CN103076284A - 集成有微流控系统的光学微纳生物传感器的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成有微流控系统的光学微纳生物传感器的制作方法，包括：清洗基片，在基片顶层上通过光刻、显影、刻蚀等步骤制作微纳平面波导型光学器件；在器件表面旋涂厚SU-8胶，通过对准曝光、后烘、显影等步骤得到SU-8胶微流通道；将PDMS薄片覆盖SU8层并永久键合，从而实现了平面波导型微纳光学器件与微流控的集成；通过进液口注入相关试剂，完成对微环区域的化学修饰，再注入待测试剂溶液，通过观察光功率或谐振谱的变化，从而实现了片上生物检测的功能。该方法具有操作简单、可靠性高的优点，适用于大部分的平面波导型微纳光学生物传感器的微流控系统制作。

Description

集成有微流控系统的光学微纳生物传感器的制作方法

技术领域

本发明涉及生物传感器技术领域，特别涉及一种基于倏逝光波检测原理的集成有微流控系统的光学微纳生物传感器的制作方法。

背景技术

生物传感器是一种将生物活性材料与相应换能器的结合体，能将待测物引起的变化转换成物理信号进行表征，实现对生物物质的测定。生物传感器不仅是生物技术领域不可或缺的一种分析方法和检测手段，并且与环境监控、食品卫生、疾病检测、药物研发息息相关。与热/声/电学生物传感器相比，光学生物传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、噪声低等特点，非常具有发展前景。

平面波导型微纳光学生物传感器包含谐振型和非谐振型两种，当波导尺寸和介质中的光波长相当时，光场强度随离表面的距离指数式衰减，称其为消逝场，它是微纳米光波导的一大特点，利用该现象在波导界面处的扰动便能转化成波导模式的有效折射率、相位或振幅等变化。平面波导型生物传感器本质上均是基于这种波导表面消逝场的探测原理，其典型结构包括谐振型和非谐振型生物传感器。

目前平面波导型微纳光学生物传感器采用的微流控技术普遍是将预先制备好的PDMS微流通道直接键合在芯片上，或先将制备好的中间通道层贴合在芯片上，再用PDMS用以封闭通道，采用夹具的方式固定各层以防漏液。这些方法均需要将微流通道和芯片上器件进行准确的对准键合，但是由于微纳光学器件均在亚微米尺寸，所以对准键合操作就十分困难，另外，PDMS对键合时间要求较高，更增大了对准键合难度。而采用旋涂SU-8胶作为中间层，这样就避免了微流通道与芯片器件的手工键合操作。

SU-8是一种负胶，这种光刻胶在生物传感领域尤其是微流控方面应用比较广泛。它具有很多优点：较高的深宽比；厚度范围很宽，可达1～200微米，并且在一定温度下具有很好的化学稳定性。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种集成有微流控系统的光学微纳生物传感器的制作方法，其具有操作简单、可靠性高的优点，适用于大部分的平面波导型微纳光学生物传感器的微流控系统制作。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种集成有微流控系统的光学微纳生物传感器的制作方法，包括：

步骤1：取一基片10，清洗干净，烘干，依次涂粘结剂和光刻胶；

步骤2：在基片10顶层上进行曝光，完成器件图形的定义；

步骤3：对显影后的基片10进行刻蚀，去胶，得到微纳平面波导型光学器件阵列芯片11；

步骤4：对该微纳平面波导型光学器件阵列芯片11进行前烘，并将SU8胶12旋涂在芯片11上，然后前烘；

步骤5：将光刻掩模铬板上的对准标记与芯片11上的对准标记进行对准，然后进行普通光刻，后烘；

步骤6：显影得到对应于微纳光学器件图形的微流通道12，然后坚膜；

步骤7：制作PDMS薄层13；

步骤8：对芯片上的SU-8胶12进行表面处理，对PDMS薄层13的键合面进行等离子体处理；

步骤9：将PDMS薄层13的键合面贴合到SU-8胶12的修饰面，并放置于热板上；

步骤10：对键合好的芯片进行打孔，得到进液口和出液口，这样就得到了集成有微流控系统的光学微纳生物传感器。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种集成有微流控系统的光学微纳生物传感器的制作方法，采用了SU8层作为微流通道的中间层，PDMS薄膜作为密封层。

2、本发明提供的这种集成有微流控系统的光学微纳生物传感器的制作方法，避免了手工进行微流通道与光学器件检测区域的对准，大大简化了操作难度。

3、本发明提供的这种集成有微流控系统的光学微纳生物传感器的制作方法，适用于各种平面波导型微纳光学器件微流控系统的制作。

附图说明

为了更详细的说明本发明的目的和特点以及实施方式，下面结合附图和具体实施例对本发明做一个更详细的描述，其中：

图1为依照本发明实施例的制作集成有微流控系统的光学微纳生物传感器的方法流程图；

图2为依照本发明实施例的基于SU-8胶微流通道的平面波导型生物传感器的制作工艺示意图。

图3为依照本发明实施例制作的集成有微流控系统的光学微纳生物传感器的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1为依照本发明实施例的制作集成有微流控系统的光学微纳生物传感器的方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤1：取一基片10，清洗干净，烘干，依次涂粘结剂和光刻胶；

步骤2：在基片10顶层上进行曝光，完成器件图形的定义；

步骤3：对显影后的基片10进行刻蚀，去胶，得到微纳平面波导型光学器件阵列芯片11；

步骤4：对该微纳平面波导型光学器件阵列芯片11进行前烘，并将SU8胶12旋涂在芯片11上，然后前烘；

步骤5：将光刻掩模铬板上的对准标记与芯片11上的对准标记进行对准，然后进行普通光刻，后烘；

步骤6：显影得到对应于微纳光学器件图形的微流通道12，然后坚膜；

步骤7：制作PDMS薄层13；

步骤8：对芯片上的SU-8胶12进行表面处理，对PDMS薄层13的键合面进行等离子体处理；

步骤9：将PDMS薄层13的键合面贴合到SU-8胶12的修饰面，并放置于热板上；

步骤10：对键合好的芯片进行打孔，得到进液口和出液口，这样就得到了集成有微流控系统的光学微纳生物传感器。通过进液口注入相关试剂，完成对微环区域的化学修饰，再注入待测试剂溶液，通过观察光功率或谐振谱的变化，从而实现了片上生物检测的功能。

其中，所述的微纳平面波导型光学器件阵列芯片11包含线波导、马赫-曾德(M-Z)干涉型、微环谐振腔或微盘谐振腔。制作所述微纳平面波导型光学器件阵列芯片11的方法包括电子束曝光或深紫外光刻。所述的SU-8胶12包含各种型号的SU8胶，例如SU-8210或SU-82035。所述的对准光刻，要保证掩模板通道对准芯片上光学器件的待测区，并且要将器件两端的光栅露出，以便插入光纤进行光的耦合输入和输出。所述的PDMS薄层13是采用道康宁184灌封胶。所述的SU-8胶12表面修饰的方法有：利用APTES进行浸泡或烘焙。所述的等离子体是氧等离子体。所述的热板烘烤温度是70℃至80℃，时间在20分钟至30分钟。

请参阅图2和图3所示，本发明提供的这种基于SU-8微流通道的平面波导型生物传感器的制作方法，其具体工艺如下：

步骤1：取一衬底10，清洗，去除有机和无机杂质，所述衬底10的材料为硅片、SOI片或有机材料衬底；前烘，对衬底10进行真空干燥；

步骤2：旋涂电子束光刻胶，包括PMMA、ZAP和HSQ；通过深紫外曝光或电子束曝光进行微纳器件的图形定义；

步骤3：显影定影后采用ICP等离子体刻蚀技术在基片的顶层上刻蚀出波导器件，包括线波导、马赫-曾德(M-Z)干涉型、微环谐振腔、微盘谐振腔等平面波导型器件；刻蚀完成后，去除光刻胶，清洗得到平面波导型光学器件11；

步骤4：对制作好的芯片先涂HDMS粘结剂，氮气柜中冷却几分钟，再旋涂SU8胶12，转速约1000/分钟，厚度约90μm至130μm，时间约为1分钟。前烘，参数为65℃/1分钟、95℃/70分钟。

步骤5：将掩模板上的对准标记与芯片上的对准标记精确对准，然后紫外曝光；曝光后静置于氮气柜中约15分钟后，放置于热板上后烘20分钟后再显影，后烘温度为60℃或90℃。

步骤6：显影后用氧等离子体打胶机打胶，以去除底部和边缘未显影干净的残胶。

步骤7：坚膜；梯度升温，以增加SU-8胶12和基片10的粘附性。

步骤8：利用道康宁

184的两种组分按照10∶1的比例进行混合，质量取决于所要的PDMS胶13的厚度；然后抽真空，除去气泡；再加热进行固化；加热温度和时间取决于所要得到的PDMS胶13的硬度和强度，一般采用60℃，约1小时。

步骤9：对芯片上的SU8胶层12的上表面进行修饰；利用APTES和乙醇的混合液进行浸泡SU8层12，或利用APTES，在封闭容器中对SU8层12进行气化修饰，目的是在SU-8胶12上表面得到Si-OH键。

步骤10：将揭下的新鲜的PDMS薄膜13的内表面进行氧等离子体处理，时间约15秒至20秒，400W，氧气流量1000mL至1500mL。

步骤11：迅速将PDMS处理面13与修饰过的SU8层12进行快速键合，时间最好控制在30秒内；键合后最好施加一定的外力，有助于增强键合效果。

步骤12：将键合的SU8层12与PDMS薄膜13放置于热板上，温度70℃至90℃，时间为20分钟至40分钟。

步骤13：对键合好的芯片在进液口和出液口位置进行打孔，从而完成了集成有微流控通道的微环谐振腔型生物传感器。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种集成有微流控系统的光学微纳生物传感器的制作方法，包括：

步骤1：取一基片(10)，清洗干净，烘干，依次涂粘结剂和光刻胶；

步骤2：在基片(10)顶层上进行曝光，完成器件图形的定义；

步骤3：对显影后的基片(10)进行刻蚀，去胶，得到微纳平面波导型光学器件阵列芯片(11)；

步骤4：对该微纳平面波导型光学器件阵列芯片(11)进行前烘，并将SU8胶(12)旋涂在芯片(11)上，然后前烘；

步骤5：将光刻掩模铬板上的对准标记与芯片(11)上的对准标记进行对准，然后进行普通光刻，后烘；

步骤6：显影得到对应于微纳光学器件图形的微流通道(12)，然后坚膜；

步骤7：制作PDMS薄层(13)；

步骤8：对芯片上的SU-8胶(12)进行表面处理，对PDMS薄层(13)的键合面进行等离子体处理；

步骤9：将PDMS薄层(13)的键合面贴合到SU-8胶(12)的修饰面，并放置于热板上；

步骤10：对键合好的芯片进行打孔，得到进液口和出液口，这样就得到了集成有微流控系统的光学微纳生物传感器。

2.根据权利要求1所述的集成有微流控系统的光学微纳生物传感器的制作方法，其中所述的微纳平面波导型光学器件阵列芯片(11)包含线波导、马赫-曾德干涉型、微环谐振腔或微盘谐振腔。

3.根据权利要求1所述的集成有微流控系统的光学微纳生物传感器的制作方法，其中制作所述微纳平面波导型光学器件阵列芯片(11)的方法包括：电子束曝光或深紫外光刻。

4.根据权利要求1所述的集成有微流控系统的光学微纳生物传感器的制作方法，其中所述的SU-8胶(12)包含各种型号的SU8胶，至少为SU-8210或SU-82035。

5.根据权利要求1所述的集成有微流控系统的光学微纳生物传感器的制作方法，其中所述的对准光刻，要保证掩模板通道对准芯片上光学器件的待测区，并且要将器件两端的光栅露出，以便插入光纤进行光的耦合输入和输出。

6.根据权利要求1所述的集成有微流控系统的光学微纳生物传感器的制作方法，其中所述的PDMS薄层(13)是采用道康宁184灌封胶。

7.根据权利要求1所述的集成有微流控系统的光学微纳生物传感器的制作方法，其中所述的SU-8胶(12)表面修饰的方法有：利用APTES进行浸泡或烘焙。

8.根据权利要求1所述的集成有微流控系统的光学微纳生物传感器的制作方法，其中所述的等离子体是氧等离子体。

9.根据权利要求1所述的集成有微流控系统的光学微纳生物传感器的制作方法，其中所述的热板烘烤温度是70℃至80℃，时间在20分钟至30分钟。

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