CN101187609B - 压电驱式微混合芯片 - Google Patents

Abstract

一种微电子技术领域的压电驱动的微混合芯片，包括：密封盖层、通道层、压电控制器，密封盖层与通道层通过离子键合技术或者热键合技术密封在一起，密封盖层上侧设有三个压电控制器安装槽，压电控制器以粘帖方式嵌入密封盖层上侧的三个压电控制器安装槽内，通道层上设有循环流体通道；所述的三个压电控制器通过逻辑顺序作用于其下通道层循环流体通道，循环流体通道按照顺序开启、闭合，通过这种逻辑开关顺序，形成片上蠕动泵。本发明结合了通道式混合器和微腔混合器的特点，使不同试剂间的扩散和主动对流得到加强，从而提升混合效率，可以广泛用于生物试剂、化学试剂浓度和组分的实时测定，对于预防医学、环境水源监控都具有很强的实用价值。

Description

压电驱式微混合芯片

本发明是由专利申请号为：2005100295013，专利申请名称为：“压电驱式微混合芯片”，专利申请人为：上海交通大学，专利申请日为：2005年9月8日的专利分案申请。

技术领域

本发明涉及的是一种微电子技术领域的芯片，特别是一种压电驱式微混合芯片。

背景技术

在生物化学和医学检测分析系统中，生物试剂和化学试剂的混合是至关重要的组成环节，微机电技术(MEMS)的发展使这一功能可以在芯片上完成。基于不同混合原理的众多混合方法都被用于生物试剂和化学试剂组分混合研究中，目前，微混合器件可分为通道式混合器和微腔混合器，通道式混合器通过构造特殊的微流体通道来使不同试剂流的扩散效应变得更为显著，从而实现试剂的混合；而微腔混合器，由一个或多个制作在基片上的密闭微室和驱动部件构成，通过驱动部件在外部施加机械运动引起震荡，从而促进微室内不同试剂的混合。在微流体系统中，由于通道长度和孔径的小，雷诺数较小，流体在通道式混合器中实现均匀混合难度较高，耗时较长。而利用微腔混合器则不仅可以缩短混合时间，还可以使混合进行的更加彻底完全，对于利用混合来实现微反应的混合反应体系尤其有利。当前在微升容量的微型混合器研究中，主要通过气动、电场来进行驱动，促进腔体内试剂扩散流动，实现混合，这种方式下，由于混合在微小腔室内进行，扩散主要依靠外力被动完成，时间较长，况且，气动与电场驱动本身的辅助设备复杂，体积庞大，操控繁复，因此，不利于诸如疾疫和环境现场监控的便携低功耗要求。

经对现有技术的文献检索发现：美国专利号为：US 2002/0023841 A1，名称为：电泳水流驱动对流式微混合器(Electrohydrodynamic ConvectionMicrofluidic Mixer)，该专利中提到的混合器由制作在硅基上的微腔和电场驱动系统组成，通过设置在流体通道的电极实现对微腔流路内试剂的电场驱动，并形成流体对流，从而促进试剂的混合。这样的系统虽然没有机械驱动部件，然而本身的制作工艺并不简单，尤其对于外部驱动电场需要有精确控制，此外，许多生物和化学试剂本身对于电场格外敏感，在电场作用下会离解甚至形成气泡，因此，并不适用于这一混合器件。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出了一种压电驱式微混合芯片，使其结合了通道式混合器和微腔混合器的特点，使不同试剂间的扩散和主动对流得到加强，从而提升混合效率，缩短混合周期，该混合芯片的外部控制电路和辅助设备简单，操作容易，由于功率低，更可以由电池提供驱动能源，非常适用于野外实地考察和监测时对于微量试剂的混合应用。芯片制作工艺相对简单，性能稳定，具有良好的可重复性，解决了背景技术中存在的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括：密封盖层、通道层和压电控制器。连接方式为：密封盖层与通道层通过离子键合技术或者热键合技术密封在一起，压电控制器以粘帖方式嵌入密封盖层上侧的三个安装槽内，通道层以刻蚀或者模压工艺形成循环流体通道，当压电控制器按着一定逻辑顺序和频率震动时，压电控制器的电致弯曲挤压密封盖层相应区域变形，从而构成一个片上微泵，驱动试剂在循环流体通道内运动混合。

本发明芯片用由玻璃或者聚碳酸酯材料制作封装成形，在密封盖层上设有试剂样品输入口、试剂样品输出口，在通道层以刻蚀或者模压工艺形成循环流体通道，在密封盖层的上侧制作了三个压电控制器安装槽，为了实现压电控制器驱动效应，在密封盖层的下侧，压电控制器安装槽的投影位置，需要预先溅射金属钛，防止芯片在离子键合或者热键合密封时键合此区域。

本发明芯片的三个压电控制器依靠一定逻辑顺序作用于其下通道层循环流体通道，从而使其一定的顺序开启、闭合，这种开启和闭合的逻辑顺序是这样的，关开开、关关开、开关开、开关关、开开关和关开关，其间隔由一定的频率曲线进行优化后取最优值确定，通过这种逻辑开关顺序，形成片上驱动，可以在循环流体通道内获得驱动力以促进试剂的混合流动。

本发明中的混合芯片在进行微量试剂混合时，先依次利用真空作用由试剂样品输入口导入两种以上待混合试剂，其后启动压电控制器混合，混合试剂由试剂样品输出口导出。

本发明具有实质性的特点和进步，本发明混合芯片结合了通道式混合器和微腔混合器的特点，克服了通道式混合器混合速度缓慢耗时较长和微腔混合器制作和操作复杂的缺点，使不同试剂间的扩散和主动对流得到加强，从而提升混合效率，缩短混合周期，制作成本高和兼容性不强的缺点，通过微细加工技术，不仅大大减小了器件体积，降低了成本，也使其批量化加工成为可能。此外，本发明芯片可以作为微系统组成器件与试剂检测或者反应器件集成起来。可以广泛用于生物试剂、化学试剂浓度和组分的实时测定，对于预防医学、环境水源监控都具有很强的实用价值。

附图说明

图1为本发明结构示意图

图2为本发明分解结构示意图

图3本发明结构后视图

具体实施方式

如图1-3所示，本发明包括：密封盖层1、通道层2、压电控制器4。连接方式为：密封盖层1与通道层2通过离子键合技术或者热键合技术密封在一起，压电控制器4以粘帖方式嵌入密封盖层上侧的三个压电控制器安装槽3内。密封盖层1上侧设有三个压电控制器安装槽3，为了实现压电控制器4驱动效应，在密封盖层1上侧有试剂样品输入输出口5，在密封盖层1的下侧、压电控制器安装槽3的投影位置，设有金属钛溅射区7，防止芯片在离子键合或者热键合密封时键合此区域。

密封盖层1是玻璃或者聚碳酸酯材料制作。循环流体通道6是由刻蚀或模压技术在玻璃或者聚碳酸酯材料上制作。

通道层2以刻蚀或者模压工艺形成循环流体通道6，当压电控制器4按着一定逻辑顺序和频率震动时，压电控制器4的电致弯曲挤压密封盖层相应区域变形，从而构成一个片上微泵，驱动试剂在循环流体通道内运动混合。

Claims (3)

1.一种压电驱式微混合芯片，包括：密封盖层(1)、通道层(2)，其特征在于，还包括：压电控制器(4)，密封盖层(1)与通道层(2)通过离子键合技术或者热键合技术密封在一起，密封盖层(1)上侧设有三个压电控制器安装槽(3)，压电控制器(4)以粘帖方式嵌入密封盖层上侧的三个压电控制器安装槽(3)内，通道层(2)上设有循环流体通道(6)，在密封盖层(1)的下侧、压电控制器安装槽(3)的投影位置，设有金属钛溅射区(7)；

所述的三个压电控制器(4)通过逻辑顺序作用于其下通道层循环流体通道(6)，循环流体通道(6)按照顺序开启、闭合，这种开启和闭合的逻辑顺序为：关开开、关关开、开关开、开关关、开开关和关开关，通过这种逻辑开关顺序，形成片上蠕动泵。

2.根据权利要求1所述的压电驱式微混合芯片，其特征是，在密封盖层(1)上侧有试剂样品输入输出口(5)。

3.根据权利要求1或者2所述的压电驱式微混合芯片，其特征是，密封盖层(1)是玻璃或者聚碳酸酯材料。

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