CN102654458B - 波导型表面等离子体共振传感器芯片的制作方法 - Google Patents

波导型表面等离子体共振传感器芯片的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种波导型等离子体共振传感器芯片的制作方法，包括以下步骤：制备带有图案的凸膜及金属墨水；使用纳米压印法将所述凸膜的图案压印到柔性衬底上，使所述柔性衬底上形成与所述图案对应的凹槽；将所述金属墨水在所述凹槽内印刷制膜。本发明方法适用于波导型等离子体共振传感器芯片的制作，且该方法工艺简单，能大面积、大规模、低成本地生产上述传感器芯片，有能力解决传感器芯片的制备需求，很好地满足目前的实际需要。

Description

波导型表面等离子体共振传感器芯片的制作方法
技术领域
本发明涉及传感器制造领域，尤其是指利用纳米压印或印刷技术制作传感器芯片的制作方法。
背景技术
表面等离子体共振传感器就是物理学与生物科学交叉的产物。利用表面等离子共振传感器可以分析多种生物分子间的相互作用，例如: DNA-DNA，抗原与抗体，DNA与Protein等生物分子间的相互作用。表面等离子共振传感器已经成为生命科学研究中十分重要的仪器设备，表面等离子共振传感器系统由芯片、光学系统和信号检测系统共同构成。
波导型的表面等离子共振传感器研究较少，但是波导型表面等离子共振传感器芯片的优势是可以控制光路的传播，很容易和其它芯片系统集成而形成性能和用途广泛的集成芯片系统。而传统的芯片制备方法是基于热沉积工艺，实现高效率的生产较困难。
当需要在实际中短时间内大量利用表面等离子共振传感器的场合，即大规模突发性公共卫生事件发生时，例如：SARS、禽流感和其它传染性疾病时，无论检体是人还是其它动物，检体数量是极其庞大，这时需要表面等离子共振传感器的成本一定要很低，最好是用后即可废弃的类型。要使得表面等离子共振传感器在我国的公共卫生安全和科学研究中发挥效能，需要开发一种可制备大规模、大面积的廉价的表面等离子共振传感器芯片的有效方法。而目前关于表面等离子共振传感器的专利，主要上涉及光学系统或信号检测系统的改进、特定样品(如毒品等)的测定、多样品点的同时测定、表面等离子共振照相技术、传感器系统的小型化等几个方面，如何能在短时间内生产大量表面等离子共振传感器芯片，以满足实际需要，成为人们亟待解决的问题。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供一种传感器芯片的制作方法，可以高效率大面积制作波导型表面等离子体共振传感器芯片。
这种波导型表面等离子体共振传感器芯片的制作方法，包括以下步骤：
Ⅰ、准备带有图案的凸膜、金属墨水、波导墨水；
Ⅱ、使用纳米压印法将所述凸膜的图案压印到柔性衬底上，使所述柔性衬底上形成与所述图案对应的凹槽；
Ⅲ、将所述波导墨水印刷在所述凹槽内，退火处理后形成波导层；
Ⅳ、将所述金属墨水印刷在所述印刷在所述波导层表面，退火处理后形成金属膜。
为配合大规模、大面积制作这种波导型表面等离子体共振传感器芯片，先制备带有图案的凸膜，再通过纳米压印发将所述图案转移到柔性衬底上，在柔性衬底上形成凹槽，凹槽的容积为后续步骤需形成波导层及金属膜的体积，保证了打印过程的墨水体积一定。
其中，波导墨水含有质量分数为10%～25%的波导聚合物；所述波导墨水的粘度为11～15 s，退火处理后制作成波导层厚度为15～30 μm。
所述金属墨水为固含量在10～15%的金属悬浮液。退火处理后制作成金属膜的厚度为30～70 nm。
所述退火处理是波导墨水或金属墨水在90~110℃条件下进行加热烘干，固化后形成波导层（3）或金属层（4）。
为了满足大面积、大规模的制作需要，所述纳米压印法是平面压印法或卷对卷辊筒压印。
所述印刷方法是喷墨印刷、气溶胶喷印或者凹版印刷中的一种。
所述柔性衬底为高折射率的有机聚合物，例如为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚对萘二甲酸乙二醇酯中一种或多种。
所述波导墨水也是一种高折射率材料，包括重氢或卤代聚丙烯酸酯，氟化聚酰亚胺或全氟化环丁基芳基醚中的一种或多种。
填充到柔性衬底上的金属墨水，可以根据实际需要调配，所述金属墨水包含金，银，铜或者铝中至少一种。
有益效果：本发明利用纳米压印技术联合打印技术，能够大面积、大规模、低成本地制作波导型表面等离子共振传感器芯片，有能力解决传感器芯片的制备需求，很好地满足目前的实际需要。
附图说明
图1为本发明实施例1制作设备示意图。
图2为本发明图1中A1结构的放大图。
图3为本发明波导型表面等离子体共振传感器芯片的制作流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作详细说明。
本发明提供表面等离子体共振传感器的制作方法可以大面积、大规模且廉价地制备波导型SPR传感器芯片，下面是具体实施方式。
实施例1
首先，准备带有图案的凸膜、波导墨水和金墨水。其中，波导墨水粘度为11～15s，含有质量分数为10%～25%的波导聚合物，本实施例中波导墨水是质量分数为10%的氟化聚酰亚胺溶液，粘度11s。金墨水为质量分数为10%的金悬浮液。。
第二步，本实施例采用纳米压印法中常用的卷对卷辊筒压印法制作凹槽2。通过纳米压印方法将所述凸膜的图案压印到柔性衬底1上。形成本实施例SPR传感器在柔性衬底1上的凹槽2。该凹槽2的图案与凸膜图案形成互补。
第三步，是波导层3制作工艺。该步骤是在已制备好的凹槽2内部的底表面均匀印刷一层波导材料制作波导层3。具体操作是将已经配置好的氟化聚酰亚胺溶液采用喷墨印刷（ink jet printing）方式精确喷印至凹槽2的底部。
然后将已经喷有波导墨水的柔性衬底1置于110℃条件下进行退火处理，使波导墨水固化后在凹槽2内形成一层均匀的15 μm厚的波导层3（参见图2）。 
第四步，将所述金墨水印刷在所述波导层3表面。本步骤属于金属成膜工艺，是通过喷墨打印的方法在制备好的波导层3表面精确喷印一定量的金墨水。通过90℃退火处理后，如图2所示，由A1处的放大图可知，在波导层3表面形成一层均匀的30 nm厚的金属膜4。
实施例2
本实施例的制作步骤与实施例1不同的在于：第二步采用平面压印法制作凹槽2。且选择聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）作为柔性衬底1材料。
第三步是采用质量分数为12%，粘度为15s的全氟化环丁基（PFCB）芳基醚溶液作为波导墨水的材料，通过凹版印刷方式制作到凹槽2内，形成一层均匀的厚度为20 μm的波导层。
第四步是采用质量分数为13%的铝悬浮液中的一种作为金属墨水印刷制膜。本实施例是采用凹版印刷的方式精确喷印至凹槽2的底部形成一层铝制的厚度为50 nm的金属膜4。
其余制备步骤请参阅实施例1。
实施例3
本实施例的制作步骤与实施例1不同的在于：第二步采用平面压印法制作凹槽2。且选择聚对萘二甲酸乙二醇酯（PEN）作为柔性衬底1材料。第三步是采用质量分数为15%，粘度为13s的卤代聚丙烯酸酯溶液作为波导墨水，通过气溶胶喷印方式制作到凹槽2内，形成一层均匀的厚度为30 μm的波导层。第四步是采用质量分数为15%的铜悬浮液作为金属墨水印刷制膜。本实施例是采用气溶胶喷印的方式精确喷印至凹槽2的底部形成一层铜制的厚度为70 nm金属膜4。
其余制备步骤请参阅实施例1。
在其他实施例中，柔性衬底1的制作材料是一些高折射率有机聚合物，例如聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚对萘二甲酸乙二醇酯中一种或多种。波导层也是由高折射率的有机聚合物组成，加热固化过程控制温度在90~100℃为佳。而印刷成膜的金属墨水除上述实施例中提及的还可以用银墨水。
综上所述，通过上述制备方法，将平面压印法、卷对卷辊筒压印法配合喷墨印刷、气溶胶喷印或者凹版印刷法形成可大规模、底成本生产波导型的SPR传感器芯片的技术，具有广阔的前景。
本发明适用于波导型的SPR传感器芯片，该芯片由柔性衬底1材料作为基底，用纳米压印技术在柔性衬底1上压印出凹槽2结构，并通过印刷成膜技术在凹槽2的底部印刷一层均匀的波导层3、金属膜4，形成波导型SPR传感器芯片。本发明制备方法与现有技术相比，制作面积大、成本低，制备出SPR传感器芯片在多个场合能得到应用。
上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种波导型表面等离子体共振传感器芯片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
Ⅰ、准备带有图案的凸膜、金属墨水、波导墨水；
Ⅱ、使用纳米压印法将所述凸膜的图案压印到柔性衬底（1）上，使所述柔性衬底（1）上形成与所述图案对应的凹槽（2）；
Ⅲ、将所述波导墨水印刷在所述凹槽（2）内，在90~110℃条件下进行加热烘干，固化后形成15μm-30μm之间厚度均匀的波导层（3）；
Ⅳ、将所述金属墨水在所述印刷在所述波导层（3）表面，在90~110℃条件下进行加热烘干，固化后形成金属膜（4）。
2.根据权利要求1所述波导型表面等离子体共振传感器芯片的制作方法，其特征在于，波导墨水含有质量分数为10%～25%的波导聚合物；所述波导墨水的粘度为11～15s。
3.根据权利要求1所述波导型表面等离子体共振传感器芯片的制作方法，其特征在于，所述金属墨水为固含量在10～15%的金属悬浮液。
4.根据权利要求2所述波导型表面等离子体共振传感器芯片的制作方法，其特征在于，所述波导墨水包括重氢或卤代聚丙烯酸酯，氟化聚酰亚胺或全氟化环丁基芳基醚中的一种或多种。
5.根据权利要求1或2或3所述波导型表面等离子体共振传感器芯片的制作方法，其特征在于，所述纳米压印法是平面压印法或卷对卷辊筒压印。
6.根据权利要求1或2或3所述波导型表面等离子体共振传感器芯片的制作方法，其特征在于，所述印刷方法是喷墨印刷、气溶胶喷印或者凹版印刷中的一种。
7.根据权利要求1或2或3述波导型表面等离子体共振传感器芯片的制作方法，其特征在于，所述柔性衬底（1）为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚对萘二甲酸乙二醇酯中一种或多种。
8.根据权利要求1或2或3所述波导型表面等离子体共振传感器芯片的制作方法，其特征在于，所述金属墨水包含金，银，铜或者铝中至少一种。
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