该模具得到多种高度或者低于通道深度的微柱结构，制作效率高。

在一个具体的实施例中，微柱直径的数值范围为1至500微米；微柱间距的数值范围为1至500微米。

本发明能够制作出符合大部分实验需求的微流控芯片，精度高，满足不同微流控芯片结构的要求，实现不同的微柱结构功能。

应该理解的是，虽然图10流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图10的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

如图11所示，为本发明提供的基于微流控芯片的微柱结构制作方法的微柱结构图案生成装置，包括：

获取模块10，用于根据各微柱的高度，获取各微柱对应的微柱图形的微柱直径，以及各微柱图形之间的微柱间距。

微柱图形生成模块20，用于根据各微柱直径，得到各微柱图形。

微柱结构图案生成模块30，用于基于各微柱图形以及各微柱间距，生成微柱结构图案。

本发明的微柱结构图案生成装置，通过各微柱的高度，获取各微柱对应的微柱图形的微柱直径，以及各微柱图形之间的微柱间距，进而生成微柱结构图案，能够在曝光阶段利用光的折射形成多种不同深度的圆锥形区域，以便通过显影坚膜等工序得到待制作微流控芯片的微柱结构的模具，进而通过该模具得到多种高度或者低于通道深度的微柱结构，制作效率高。

关于基于本发明微流控芯片的微柱结构制作方法的微柱结构图案生成装置的具体限定可以参见上文中对于基于本发明微流控芯片的微柱结构制作方法的微柱结构图案生成方法的限定，在此不再赘述。上述基于本发明微流控芯片的微柱结构制作方法的微柱结构图案生成装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图12所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种基于微流控芯片的微柱结构制作方法的微柱结构图案生成方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现基于微流控芯片的微柱结构制作方法的微柱结构图案生成方法。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。