一种具有粗细交错正弦结构的高效微混合器及其制备方法

1.本发明属于微纳结构制备技术，具体涉及一种具有粗细交错正弦结构的高效微混合器及其制备方法。


背景技术：

2.近年来，电子器件的微型化、集成化技术在不断提高，微流控芯片技术已经广泛应用于生物、化学、医学等领域，微混合器作为微流控芯片分析系统的重要组成部分，但仍然需要进一步研发不断改进微通道结构设计，以提提升其混合效率方面的效果。
3.由于微通道的结构尺寸非常小，根据雷诺数公式可知通道中流体的雷诺数非常低，属于层流，难以引起二次流以增强液体的混合。目前常见的微混合器通道结构有矩形、锯齿形、圆形、直线型等，在这些简单的通道结构中难以大幅提升混合效率。但是，混合效率的提升对微流控芯片技术的提升非常重要，例如：准确检测病毒和细菌需要抗凝试剂和化学试剂高效的混合；聚合酶链反应过程中，需要模板、引物、酶、脱氧核糖核苷酸的充分反应；在微流控芯片中进行的dna杂交、核酸检测、药物合成等实验也对微混合器性能有较高的要求。所以设计并加工出高性能的微混合器通道结构，对微流控芯片在各领域的发展非常重要。
4.现有的微混合器通道结构多为矩形、锯齿形、圆形、直线型及各种形状的组合，试剂可以在微通道中进行一定的混合，若需达到较好的混合效果，需要较长的通道混合长度或者较久的混合时间。目前，应用于微流控芯片的加工技术层出不穷，常用的有光刻、3d打印、飞秒激光加工等。其中：1、光刻加工，是利用照相复制与化学腐蚀相结合的技术，在工件表面制取精密﹑微细和复杂薄层图形的化学加工方法，能够实现较高的加工精度，广泛应用于芯片加工。形成微通道结构时，光刻加工技术是将掩模版上的图形转移到涂有光致抗蚀剂（或称光刻胶）的硅片上，通过一系列生产步骤将硅片表面薄膜的特定部分除去的一种图形转移技术，其过程也会运用化学腐蚀技术。
5.2、3d打印，是一种将粉末状金属或塑料等按照设计结构逐层打印的快速成型加工技术，可以提高生产率和降低生产成本，且有较好的重复性。
6.3、飞秒激光，是目前在实验条件下能够获得最短脉冲的技术手段，其精确度可达
±
5 μm。
7.在上述加工方法中，虽然光刻具有较高的加工精度，但其价格昂贵，普通企业难以承受；3d打印有着高效、灵活和低成本的优点，且技术成熟，运用广泛，但打印材料受限是其的致命缺点。飞秒激光加工是近年来被广泛认可的技术，但这种加工技术不够灵活，且价格昂贵，加工的样品表面还会存在一定热应力，不利于器件性能。
8.所以设计和制备一种新型结构的微混合器，用于提升微流控芯片的应用性能。


技术实现要素：

9.本发明为解决上述问题，提供一种具有粗细交错正弦结构的高效微混合器及其制备方法，通过合理设计三维正弦微通道结构，在制备过程中控制划痕过程中非晶的形成，进而控制选择性刻蚀制备高效率三维正弦微混合器，该方法简单，制备得到的微混合器能使得微混合器加强液体对流。
10.为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种具有粗细交错正弦结构的高效微混合器的制备方法，其步骤如下：s1、在镀有氮化硅的单晶硅表面，用针尖刻划出通道的进出口和设计要求的正弦轨迹，正弦轨迹由n条划痕形成，刻划载荷以划穿氮化硅为宜。
11.正弦轨迹的曲线方程为y=asin(ωx+φ)，其中相邻两条划痕间的相位差为
∆
ф，相邻两条划痕的宽度为
∆
w，刻蚀后正弦通道的相位差累计为ф =
ꢀ∆
ф
ꢀ×ꢀ
(n-1)，正弦通道的总宽度为w =
ꢀ∆wꢀ×ꢀ
(n-1)；正弦通道的宽度由相邻划痕间距和划痕总数决定；其中，n为形成正弦通道的划痕总条数；
∆
ф问相邻划痕间的相位差，即左右平移的距离；ф为顶端划痕和底端划痕间的相位差，也是刻蚀后两条通道壁的相位差；
∆
w为相邻划痕间的宽度，即上下平移的距离；w为顶端划痕和底端划痕间的宽度，即刻蚀后通道的宽度。
12.s2、将步骤s1刻划后的单晶硅浸没在刻蚀液中刻蚀，将刻划的正弦轨迹刻蚀为一定深度的正弦通道；刻蚀时，选用koh溶液作为刻蚀液，刻蚀温度为0~100oc（优选60oc），刻蚀时间为时间30 min~10 h。
13.s3、将成型的pdms与步骤s2刻蚀完成带有正弦通道的单晶硅进出口对齐的地方打孔，进行等离子处理；其中，等离子处理的气体采用空气或氧气。
14.s4、将步骤s3中经过等离子处理后的单晶硅的进出口与pdms的进出口对齐，进行封装成微混合器。
15.步骤s1中，所述单晶硅表面镀的氮化硅厚度为2 nm-500 nm。
16.根据上述制备方法制得到的具有粗细交错正弦结构的高效微混合器，具有开口宽度不一的微通道，所述微通道整体呈正弦结构状，所述微通道整体的上开口大于底部宽度，所述微通道的纵向截面在不同区域，分别包括v型截面和上大下小的梯形截面。
17.根据设计要求，微通道的纵向截面由v型截面和上大下小的梯形截面根据正弦曲线周期性交替渐变，且微通道的深度也根据正弦曲线周期性交替渐变，从而形成粗细交错正弦结构的微通道。
18.所述微通道的纵向截面呈v型截面的区域，为微通道的狭窄通道区域，微通道的上开口宽度的最窄部分处于该区域。
19.所述微通道的纵向截面呈上大下小的梯形截面的区域，为微通道的宽敞通道区域，微通道的上开口宽度的最宽部分处于该区域。
20.进一步的，以正弦结构状的波峰的或者波谷为中心，所述微通道的上开口宽度的最窄部分与微通道的上开口宽度的最宽部分分别位于中心两侧。
21.本发明具有的有益效果如下：本发明的制备方法，简单易实现，在制备过程中控制划痕过程中非晶的形成，进而控制选择性刻蚀制备高效率三维正弦微混合器，特别适用于微流控芯片制备领域，可制造多种复杂的微纳通道结构；通过该方法可合理设计并制备得到三维正弦微通道结构，得到
的微混合器能加强液体对流，从而大幅提升混合效率。
附图说明
22.图1是本发明的加工流程示意图。
23.图2是本发明微混合器的通道结构示意图。
24.图3是对应图2的通道纵向截面结构示意图。
25.图4为对应实施例的微混合器进行拉曼检测非晶层厚度示意图。
26.图5是本发明的性能测试示意图。
27.图6为实施例中所得微混合器与yrcsar通道的测试性能指标的对比示意图。
28.其中，附图标记为：1微通道，2微通道的上开口，3微通道的底部，4微通道的v型纵向截面，5微通道的梯形纵向截面。
具体实施方式
29.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
30.如图1所示，衬底选用表面镀有一定厚度氮化硅的单晶硅，氮化硅的厚度为2 nm-500 nm，选用koh作为刻蚀液，进行具有粗细交错正弦结构的高效微混合器的制备，具体步骤如下：s1、将镀有氮化硅的单晶硅用针尖刻划微通道的进出口和设计的正弦结构轨迹，刻划载荷为1~100 mn，刻划载荷以划穿氮化硅为宜。
31.s2、将s1刻划后的硅片浸没在koh溶液中刻蚀，将刻划的正弦轨迹刻蚀为一定深度的微通道；其中，刻蚀温度：20~80oc，最佳温度为60oc；刻蚀时间1~6 h。
32.s3、将s2刻蚀完成带有微通道的硅片与成型的pdms（将pdms与硅片进出口对齐的地方打孔）一起进行等离子处理；其中，等离子处理的气体：空气或氧气，根据要求选择：高功率、中功率或低功率，本实施例中具体采用的是等离子处理的功率：高功率＞300 w，时间3 min。
33.s4、将s3等离子处理后的硅片与pdms进出口对齐进行封装。
34.根据上述方法制得的具有粗细交错正弦结构的高效微混合器，所述微通道整体呈正弦结构状，所述微通道整体的上开口大于底部宽度，所述微通道的纵向截面在不同区域，分别包括v型截面和上大下小的梯形截面；根据设计要求，微通道的纵向截面由v型截面和上大下小的梯形截面根据正弦曲线周期性交替渐变，且微通道的深度也根据正弦曲线周期性交替渐变，从而形成粗细交错正弦结构的微通道。
35.所述微通道的纵向截面呈v型截面的区域，为微通道的狭窄通道区域，微通道的上开口宽度的最窄部分处于该区域。
36.所述微通道的纵向截面呈上大下小的梯形截面的区域，为微通道的宽敞通道区域，微通道的上开口宽度的最宽部分处于该区域。
37.进一步的，以正弦结构状的波峰的或者波谷为中心，所述微通道的上开口宽度的最窄部分与微通道的上开口宽度的最宽部分分别位于中心两侧。
38.本实施例中的设计要求，得到如图2-3所示的微通道结构，其中：（1）当微通道的纵向截面是v型截面时，微通道的上开口宽度大于40μm且小于50μ
m。
39.（2）根据所述微弦通道的纵向截面设计，当微通道的纵向截面是v型截面时，微通道的深度大于15μm且小于25μm。
40.（3）根据上述微通道的纵向截面设计，当微通道的纵向截面是上大下小的梯形截面时，微通道的上开口宽度大于50μm且小于80μm。
41.（4）根据上述微通道的纵向截面设计，当微通道的纵向截面是上大下小的梯形截面时，微通道的底部宽度大于5μm且小于10μm。
42.（5）根据上述微通道的纵向截面设计，当微通道的截面是上大下小的梯形型截面时，微通道的深度大于25μm且小于30μm。
43.通过步骤s1的刻划和刻划的正弦轨迹，可有效控制非晶的形成，划痕线间距越小，非晶层越厚，刻蚀后通道深度越浅。如图4所示，对应图2、3中，a处非晶层较厚，c处非晶层较薄。
44.对应该设计要求，得到封装完成的微混合器，对其进行混合性能测试的结果，如图5所示。对应的测试性对比如图6所示，（a）为实施例所得微混合器的粗细交错正弦通道混合效果图，（b）yrcsar通道混合效果图，可见本实施例所得结构的通道长度明显缩短，混合效率明显提升。

技术特征：
1.一种具有粗细交错正弦结构的高效微混合器的制备方法，其特征在于步骤如下：s1、在镀有氮化硅的单晶硅表面，用金刚石针尖刻划出通道的进出口和所设计的正弦轨迹，刻划载荷以划穿氮化硅为宜；s2、将步骤s1刻划后的单晶硅浸没在刻蚀液中刻蚀，将刻划的正弦轨迹刻蚀为一定深度的正弦通道；刻蚀时，选用koh溶液作为刻蚀液，刻蚀温度为0~100 o
c，刻蚀时间为30 min~10 h；s3、将成型的pdms与步骤s2刻蚀完成带有正弦通道的单晶硅进出口对齐的地方打孔，进行等离子处理；s4、将步骤s3中经过等离子处理后的单晶硅表面的进出口与pdms的进出口对齐，进行封装成微混合器。2.根据权利要求1所述的具有粗细交错正弦结构的高效微混合器的制备方法，其特征在于：步骤s1中，所述单晶硅表面镀的氮化硅厚度为2 nm-500 nm。3.根据权利要求1所述的具有粗细交错正弦结构的高效微混合器的制备方法，其特征在于：步骤s1中刻划有n条划痕，n条划痕经过步骤s2的刻蚀后形成正弦轨迹。4.根据权利要求3所述的具有粗细交错正弦结构的高效微混合器的制备方法，其特征在于：正弦轨迹的曲线方程为y=asin(ωx+φ)，其中相邻两条划痕间的相位差为
∆
ф，相邻两条划痕的宽度为
∆
w，刻蚀后正弦通道的相位差累计为ф =
ꢀ∆
ф
ꢀ×ꢀ
(n-1)，正弦通道的总宽度为w =
ꢀ∆
w
ꢀ×ꢀ
(n-1)；正弦通道的宽度由相邻划痕间距和划痕总数决定；其中，n为形成正弦通道的划痕总条数；
∆
ф问相邻划痕间的相位差，即左右平移的距离；ф为顶端划痕和底端划痕间的相位差，也是刻蚀后两条通道壁的相位差；
∆
w为相邻划痕间的宽度，即上下平移的距离；w为顶端划痕和底端划痕间的宽度，即刻蚀后通道的宽度。5.根据权利要求1-4任意一项所述制备方法制得到的具有粗细交错正弦结构的高效微混合器，其特征在于：所述微混合器具有开口宽度不一的微通道，所述微通道整体呈正弦结构状，所述微通道整体的上开口大于底部宽度，所述微通道的纵向截面在不同区域，分别包括v型截面和上大下小的梯形截面；根据设计要求，微通道的纵向截面由v型截面和上大下小的梯形截面根据正弦曲线周期性交替渐变，且微通道的深度也根据正弦曲线周期性交替渐变，从而形成粗细交错正弦结构的微通道。6.根据权利要求5所述的一种具有粗细交错正弦结构的高效微混合器，其特征在于：所述微通道的纵向截面呈v型截面的区域，为微通道的狭窄通道区域，微通道的上开口宽度的最窄部分处于该狭窄通道区域。7.根据权利要求5所述的一种具有粗细交错正弦结构的高效微混合器，其特征在于：所述微通道的纵向截面呈上大下小的梯形截面的区域，为微通道的宽敞通道区域，微通道的上开口宽度的最宽部分处于该宽敞通道区域。8.根据权利要求5所述的一种具有粗细交错正弦结构的高效微混合器，其特征在于：以正弦结构状的波峰的或者波谷为中心，所述微通道的上开口宽度的最窄部分与微通道的上开口宽度的最宽部分分别位于中心两侧。

技术总结
本发明公开了一种具有粗细交错正弦结构的高效微混合器及其制备方法，通过刻划、刻蚀、等离子处理、封装，形成具有粗细交错正弦结构的微混合器，该微混合器具有开口宽度不一的微通道，微通道呈正弦结构状，微通道的上开口大于底部宽度，微通道的纵向截面包括v型截面和上大下小的梯形截面；根据设计要求，微通道的纵向截面由v型截面和梯形截面相互交替过渡渐变，对应的深度也对应相互交替过渡渐变，从而形成粗细交错正弦结构。本发明制备方法简单易操作，制备成本低，在制备过程中控制划痕过程中非晶的形成，制得的三维正弦微混合器能加强液体对流，从而大幅提升混合效率，可有效提升微流控芯片的应用性能，可广泛用于加工微流控芯片的生产。芯片的生产。芯片的生产。


技术研发人员：余丙军 陈婷婷 林宇 刘仁星 崔立聪 何旺 钱林茂
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：2023.06.09
技术公布日：2023/8/31