CN102654459A - 一种表面等离子体共振传感器芯片的制作方法 - Google Patents

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潘革波
李岩
肖燕
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Abstract

本发明提供一种表面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。本发明方法适用于棱镜型和光栅型表面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

一种表面等离子体共振传感器芯片的制作方法
技术领域
本发明涉及传感器芯片制备技术，尤其涉及一种采用纳米压印与打印技术相结合制备等离子共振传感器芯片。
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。利用表面等离子体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。表面等离子体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，表面等离子体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。如附图1是棱镜型表面共振传感器(Prism coupler)。
表面等离子体共振传感器芯片传统的制备方法是基于热沉积工艺完成的，棱镜型表面等离子体共振传感器是当今应用的主流，其结构一般包含折射率高的Pyrex玻璃基板、Cr层和50纳米厚金薄膜。
当需要在实际中短时间内大量利用表面等离子体共振传感器的场合，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体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。要使得表面等离子体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体共振传感器芯片的有效方法。而目前关于表面等离子体共振传感器的专利，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、表面等离子体共振照相技术、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体共振传感器芯片，以满足实际需要，成为人们亟待解决的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种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、制备带有图案的凸膜及金属墨水；
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、将所述金属墨水印刷到在所述凹槽内，退火后形成厚度均匀的金属膜；
为配合大规模、大面积制作这种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金属膜的体积，保证了打印过程的墨水体积一定。
填充到柔性衬底上的金属墨水，为固含量在10～15%的金属悬浮液，经过烘干工序后形成金属膜。
其中，所述金属膜是金属墨水在110~115℃条件下进行加热烘干，固化后形成的。
所述纳米压印法是平面压印法或卷对卷辊筒压印。
另外，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。
所述柔性衬底是一种高折射率的有机聚合物材料，例如可以是聚酰亚胺、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。
其中，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、低成本地制作棱镜型或光栅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的制作设备示意图。
图2为本发明图1中A1结构的放大图。
图3为本发明图1中A1另一结构的放大图。
图4为本发明表面等离子共振传感器芯片的制备流程图。
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棱镜型、光栅型的SPR传感器芯片，下面是具体实施方式。
实施例1
参见图1、图2，首先，准备带有图案的凸膜及金墨水。其中，本实施例的金属墨水为固含量为10%的纳米金悬浮液。
而凸膜是通过光刻技术、磁控溅射和金属离子沉积等方法形成具有特定图案的金属板，用于后续的压印步骤，金属板的图案转移至柔性衬底1上。
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，如图2所示，先将上述凸膜以及金墨水装填到相应设备中，选择聚酰亚胺（PI）作为柔性衬底1材料，通过纳米压印的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，将所述金墨水在所述凹槽2内印刷制膜。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凹槽2内精确填充一定量的金墨水。通过退火处理，即在110℃条件下进行加热烘干并固化，如图2所示，由A1处的放大图可知，在凹槽2底部表面形成一层均匀的金（Au）制的金属膜3。所述金属膜3的厚度为50 nm。
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。
第三步是采用为固含量为12%的纳米铝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填充至凹槽2的底部形成一层铝制的金属膜3，金属膜3的厚度为30 nm。
其他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。
第三步是采用为固含量为15%的纳米铜悬浮液作为金属墨水印刷制膜。本实施例是采用凹版印刷的方式使凹槽2底部形成一层铜制的金属膜3，金属膜3的厚度为45 nm。
其他制备步骤请参阅实施例1。
实施例4
本实施例的制作步骤与实施例1不同的在于：第一步凸膜的制备。本实施例中在光刻胶上刻蚀出凹槽4（参考图3）图案的同时，还需要在凹槽4图案底部刻蚀具有周期性的条形沟槽微结构。第二步骤中这样制作出的凸膜也具有这种周期性结构的图案。最后通过纳米印刷法印刷形成在凹槽4中的金属膜5，其底部具有周期性的图案。具体结构参见图3，A1处的放大图。
其他制备步骤参见实施例1。
这种凸膜通过纳米压印方法在柔性衬底1上压印出图案，形成与所述凸膜图案互补的凹槽4。在该凹槽4内部底面具有周期性的图案，待金属墨水印刷成膜后形成光栅型的SPR传感器芯片。
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。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。为适用于通过印刷的方法填充这些金属墨水并形成金属膜，本方法采用固含量为10~15%的金属悬浮液形成金属墨水。
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、低成本生产棱镜型或光栅型的SPR传感器芯片的技术，具有广阔的前景。
本发明适用于棱镜型或光栅型的SPR传感器芯片，该芯片由柔性衬底材料作为基底，用纳米压印技术在柔性衬底上压印出凹槽结构，并通过印刷成膜技术在凹槽的底部印刷一层均匀的金属膜，从而形成光栅型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 (7)

1.一种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、制备带有图案的凸膜及金属墨水；
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、将所述金属墨水印刷到所述凹槽（2）内，退火后形成金属膜（3）。
2.根据权利要求1所述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。
3.根据权利要求2所述表面等离子体共振传感器芯片的制作方法，其特征在于，所述金属膜（3）是金属墨水在110~115℃条件下进行加热烘干，固化后形成的。
4.根据权利要求1或2所述表面等离子体共振传感器芯片的制作方，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。
5.根据权利要求1或2所述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。
6.根据权利要求1或2所述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。
7.根据权利要求1或2所述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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