CN102430512A

CN102430512A - Mems玻璃球面超声换能器片上集成系统及其制备方法

Info

Publication number: CN102430512A
Application number: CN2011103006966A
Authority: CN
Inventors: 尚金堂; 罗新虎; 秦顺金
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: CN102430512B

Abstract

本发明公开一种集成球面玻璃腔聚焦超声发射器的微流道网格片上实验系统的制备方法，其特征在于以下步骤：第一步，利用热成型方法制备球形玻璃微腔或圆柱形微流道，第二步，在制备的球形玻璃微腔或圆柱形微流道上集成金属条带等振动激励源，第三步，在集成了激励源的玻璃微流道网格集成片上实验系统中放置生物细胞或分子，第四步，利用该集成片上实验系统对生物细胞或分子进行处理。本发明基于玻璃球腔自身在外加电激励或电磁激励的条件下，产生频率在20kHz~1MHz的谐振。该谐振频率频段为超声频段，可以用超声波产生的空化效应应用于生物或者化学领域的微处理，例如细胞破碎、DNA打断等。

Description

MEMS玻璃球面超声换能器片上集成系统及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种微流控技术，具体涉及一种MEMS玻璃球面超声换能器片上集成系统及其制备方法。

背景技术

21世纪是生物科技将要高度发展的一个世纪，生物分析与检测技术经过多年的实践，已经逐步发展成熟。而生物分析与检测过程中单分子或细胞检测实验中的样品由于分子大小的不同，需要在不同的条件和设备中进行预处理、破碎、分离、反应、分析和检测等。如果能将整个实验过程的各个步骤进行集成化，将大大提高生物实验的效率和实验产物的产率，并同时提高了实验的精确性。

高强度聚焦超声（High intensity focused ultrasound简称 HIFU）技术起源于 20 世纪 40 年代，是通过一定的方式使超声波透过体表后聚集在病灶组织上，经过细胞与超声的相互作用，在病灶组织内产生不可逆转的凝固性坏死，从而达到治疗目的。该技术以其无创、无害、安全、有效等优势得到了国内外许多学者、医生及广大患者的重视和关注。目前，HIFU 技术已在泌尿学、肿瘤学、神经外科、妇科、眼科等医学领域中被广泛应用和推广。

HIFU 技术的核心器件是超声聚焦换能器，它的任务是将电信号转换为超声波信号，并通过一定的方式使超声能量高度集中在病灶部位，形成很高的聚焦超声能量以达到消除病灶的目的。HIFU 技术的应用对象是有生命的活体，治疗过程中要利用高强度超声能量消除病灶，但更重要的是要保证治疗对象的安全性，所以实现超声能量精准聚焦即超声换能器的聚焦特性是 HIFU 技术治疗的关键。

在高强度超声技术中多采用凹球面自聚焦、声透镜聚焦和电子相控阵等方式聚焦。凹球面自聚焦换能器的优点是可以根据病灶的不同深度进行调整，工作时一般采用机械扫描方式，是一种简单而常被采用的聚焦换能器。

现有技术的问题在于，通常需要将流体从微流控系统中取出，再到体积笨拙的超声系统中进行超声处理，因此效率较低，难以实现片上集成。

发明内容

本发明提供一种结构简单、紧凑、成本低的MEMS玻璃球面超声换能器片上集成系统及其制备方法，采用该方法可以产生聚焦超声，对生物细胞或分子破碎和打断处理，并对处理的样品可以进行分离、反应、检测等，是集成了多种尺寸的生物细胞或分子的多种处理手段的片上实验系统。

本发明的技术方案是：

一种集成球面玻璃腔聚焦超声发射器的微流道网格片上实验系统的制备方法，其步骤包括：

第一步，利用微加工工艺在衬底圆片（5）上刻蚀特定的浅腔和流道图形，微腔与微流道相连，微腔图形为方形或圆形图案，尺寸比依据制备需求而调整。第二步，在特定的微腔内放置足量的高温释气剂（6）。第三步，将上述衬底圆片与Pyrex7740玻璃圆片（7）在空气中或者真空中阳极键合，使其形成密闭的腔体。第四步，取键合好的原片，在Pyrex7740玻璃原片上特定腔上方区域溅射Cr、Cu、Au三层结构的金属图形（2）。第五步，将上述键合好的圆片在空气中加热至850℃~880℃，维持数分钟，高温释气剂受热分解产生大量气体并通过流道和浅腔传输到各个微腔内，密封腔体内的正压力使得密封腔体对应的熔融玻璃呈圆形球腔与圆柱形流道，溅射在玻璃上的金属经过玻璃的热膨胀变形会有一定的形状变化，然后将原片冷却至常温，退火。第六步，将制备的原片特定位置进行打孔，便于注入样品和必要的反应溶液。第七步，在溅射了金属条的玻璃腔加以恒定的磁场，并对金属条通以一定频率的交变电流，使金属条上产生周期变化的洛伦兹力，从而激发玻璃腔的谐振，使其产生频率在20kHz~1MHz的超声波，利用不同频率的超声波，可以对不同尺寸的生物分子或细胞进行破碎或打断处理。

本发明获得如下技术效果：

1. 本发明基于传统MEMS加工工艺，首先在硅或者石英或者因瓦合金或者科瓦合金中的一种上加工欲成型的微腔和微流道浅腔结构，在特定的浅腔内注入高温释气剂，利用用阳极键合工艺将Pyrex7740玻璃与刻蚀浅腔的衬底圆片键合，然后加热至温度高于玻璃软化点，释放出的气体通过微流道传输到各个微腔中，腔内外压力差使得熔融玻璃形成玻璃球形微腔或玻璃微流道。根据制备微腔和微流道的要求，调整微腔和微流道的尺寸比，当微腔和微流道尺寸接近时，热成型时微腔和微流道所受的表面张力接近，成型高度接近，当微腔尺寸远大于微流道时，热成型时玻璃微流道所受的表面张力远大于微腔，玻璃微流道很难成型圆柱形微流道，此时硅上微流道仅起导通气体的作用。采用高温释气剂释提供气源用于成型玻璃球形微腔和玻璃微流道，具有成本低，方法简单，成型高度高，球形度好的特点。现有技术刻蚀深宽比较大的深腔需要采用干法工艺，花费大量的时间，通常需要几十个小时，工艺成本也较高。高温释气剂通常都有残留物，由于气体的运动，少量会粘附在玻璃管壁上，污染了微腔。本发明采用局部填充高温释气剂，高温成型过后，通过划片工艺可以将污染的区域去除。本发明的优势就在于借助高温释气剂来产生高压，同时又避免残留物对MEMS微流道的污染。通过该工艺成型的玻璃谐振腔半径为0.05mm-20mm，微腔的厚度为0.005mm-0.2mm。

2. 本发明基于玻璃球腔自身在外加电激励或电磁激励的条件下，产生频率在20kHz~1MHz的谐振。该谐振频率频段为超声频段，可以用超声波产生的空化效应应用于生物或者化学领域的微处理，例如细胞破碎、DNA打断等。由于该超声波由玻璃谐振腔自身振动产生，并且产生的超声频率可以根据玻璃球腔的尺寸以及球形度等参数进行控制。该玻璃谐振腔产生的由于其良好的球形对称结构，使球腔内超声波的辐射声场的焦域可控，从而能对产生的超声波的声强（功率密度）进行控制，而无需利用其他超声聚焦系统进行超声聚焦就可获得所需声强的聚焦超声场分布。另外，球形玻璃谐振腔在控制聚焦超声的同时，还可同时衬底上的浅腔形状，使其便于超声进行反射，最大限度提高了球形玻璃谐振腔内的超声能量，减少了能量损耗，大大提升了该聚焦产生系统的能量利用率，避免了功率放大电路的设计。

3. 本发明在集成玻璃谐振腔的同时，还可集成处理生物分子或者细胞的其他反应腔室，从而形成预处理-反应-检测为一体的微流道网格片上实验系统。集成的微流道网格系统以各个玻璃球腔为主体，各腔体之间以玻璃微流道相连通，集成系统中的介质为水或其他流体介质。每个玻璃球腔可根据应用需要设计各种形状如“T”、“Y”等形状的入口，便于进行液相-液相或者液相-气相等多种相混合环境下的生物或化学反应，并根据需要在反应中可以对样品进行超声处理。集成的微流道网格由于其材质是Pyrex7740玻璃，对波长范围在300nm~2000nm的可见光透光率高达90%，而且球腔的球面结构便于光线聚焦，因此整个片上系统十分易于进行观察或对产物进行荧光定量检测等。

4. 本发明施加的激励源可以为电激励源或者电磁激励源。可以在谐振腔体表面溅射金属条带，金属条的宽度为100-400微米，呈迂回形，迂回长度为100-400微米，迂回金属条间距为100-400微米。该金属条能与玻璃腔牢固粘合。通过对金属条带的形状控制，可以在利用热成型方法制备玻璃球腔的过程中使金属条带不因热膨胀而出现断裂的现象。在溅射了金属条带的玻璃球腔出加以垂直于金属条带的恒定磁场，并对金属条带通以一定频率的交变电流，使金属条带上产生不同周期内方向相反的洛伦兹力，从而带动玻璃球腔的谐振。该玻璃球腔激励源的施加方法，与热成型玻璃球腔的制备工艺相结合，避免了传统球面聚焦超声系统在球壳内壁集成振动阵列等方法，工艺简便易行。

5. 通常阳极键合的温度为400摄氏度，因而其标准温度为673K，成型温度为850摄氏度左右，标准温度为1123K左右，根据PV=nRT和表面张力产生的附加压强的影响，根据现有技术，如果气体的量不变，膨胀后的体积不足原来的两倍，由此可见需要刻蚀较深的腔。而本发明通过引入高温释气剂有效的解决了这一问题，避免了刻蚀高深宽比的腔所带来的工艺复杂和高能高成本的问题，而且方法简单，可靠。由于采用的为高温释气剂，因此放气过程可控(通过调节温度和温度维持时间)。

6. 本发明采用在衬底上刻蚀浅腔，其成本更低。现有技术需要刻蚀深宽比较高的较深的硅腔以提供足够的气体。湿法腐蚀工艺难以获得较大的深宽比。在刻蚀较深的微腔时，其成本较高，耗时较长且深腔会产生穿孔现象。但是湿法工艺成本较低，工艺比较成熟，在刻蚀浅腔方面具有低成本、高效率的优势。本发明不需要较大的深宽比，也不需要大的深度，因此采用湿法工艺即可降低成本、提高效率。

7. 本发明选用氢化钛粉末，并对氢化钛粉末在空气中400摄氏度下进行预处理。通常氢化钛粉末的热分解温度为400摄氏度，在空气中进行所述的热处理后，氢化钛粉末的表面形成了致密的二氧化钛，在温度未达到分解玻璃融化温度之前，延缓了氢化钛的分解，从而避免了密闭腔内的压力过大。

8. 阳极键合具有键合强度高，密闭性好的特点，本发明采用阳极键合形成密闭空腔，在第四步的加热过程中不易发生泄漏而导致成型失败。在温度400℃，电压直流600V的键合条件下，阳极键合能够达到更好的密封效果。

9. 采用的退火工艺可以有效的消除Pyrex7740玻璃承受高温正压成型过程中形成的应力，从而使其强度韧性更高。在该条件下退火，既能有效退去应力，还能够使得微流道腔的形状基本无改变。

10. 本发明制备与Si的热膨胀系数相当的Pyrex7740玻璃作为玻璃微流道结构，在制备微腔时不容易使键合好的圆片因热失配产生损坏。

附图说明

图1为带聚焦超声谐振器的微流道网格片上系统结构示意图

图2为球形玻璃微腔（谐振腔）热成型后横向截面示意图

图3为玻璃谐振腔本征频率与谐振腔半径关系曲线图。

具体实施方式

实施例1

一种集成球面玻璃腔聚焦超声发射器的微流道网格片上实验系统的制备方法，包括以下步骤：

第一步，采用干湿氧结合的方法在单面抛光的硅圆片上氧化5000A的氧化层，抛光面旋涂AZ P4620光刻胶，曝光显影去除需要刻蚀微腔表面的光刻胶。利用Si微加工工艺在4英寸Si圆片上刻蚀微腔和微流道浅腔，微流道将浅腔连接起来，所用硅片可以是标准厚度的硅片，厚度为500微米，所述浅腔的深度为60～100微米，微腔为1000微米~5000微米宽的方形或圆形腔，微流道腔为口径为50微米的条形腔，腔长5毫米，连接相邻两个微腔方形腔，所述Si圆片上图案结构的微加工工艺为湿法腐蚀工艺，所用的腐蚀液为TMAH溶液，浓度为25%，温度为90摄氏度，刻蚀时间为1.5～2.5h

第二步，在数个微腔浅腔中放置适量的高温释气剂氢化钛，可以用粒度较小的化学纯(质量百分比浓度为99%)，颗粒直径为5～10微米，根据圆片微腔总体积和成型温度下高温释气剂氢化钛分解速率为参考，内置氢化钛质量为250微克，满足圆片50个微腔所需的成型体积（氢化钛在400摄氏度下空气中进行预处理，处理时间为24小时）。

第三步，将上述Si圆片与Pyrex7740玻璃圆片(一种硼硅玻璃的品牌，美国康宁-corning公司生产，其尺寸与Si圆片相同)在0.5Pa下阳极键合，使Pyrex7740玻璃上的上述浅腔形成密封腔体，键合表面在键合前应该保持高度清洁和极小的表面粗糙度，以满足常规键合的要求，按照阳极键合或其他键合的工艺要求进行常规清洗和抛光，所述的阳极键合工艺条件为：温度400℃，电压：600V。反应腔室气密性良好，便于进行生化实验。同时，制备微流道集成反应系统的透明性好，对可见光的透光度高达90%，便于进行反应后的产物定量检测和分析。

第四步，在键合圆片上方特定区域溅射Cr-Cu-Au三层结构的金属条带，其中Cr作为金属粘附层，Cu为主要的导电金属层，Au增加了该金属结构的延展性。Cr-Cu-Au三层结构的金属，在保证了金属条带导电性的同时，还克服了因为热塑性拉伸时金属因为拉伸而可能产生断裂的情况。在Cr-Cu-Au三层结构的金属中，Cr约为0.05微米，Cu约为0.6微米，Au约为0.4微米。

第五步，将上述键合好的圆片在一个大气压下加热至850℃~880℃，在该温度下保温3~5min，高温释气剂快速热分解，气体扩散至整个密封系统，各微腔内部压强平衡，压腔内外压力差使软化后的玻璃形成与上述微腔图案结构相应的结构，微腔尺寸相同，成型时相应的玻璃微腔成型是受的表面张力相同，成型的玻璃微腔尺寸基本相同，而微流道尺寸和微腔尺寸相差40倍，表面张力相差40倍，由于表面张力的影响，相同的内压，微流道成型高度将相当低。冷却到常温25℃，得到圆片级球形微腔，再将圆片置入退火炉，560℃保温30min，然后缓慢风冷至常温(譬如25℃)，常压(一个大气压)下退火消除应力。

第六步，在溅射了金属条带的玻璃球腔出加以垂直于金属条带的恒定磁场，并对金属条带通以一定频率的交变电流，使金属条带上产生不同周期内方向相反的洛伦兹力，从而带动玻璃球腔的谐振。球面玻璃腔聚焦超声发射器的谐振频率可根据玻璃微腔的尺寸进行调节，调节范围为20kHz~1MHz。

第七步，利用球形玻璃腔的谐振，球面玻璃腔聚焦超声发射器的谐振频率可根据玻璃微腔的尺寸进行调节，调节范围为20kHz~1MHz。利用不同频率的超声波，球面玻璃腔聚焦超声发射器的焦域能量密度为0.35W/cm2~0.5W/cm2,能在液体中产生空化效应。将注入球形玻璃腔内的不同尺寸的生物细胞或分子，例如DNA片段进行破碎或打断处理。该系统中进行前期处理和产物检测的生物细胞或分子的大小可以根据所需要的破碎频率或反应腔室大小进行调整，从而实现多种尺寸生物细胞或分子集成片上实验系统的功能。

实施例2

第二步，在数个浅腔中放置适量的高温释气剂氢化钛，可以用粒度较小的化学纯(质量百分比浓度为99%)，颗粒直径为5～10微米，根据圆片微腔总体积和成型温度下高温释气剂氢化钛分解速率为参考，内置氢化钛质量为250微克，满足圆片50个微腔所需的成型体积（氢化钛在400摄氏度下空气中进行预处理，处理时间为24小时）。

第三步，在特定的浅腔内沉积多晶硅薄膜或压电陶瓷薄膜，薄膜厚度为2微米~10微米。利用加载在薄膜上的交变电压，可以使薄膜产生激振，从而带动球形玻璃腔的谐振，产生频率在20kHz~1MHz的超声波。

第四步，将上述Si圆片与Pyrex7740玻璃圆片(一种硼硅玻璃的品牌，美国康宁-corning公司生产，其尺寸与Si圆片相同)在0.5Pa下阳极键合，使Pyrex7740玻璃上的上述浅腔形成密封腔体，键合表面在键合前应该保持高度清洁和极小的表面粗糙度，以满足常规键合的要求，按照阳极键合或其他键合的工艺要求进行常规清洗和抛光，所述的阳极键合工艺条件为：温度400℃，电压：600V。反应腔室气密性良好，便于进行生化实验。同时，制备微流道集成反应系统的透明性好，对可见光的透光度高达90%，便于进行反应后的产物定量检测和分析。

第六步，在沉积了压电薄膜材料的球形玻璃腔内，给压电薄膜材料通以一定频率的交变电压，使压电材料产生激振，从而带动玻璃球腔的谐振。球面玻璃腔聚焦超声发射器的谐振频率可根据玻璃微腔的尺寸进行调节，调节范围为20kHz~1MHz。

Claims

1.一种玻璃球面MEMS超声换能器片上集成系统，其特征在于包括玻璃微流道系统（1）和超声激励源（2），所述玻璃微流道系统（1）是在玻璃圆片（7）上形成的，由圆柱形玻璃微流道(3)及与之相连通的球形玻璃微腔(4)以及衬底(5)构成，在玻璃微流道系统内充满流体介质，超声激励源（2）设于球形玻璃微腔的壁上，球形玻璃微腔在超声激励源的激励下产生共振并发出超声波，并在球面中心进行自聚焦。

2.根据权利要求1所述的MEMS玻璃球面超声换能器片上集成系统，其特征在于所述的玻璃为硼硅玻璃，衬底为硅或者石英或者因瓦合金或者科瓦合金中的一种。

3.根据权利要求1所述的MEMS玻璃球面超声换能器片上集成系统，其特征在于所述超声激励源为处于磁场中的一条通入交变电流的金属条，金属条被设于球形玻璃微腔的壁上并与其牢固粘接，交变电流的频率为超声频率。

4.根据权利要求1所述的MEMS玻璃球面超声换能器片上集成系统，其特征在于球形玻璃微腔的半径为0.05mm-20mm。

5.一种根据权利要求1所述的MEMS玻璃球面超声换能器片上集成系统的制备方法，其特征在于包括以下步骤：首先，在衬底圆片上制作模板浅槽，模板浅槽包括微流道浅槽及与相连接的圆形浅槽；然后，在所述模板浅槽内放置高温释气剂粉末(6)；再用所述玻璃圆片与衬底圆片键合使得所述模板浅槽密封；在所述键合后的玻璃圆片表面上与圆形浅槽对应位置制作粘附于玻璃圆片的金属条，再将键合后的圆片加热至玻璃软化点以上的温度，高温释气剂释放出气体使得软化后的玻璃成型成带有金属条的玻璃微流道系统，金属条处于磁场中并通入交变电流，交变电流的频率为能与所制述球形玻璃微腔产生共振的超声频率，在玻璃微流道系统内通入流体介质，即获得所述MEMS玻璃球面超声换能器片上集成系统。

6.根据权利要求5所述的MEMS玻璃球面超声换能器片上集成系统，其特征在于所述玻璃为硼硅玻璃，所述衬底为硅，所述键合为阳极键合，条件为：温度400摄氏度，电压600伏特。

7.根据权利要求5所述的MEMS玻璃球面超声换能器片上集成系统，其特征在于球形玻璃微腔的半径为0.05mm-20mm，微腔的厚度为0.005mm-0.2mm。

8.根据权利要求5所述的MEMS玻璃球面超声换能器片上集成系统的制备方法，其特征在于金属条从玻璃表面向外依次是铬、铜、金，铬厚度为0.05-0.8微米，铜厚度为0.7-5微米，金厚度为0.2-0.6微米。

9.根据权利要求5或6所述的MEMS玻璃球面超声换能器片上集成系统的制备方法，其特征在于金属条的宽度为100-400微米，呈迂回形，迂回长度为100-400微米，迂回金属条间距为100-400微米。

10.根据权利要求5所述的MEMS玻璃球面超声换能器片上集成系统的制备方法，其特征在于流体介质为水。

11.根据权利要求5所述的MEMS玻璃球面超声换能器片上集成系统的制备方法，其特征在于在球形玻璃微腔内放置DNA或者细胞样品。