混合聚碳酸酯-硅微流控器件的构建方法

我们的研究重点是结合混合微流控器件，用于学术实验室的原型制作。我们的目标是回答一个问题：低成本但最优的混合微流控通道键合策略有哪些？在混合微流控中将热塑性塑料粘结到刚性基底具有挑战性，而传统的高温高压方法则不适用。

该方案提供了一种实用且适合研究的键合方法。首先，获得具有平面粘合面的聚碳酸酯外壳。将环氧树脂注入聚碳酸酯外壳的凹槽芯片座，并将清洗后的硅芯片放入原位。

让组件固化，然后用新的环氧树脂封住缝隙。用激光切割胶带，使其形状符合槽壁形状。贴胶带时，先从胶带上去除一层衬里。

然后用销钉对齐并贴上胶带。加入足够的1%聚乙烯醇溶液，覆盖流体通道区域。然后把涂层通道放到一边，在室温下完全晾干。

去除粘性掩膜时，聚乙烯醇醇层完全固化后，小心撕下双面粘合剂，留下涂有聚乙烯醇的流体通道。如有需要，检查并清理槽壁上残留的胶水。用销钉对齐上下聚碳酸酯硅胶混合壳体半板。

将含有二氯甲烷或丙酮的5毫升注射器30号针尖置于装置边缘或边缘。然后将溶剂两侧喷洒，使其渗入粘结界面并达到聚乙烯醇阻隔层。然后均匀地将大约两到三磅的重量均匀覆盖在组装好的设备上，让设备在室温下完全固化10到15分钟。

确保没有大气泡，以减少故障点。固化后，去离子水以80摄氏度的低流量（每分钟1至5毫升）通过流控通道，持续至少三小时。目视检查设备通道内是否有残留聚乙烯醇，并重复水流，直到无聚乙烯醇在视觉上可见。

使用台式激光切割机，激光切割低密度聚乙烯片材，使其形状符合槽壁区域的形状。检查激光切割的低密度聚乙烯片材是否有灰烬、残留物或颗粒物。用异丙醇彻底冲洗床单，让它们完全干燥。

用销钉将LDPE切口对准流体通道的侧壁。将顶部聚碳酸酯件放置在底部组件上，形成与LDPE层在粘结界面上的流体通道。要粘合组件，将组装好的外壳放入设定为145摄氏度的可编程烤箱中，并配有温度传感器。

然后在组件顶部放置一个校准过的重物，如金属板，施加每平方英寸2到3磅的适中压力。两小时后，将组装件从烤箱取出。确认LDPE在结合表面均匀透明，然后让设备冷却至室温。

将垫圈绳材切割至所需长度，以匹配流体通道路径。将垫圈绳插入底部聚碳酸酯壳体的垫圈密封圈，确保整条路径紧密且连续地贴合。将上方聚碳酸酯块与底部块对齐。

然后将螺栓穿过顶层并插入六角螺母，根据需要添加垫圈或压缩板，以均匀分布压力。用手拧紧每个螺丝，固定装置。然后用扭力扳手将螺丝按交叉方向拧紧。

最初拧紧至0.5磅英寸，以避免硅屑开裂或聚碳酸酯壳体变形，只有在需要额外密封时才增加扭矩。准备将混合微流控装置连接到使用蠕动泵管路的流体回路。串联水库、滚子泵、压力传感器和混合微流控装置。

将压力传感器尽可能靠近设备入口，以确保压力测量准确。以每分钟10毫升的初始流量将水泵送回路。每60秒将流量增加10毫升每分钟，并记录每个流量的压力。

如果需要额外压力，可以在器件下游加一个针限以增加电路电阻。定义额定压力为首次可见泄漏发生时的压力。最后，在设备下游紧接着插入第二个压力传感器，使用同一电路。

以每分钟10毫升的选定流量流动水，并计算装置前后压力差。三种粘结方法显示出不同的性能结果。溶剂结合装置维持最高额定压力，泄漏前达到692毫米汞柱，但部分装置存在空气困滞或轻微光学雾霾。

LDPE键合装置在每分钟10毫升时压力下降达196毫米汞柱，使其效果较差。在测试的技术中，垫圈密封法展现出最高的重复性和最干净的视觉界面。基于垫片的结构在泄漏前可承受高达239毫米汞柱的压力，且压力下降约3毫米汞柱。

该方案使研究人员能够研究适合实验室环境中混合微流控器件结合的不同低成本键合方式。执行该协议时最重要的是确保设计、制造和层对准的精确性，以确保密封界面和足够的结合表面积。未来研究可比较不同粘结方法的天花板表面面积，并评估该方案对包含脆性或多种基底材料的混合微流控系统的适用性。