集成放大多通道微流控芯片 设计规范

Q/LB.□XXXXX-XXXX目次TOC\o"1-1"\h\t"标准文件_一级条标题,2,标准文件_附录一级条标题,2,"前言 II1范围 12规范性引用文件 13术语和定义 14命名 24.1通用原则 24.2流道命名 24.3产品命名 34.4产品型号命名 35设计要求 35.1设计流程 35.2关键参数确定 45.3设计计算 45.4外观设计 55.5密封性设计 55.6畅通性设计 65.7加工精度设计 65.8单分散性设计 66设计验证方法 76.1外观设计验证 76.2密封性设计验证 76.3畅通性设计验证 86.4加工精度设计验证 96.5单分散性设计验证 9附录A 11前言本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由四川微流控科技有限公司提出。本文件由中国微米纳米技术学会归口。本文件起草单位：本文件主要起草人：本文件为首次发布。集成放大多通道微流控芯片设计规范范围本文件规定了液滴规模化制造集成放大多通道微流控芯片的设计要求，包括命名、设计要求、设计验证方法。本文件适用于液滴规模化制造集成放大多通道微流控芯片的设计。规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T2828.1计数抽样检验程序第1部分：按接收质量限（AQL）检索的逐批检验抽样计划GB/T6682分析实验室用水规格和试验方法GB/T41521多指标核酸恒温扩增检测微流控芯片通用技术要求术语和定义下列术语和定义适用于本文件。

微流控芯片microfluidicchip以硅、玻璃、金属材料、高分子聚合物等为基材，采用微纳加工、精密注塑、模压、光刻蚀刻等工艺制备，内部包含微通道、微阀、微反应腔、液滴生成单元等功能结构，可实现微尺度流体精准操控、分配、反应、分离或液滴制备的微纳功能器件。[来源：GB/T41521，3.1，有修改]

梯形网络laddernetworks由进液主流道、接收汇集主流道、多个几何尺寸一致的并行分支微流道及连接流道组成的通道网络结构。多个分支通道通过两个分配通道分别连接流体入口与出口，液滴制备单元耦合于各分支通道；各分支通道及相邻分支间的分配通道分段均具有相同结构参数，用于实现流体均匀分配及单分散液滴规模化制备与收集。

分形网络fractalnetworks基于分形几何原理设计，由进液主流道、接收汇集主流道及多级分支微流道组成的通道网络结构。各级分支微流道末端集成液滴制备单元，可实现流体逐级分配，满足单分散液滴规模化制备需求。两相流体进口或液滴出口位于第0级通道，经分形几何原理逐级分裂至第m级通道，每级通道结构参数相同，相邻级通道数量后一级为前一级的2倍，可耦合的液滴制备单元数量为2m。

液滴生成单元dropletsgenerationunit指耦合于集成放大多通道微流控芯片的分支微流道末端，用于将分散相形成微液滴的特定几何结构。常见类型主要包括流动聚焦型、T型、阶梯乳化型等。

流阻flowresistance(R)指层流状态下，流体流过通道的阻力。

流阻比flowresistanceratio(K)指分支微流道流阻与主流道分段流阻的比值，即K=RB/RD。

密封性sealingperformance芯片及其附属材料防止内装物溢出或其他物质进入的特性。[来源：GB/T41521，3.9]

液滴粒径变异系数coefficientofvariationofdropletsize（CV）表征液滴粒径分布离散程度的统计量。数值越小，代表液滴尺寸分布越集中、均一性越高；反之则越分散。

单分散性monodispersity指芯片生成液滴的粒径分布均匀程度，以液滴粒径变异系数（3.8）表示。命名通用原则产品及流道命名遵循“简洁直观、功能导向”原则，清晰表征芯片核心功能与关键结构特征，便于识别、使用及追溯。本规则适用于本文件规定的各类集成放大多通道微流控芯片。流道命名芯片流道命名按功能属性统一规定，核心流道命名应符合表1要求，各流道的功能及关联关系通过表1明确界定。核心流道命名规则编号流道名称功能说明1外相进液主流道分配连续相（外相）液体至各分支流道2内相进液主流道分配分散相（内相）液体至各分支流道3接收汇集主流道汇集各分支流道生成的液滴并输出4内相分支流道连接内相进液主流道与液滴生成单元，输送内相液体5外相分支流道连接外相进液主流道与液滴生成单元，输送外相液体6液滴输出分支流道连接液滴生成单元与接收汇集主流道，输送生成的液滴液滴生成单元周边的外相分支流道、内相分支流道可根据其结构特征补充命名（如流动聚焦型的“外相约束分支流道”、T型的“外相横向分支流道”），具体在芯片设计文件中明确。产品命名产品命名由“网络布局类型+液滴生成单元类型+核心功能+产品类别”组成，格式为：[网络布局类型]-[液滴生成单元类型]液滴规模化制造微流控芯片。梯形网络-流动聚焦型液滴规模化制造微流控芯片。分形网络-T型液滴规模化制造微流控芯片。梯形网络-同轴型液滴规模化制造微流控芯片。产品型号命名如需简化标识，宜采用简化型号命名，结构为“材质代码-通道数量-核心结构代码”，各组成部分编码规则及示例如下：材质代码：PDMS（聚二甲基硅氧烷）、GL（玻璃）、SI（硅）；通道数量：阿拉伯数字，表征并行液滴生成单元对应的分支流道总数量（如100=100条并行分支流道）；核心结构代码：TR-F（梯形网络-流动聚焦型）、TR-T（梯形网络-T型）、FR-F（分形网络-流动聚焦型）、FR-T（分形网络-T型）。PDMS-100-TR-F，含义为：聚二甲基硅氧烷材质、100条并行分支流道、梯形网络-流动聚焦型液滴规模化制造微流控芯片。GL-80-FR-T，含义为：玻璃材质、80条并行分支流道、分形网络-T型液滴规模化制造微流控芯片。设计要求设计流程芯片设计应遵循“关键参数确定→设计计算→结构优化→验证迭代”的流程。各环节应形成设计文档，确保可追溯。设计验证的抽样方案应符合GB/T2828.1的规定。关键参数确定目标液滴参数根据芯片实际应用场景，明确目标液滴粒径及单分散性要求，CV宜控制在5%以内。液滴生成单元关键尺寸（含内相分支流道宽度、外相分支流道宽度、收缩段长度等）及多通道尺寸设计，应以单通道液滴制备试验所得的“液滴粒径-流道结构尺寸”关联经验为指导，确保多通道制备的液滴均满足目标参数要求。分支微流道数量（N）根据产能需求确定分支微流道数量，为保证单分散性，N通常小于500。设计计算流量分配均匀性设计设计核心为确保各分支微流道流量偏差绝对值小于5%，通过优化流阻比K实现，应满足以下要求：顺流操作模式：N²/K＜0.01；逆流操作模式：0.25N²/K＜0.01。分形网络流量分配均匀性设计无需特殊要求，按常规分形布局原则即可。主流道尺寸设计流阻计算公式流阻应按式（1）计算： R=8μw+h2l式中：R——流阻，单位为帕斯卡秒每立方米（Pa⋅s/m3）；μ——流体粘度，单位为帕斯卡秒（Pa⋅s）；w——流道宽度，单位为米（m）；h——流道高度，单位为米（m）；l——流道长度，单位为米（m）。核心要求主流道尺寸设计应确保流阻关系满足5.3.1规定的流量分配均匀性要求。尺寸计算规则应依据5.3.1计算确定的流阻比K，以及分支微流道的结构尺寸（宽度w、高度h、长度l），按式（1）逆向推导确定进液主流道与接收汇集主流道的截面尺寸（宽度W、高度H）及分段长度(L)。接口设计芯片进液口、出液口接口规格应统一，宜采用标准鲁尔接口或定制化密封接口，接口数量应与功能流道类型匹配（如流动聚焦型至少含外相、内相、接收3类接口）。外观设计芯片表面设计芯片基板应采用模压或光刻等精密成型工艺，设计表面平整度公差≤5μm；加工过程中设置无尘操作环境及表面清洁工序，避免表面残留颗粒、污渍；设计边角倒圆角结构（圆角半径≥0.5mm），配合精密切割工艺，防止出现裂纹、破损、崩边、缺角等缺陷，边缘无毛刺。流道内壁设计流道设计应采用平滑过渡结构，避免尖锐转角；应选用高光洁度模具型腔（表面粗糙度Ra≤0.8μm）或采用等离子体抛光、湿法刻蚀等后处理工艺，保证流道内壁光滑；设计加工过程中的碎屑清理及气泡应排出通道，防止流道内残留加工碎屑、气泡及杂质，避免流道堵塞。密封面设计密封面设计为平面密封结构，表面粗糙度Ra≤0.8μm；密封面与密封件（如密封圈、粘结层）的配合尺寸公差控制在±0.05mm范围内；采用粘结或焊接等工艺时，设计均匀施力工装，确保密封面贴合紧密无间隙。密封性设计密封结构设计芯片密封结构设计应兼顾接口密封可靠性、流道间隔离有效性与整体结构耐压性，具体设计应符合以下规定：芯片接口设计为螺纹密封、法兰密封或卡箍密封结构，配套密封件选用耐介质腐蚀的橡胶或金属垫片；密封面处设计密封槽，槽深与密封件压缩量匹配（压缩率控制在15%～30%）。不同流道间采用隔离壁结构设计，隔离壁厚度≥0.5mm，且与基板一体成型；流道与外部接口的连接部位设置加强筋，增强结构耐压性。密封性要求芯片应在不低于1.25倍额定工作压力的静压条件下，保压时间不少于1.2倍额定连续工作时间，各接口、密封面及整体结构无液体渗漏，不同流道间无交叉渗透。畅通性设计流道结构优化流道结构应按以下要求进行优化设计：主流道与分支微流道的截面尺寸可灵活设计，在某些工况条件下可设计为渐变过渡，避免突变导致的流体湍流；分支微流道的长度、截面尺寸根据流体仿真结果优化，确保流体分配均匀。流道内壁可根据工作介质需求设计亲液性或疏液性改性涂层，降低流体流动阻力；设计进液口稳压腔结构，稳定输入压力在0.05MPa～0.2MPa范围内。防堵塞设计应在流道末端设计杂质沉淀槽，防止微小颗粒进入分支微流道。畅通性要求所有分支微流道应均能稳定生成液滴，连续运行30min无堵塞。加工精度设计主流道加工精度控制进液主流道、接收汇集主流道的宽度、高度尺寸在设计图纸中明确标注，尺寸公差不应超过流道对应尺寸的10%；选用数控铣削或模压成型等工艺，配套高精度工装夹具（定位精度≤10μm），保证加工误差符合要求。分支微流道加工精度控制分支微流道的宽度、高度尺寸设计公差不应超过0.01mm，且不应超过流道对应尺寸的10%（取两者较严值）；应采用光刻-蚀刻或激光等微加工工艺，控制加工设备的运动精度（重复定位精度≤5μm），确保加工误差满足要求。并行分支微流道一致性控制并行分支微流道的尺寸一致性误差应不超过±5%；应采用阵列式加工工艺，设计统一的加工基准面，通过批量检测与补偿工艺，保证各分支流道的尺寸一致性。单分散性设计芯片应通过流道结构一致性、流量分配均匀性、压力稳定性、加工精度等综合设计，确保液滴生成的单分散性满足使用要求。设计验证方法本章节试验的核心目的为验证芯片设计方案及工艺选型的合理性，确认设计措施可支撑产品满足性能要求。外观设计验证验证目的验证芯片基板成型工艺、无尘加工工序、边角结构设计的有效性，确认其可实现外观质量控制目标。验证条件在自然光或等效光源（照度≥500lx）下，采用目视法结合5倍～10倍放大镜观察，观察距离200mm～300mm。验证步骤外观设计方案及工艺措施有效性的验证，应按以下步骤实施：随机选取3批次、每批次不少于10片的试验芯片，覆盖不同生产批次的工艺波动；针对芯片表面平整度、洁净度，重点观察表面是否有残留颗粒、污渍，验证模压/光刻工艺参数与无尘操作的匹配性；针对边角缺陷，重点观察是否有裂纹、破损、崩边、缺角等缺陷，验证圆角结构设计参数（圆角半径≥0.5mm）与精密切割工艺的适配性；观察流道内壁、密封面是否光滑，无明显划痕或杂质残留。判定试验芯片表面、流道内壁、密封面均无上述缺陷，边缘无毛刺，即判定外观设计方案及工艺措施有效。密封性设计验证验证目的验证接口密封结构、隔离壁设计、粘结/焊接工艺的有效性，确认其可满足耐压防渗漏要求。验证设备压力源（精度±0.01MPa）、密封接头、干燥滤纸、显微镜（放大倍数≥20倍）。验证步骤密封性设计方案及工艺措施有效性的验证，应按以下步骤实施：选取设计定型的试验芯片，按设计要求装配密封件（橡胶/金属垫片），确保密封件压缩率控制在15%～30%；将芯片接口通过密封接头与压力源连接，封堵非测试接口，向流道内注入与芯片兼容的测试液体（如水、乙醇），缓慢排出内部气泡；缓慢升压至不低于1.25倍额定工作压力，保压时间不少于1.2倍额定连续工作时间，期间监测压力源示数稳定性，验证结构耐压设计；用干燥滤纸擦拭芯片表面及接口，通过显微镜观察流道间是否有交叉渗透，验证隔离壁设计有效性。判定保压期间压力无明显下降，芯片表面、接口无液体渗漏，不同流道间无交叉渗透，即判定密封性设计方案及工艺措施有效。畅通性设计验证验证目的验证流道渐变结构、稳压腔设计、内壁改性涂层（若有）的有效性，确认其可保障流体稳定流动及液滴生成。验证设备恒压泵（流量精度±1%）、高速摄像显微镜（放大倍数≥50倍）、流量监测装置。验证步骤畅通性设计方案及工艺措施有效性的验证，应按以下步骤实施：选取试验芯片，如需进行内壁亲/疏液性涂层处理则按设计要求完成，连接恒压泵与芯片进液口；外相注入去离子水应符合GB/T6682的规定，内相注入含荧光染料的水溶液（示踪剂浓度0.1%～0.5%），设定恒压泵参数至额定工作压力（0.05MPa～0.2MPa）和对应流量范围，监测进液压力波动是否在±0.01MPa以内；启动设备连续运行30min，通过高速摄像显微镜观察各分支微流道内流体流动状态与流道通畅情况，通过流量监测装置记录出口流量稳定性；重点验证流道渐变结构对湍流的抑制效果、稳压腔对压力波动的缓冲效果，若设计有内壁涂层则同步验证其对流动阻力的降低效果。判定连续运行期间无堵塞，各分支微流道液滴生成稳定，出口流量波动不超过±5%，即判定畅通性设计方案及工艺措施有效。加工精度设计验证验证目的验证加工工艺选型、工装夹具设计、基准面设计的有效性，确认其可保障流道尺寸精度及一致性。验证设备三维光学轮廓仪（精度±1μm）或显微镜（测量精度±1μm）。验证步骤加工精度设计方案及工艺措施有效性的验证，应按以下步骤实施：选取试验芯片，选取芯片上、中、下3个区域，每个区域随机选取3根分支微流道和2段主流道，覆盖芯片整体加工范围；应采用三维光学轮廓仪或显微镜测量各流道的宽度、高度尺寸，每处尺寸测量3次，取平均值作为最终测量值；对比测量值与设计图纸标注的公差要求（主流道±0.1mm、分支微流道±0.01mm），验证加工工艺与工装夹具的匹配性；计算并行分支微流道的尺寸一致性误差，验证阵列式加工工艺与统一基准面设计的有效性。判定主流道、分支微流道尺寸误差及并行分支