CN100344964C - 沉陷铜电极电化学微流控芯片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种沉陷Cu电极电化学微流控芯片的制备方法，属于聚合物芯片制作技术领域和分析检测技术领域，用于电化学微流控芯片的制作。其方法是利用微通道模具热压聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基片获得微通道；微电极模具热压另一片PMMA获得微电极沉陷，在此PMMA上溅射Cu，利用套刻和湿法腐蚀工艺制作出沉陷的Cu微电极；采用热键合的方式将两片PMMA封接，获得沉陷Cu电极电化学微流控芯片。本发明的效果和益处是：采用热压、溅射、套刻和湿法腐蚀的方法获得沉陷的Cu电极，将Cu电极集成于微流控芯片上，提高了芯片制作的成品率，同时采用Cu作为电化学检测的工作电极材料大大降低了芯片成本。此类芯片可广泛应用于生化分析中的糖类检测。
Description
技术领域
本发明属于聚合物芯片制作技术领域和分析检测技术领域，涉及一种沉陷Cu电极电化学微流控芯片的制备方法，用于电化学微流控芯片的制作。
背景技术
微流控芯片是目前微全分析系统(μ-TAS)的研究重点之一，它借助于微细加工技术，制作以微管道网络为主的微型结构，通过对流体的控制，实现对生物样品集成处理和分析。微流控芯片的检测方法主要有激光诱导荧光、质谱和电化学检测三种(R.Scott Martin，et al，Anal.Chem.，2000，72，3196-3204)。由于可以将微电极集成到芯片上，因此此类芯片为微全分析系统进一步集成化和微型化提供了一条崭新的思路，设备的小型化和废物的微量化使其顺应了“绿色分析化学”的发展趋势(Joseph Wang，et al，Analytica Chimica Acta，2000，416，9-14)。这种方法的核心技术在于电化学微流控芯片的制备。制作此类芯片的材料主要有硅、玻璃、有机聚合物和硅橡胶几类，有机聚合物材料，例如PMMA与硅和玻璃相比，材料价格便宜，品种多，芯片制作工艺简单，批量生产成本低(Holger Becker，et al，Talanta，2002，56，267-287)，与硅橡胶相比，其电渗流特性优秀，因此近年来此类材料制作的微流控芯片在分析化学等领域引起了关注。
电化学微流控芯片微电极材料通常是Pt、Au等贵金属(B.Graβ，et al，Sensorsand Actuators B，2001，72，249-258，Nicole E.Hebert，et al，Anal.Chem.2003，75，2969-2975)，为了提高贵金属与玻璃或聚合物基底的结合力，需要在它们之间增加中间层，例如Cr，因此湿法腐蚀时需要腐蚀电极和中间层两种材料获得微电极，工艺过程复杂，而且贵金属电极成本较高，不能满足一次性使用要求，重复使用时需要清洗微通道和微电极，如处理不当，容易对被检测样品造成污染。
由于聚合物热键合的变形量较大，达到10-20μm，因此采用热键合的方法封接电化学芯片时，平面微电极变形断裂，导致芯片制作失败。通常微电极聚合物电化学芯片的键合采用胶粘的工艺方法(B.Graβ，et al，Sensors andActuators B，2001，72，249-258)，由于微通道容易被胶堵塞，此方法成功率很低。
发明内容
本发明的目的是提供一种制作Cu电极电化学微流控芯片的方法，采用Cu替代贵金属微电极可以降低芯片成本，同时Cu与基底材料PMMA的结合力良好，避免了中间层的使用，简化了工艺步骤；采用热键合方式封接芯片，可防止微通道堵塞，制作沉陷微电极替代平面微电极，解决了微电极封接时的断裂问题。
本发明的技术方案如下：
1.利用光刻、硅腐蚀或UV-LIGA工艺将微通道和微电极图形以及对准标记点转移到硅片和金属片上，获得热压模具；
2.采用热压的方法将微通道复制到PMMA基片上，热压温度100℃，压力0.7Mpa，保持时间6min；
3.采用热压后溅射、套刻和湿法腐蚀在PMMA上获得沉陷微电极。热压温度100℃，压力1.4Mpa，保持时间6min；利用射频溅射台溅射200nm厚的Cu；旋涂光刻胶，利用PMMA和掩膜上的标记点实现对准套刻；在5％(wt)硝酸溶液中刻蚀Cu；采用二次曝光、显影的方法去除Cu微电极表面的光刻胶，获得沉陷的Cu微电极；
4.利用显微视觉对准带有微通道和微电极的两片PMMA上的标记点，从而有效保障微通道出口与微电极之间的距离，采用热键合的方式将带有微通道和微电极的两片PMMA封接，得到芯片。键合温度100℃，压力0.7Mpa，保持时间10min。
本发明的效果和益处是：采用Cu替代贵金属微电极集成于微流控芯片上，简化了工艺步骤，降低芯片成本；制作沉陷微电极解决了芯片热键合时电极的断裂问题，提高了芯片制作成品率。此类芯片可应用于生化分析中的糖类检测。
附图说明
图1是沉陷Cu电极电化学微流控芯片的结构示意图。
图中1.缓冲液进样池；2.样品进样池；3.样品废液池；4.微通道；5.缓冲液废液池。
图2是沉陷Cu电极电化学微流控芯片缓冲液废液池局部放大图。
图中5.缓冲液废液池；6.微通道出口；7.微电极。
图3是沉陷Cu电极示意图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的实施例。
步骤1.热压模具制备
将硅片放入H2O2∶H2SO4＝1∶3溶液煮至冒烟10min后去离子水冲洗15min，烘干后获得疏水性表面；处理后的硅片置于ZKLS-2A双管扩散炉，加热温度至1180℃，保持3.5小时，在硅表面获得厚度为1μm的二氧化硅掩蔽膜。在硅片上均匀地涂覆BP212光刻胶，预旋涂时间5s，旋涂时间为30s，预旋涂速度500rpm，旋涂速度为3000rpm；前烘BP212光刻胶在80℃的烘箱中进行，时间为20min；冷却后在BGJ-3型光刻机上曝光，在I线的光强为0.97mw/cm2的情况下，曝光时间为35s；在0.5％(wt)NaOH溶液中显影，显影液温度为25℃，显影时间为15s，掩膜的图形至此就精确地复制到了硅片上。
接下来进行的是硅片的湿法腐蚀。先去除二氧化硅掩蔽膜，腐蚀条件为HNO3∶HF∶H2O＝40∶20∶40(体积比)，常温腐蚀，腐蚀时间为5min。硅各项异性腐蚀的腐蚀条件为73℃，腐蚀液为KOH∶IPA∶H2O＝40g∶30ml∶100ml，腐蚀速度为0.4μm/min。微通道热压模具的图形高度为60μm，微电极热压模具的图形高度为10μm。
步骤2.热压复制微通道和微电极
去离子水清洗后的PMMA基片(20×50mm)和硅微通道模具置于热压机上，热压温度100℃，压力0.7Mpa，保持时间6min，复制微通道；另一片清洗后的PMMA基片(50×50mm)和微电极模具置于热压机上，热压温度100℃，压力1.4Mpa，保持时间6min。
步骤3.沉陷Cu微电极制备
用射频溅射台溅射200nm厚的Cu；旋涂光刻胶BP212，利用PMMA和掩膜上的标记点实现对准套刻，光刻条件同硅模具图形光刻条件；在5％(wt)硝酸溶液中刻蚀Cu；为了去除Cu表面的光刻胶，二次曝光(在I线的光强为0.97mw/cm2的情况下，曝光时间为50s)之后在0.5％(wt)的NaOH溶液中显影去除Cu微电极表面的光刻胶，获得沉陷的Cu微电极。
步骤4.热键合芯片
利用显微镜视觉对准带有微通道和微电极的两片PMMA上的标记点，从而有效保障微通道出口与微电极之间的距离，将带有微通道和微电极的两片PMMA对准后放置于热压机上，键合温度100℃，压力0.7Mpa，保持时间10min。得到沉陷Cu电极的电化学微流控芯片。
Claims (1)
1.一种沉陷铜电极电化学微流控芯片的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)利用光刻、硅腐蚀或UV-LIGA工艺将微通道和微电极图形以及对准标记点转移到硅片和金属片上，获得热压模具；
(2)采用热压的方法将微通道复制到PMMA基片上，热压温度100℃，压力0.7Mpa，保持时间6min；
(3)采用热压后溅射、套刻和湿法腐蚀在PMMA上获得沉陷微电极：热压温度100℃，压力1.4Mpa，保持时间6min；利用射频溅射台溅射200nm厚的Cu；旋涂光刻胶，利用PMMA和掩膜上的标记点实现对准套刻；在5％(wt)硝酸溶液中刻蚀Cu；采用二次曝光、显影的方法去除Cu微电极表面的光刻胶，获得沉陷的Cu微电极；
(4)利用显微视觉对准带有微通道和微电极的两片PMMA上的标记点，从而有效保障微通道出口与微电极之间的距离，采用热键合的方式将带有微通道和微电极的两片PMMA封接，得到芯片，键合温度100℃，压力0.7Mpa，保持时间10min。
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