CN104162458A - 一种用于流体检测的微流体器件及制备该微流体器件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于流体检测的微流体器件，该微流体器件包括基材及由上至下依次沉积在该基材上的第三沉淀材料及第四沉淀材料，且该微流体器件上设置有一个或多个检测单元，该微流体器件的一面具有一个或多个凹槽，且在该凹槽内设置有一个或多个贯穿该微流体器件的微流通道。

Description

一种用于流体检测的微流体器件及制备该微流体器件的方法

技术领域

本发明涉及一种用于流体检测的微流体器件及制备该微流体器件的方法。

背景技术

目前，大多数的微流控器件是利用石英，玻璃或高分子聚合物制作的，基本结构如图所示，其中1为器件上供流体流过的主通道，2和3为主通道的出口（入口）或入口（出口），这类器件中，流体只能沿着器件的平面流动，无法沿着垂直于器件平面的方向流动。

同时，CN101708439及CN 101256145中，也公开了一种具有垂直流道的器件结构，然而这些垂直通道均未能达到贯穿整个器件的效果。造成这个问题的原因是，传统的器件制备过程中，玻璃或石英材料硬度大，熔点高且价格相对较高，特别是，由于采用传统的刻蚀方法，即采用单一的干法刻蚀或湿法刻蚀或者以其中一种为主一种为辅的方法，刻蚀较困难，因此很难形成较深的通道，无法形成穿通结构。高分子聚合物器件的制作工艺包括热压法、模塑法、注塑法、激光烧蚀法，这些工艺很难加工出小尺寸的微细结构。

总之，现有工艺很难加工出理想的微细结构，无法在器件表面形成多层材料的堆叠结构（这些结构能够扩展器件的功能），流体只能沿着器件的平面流动，无法沿着垂直于器件平面的方向（或与器件平面法线成一定角度）流动况且加工效率低，成本高，工艺重复性和一致性差，很难批量生产。

因此，亟待一种相较传统刻蚀方法，更新型的穿通刻蚀方法，通过该方法，可以形成一种新型结构的器件结构，即具有贯穿整个器件的微流通道的器件结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的穿通刻蚀方法,能在器件上形成更深的微流通道。本发明的另一目的在于提供一种具有贯穿整个器件的微流通道的器件结构。

本发明所提供的微流体器件的方法，包括如下步骤：

步骤一：向基材表面由上至下依次沉积第一沉淀材料及第二沉淀材料；

步骤二：利用光刻或蚀刻工艺分别图形化该第一沉淀材料，及第二沉淀材料，暴露出该基材；

步骤三：利用光刻或蚀刻工艺图形化该基材，形成一条或多条凹槽；

步骤四：利用蚀刻工艺去除基材上的该第一沉淀材料及第二沉淀材料；

步骤五：向基材表面由上至下依次沉积第三沉淀材料及第四沉淀材料；

步骤六：利用光刻或蚀刻工艺分别图形化该第三沉淀材料，及第四沉淀材料，暴露出该凹槽的至少一部分，形成暴露部分；

步骤七：利用穿通刻蚀工艺，在该暴露部分形成一穿透该基材的一个或多个微流通道。

优选地，上述第一，第二，第三，第四沉淀材料选自光刻胶，二氧化硅，氮化硅，氮氧化硅，金属膜中的一种或多种，上述基材材料选自硅、锗、砷化镓、陶瓷、玻璃、高分子聚合材料中的一种或多种。

优选地，穿通刻蚀工艺选自干法刻蚀，湿法刻蚀，激光烧蚀中的一种和多种。最优选地，穿通刻蚀工艺为先进行干法刻蚀再进行超声波或兆声波增强的湿法刻蚀或先进行超声波或兆声波增强的湿法刻蚀再干法刻蚀，即干法刻蚀及超声波或兆声波增强的湿法刻蚀相结合的方法。

上述激光烧蚀的条件为：选用多频段脉冲激光刻蚀系统，激光波长220-550nm，脉宽1-25ns，脉冲能量连续可调50-800mJ；该干法刻蚀的条件为：离子反应室内压力大于40mtorr，刻蚀气体流量400-900sccm,RF能量1-9Kw，时间10-50min，其中刻蚀气体包括CF4，CHF3，HBr，SF6等；所述湿法刻蚀的条件：采用强酸或强碱缓冲腐蚀液，其中腐蚀液包括酸、碱缓或酸碱缓冲液，如盐酸，硫酸，硝酸，磷酸，氢氟酸，冰乙酸，氢氧化钠，氢氧化钾，氟化铵等；温度20-75℃，时间20-300min，腐蚀过程引入超声波或兆声波辅助。

本发明的另一方面在于提供一种用于流体检测的微流体器件，该微流体器件包括基材及由上至下依次沉积在该基材上的第三沉淀材料及第四沉淀材料，且该微流体器件上设置有一个或多个检测单元，该微流体器件的一面具有一个或多个凹槽，且在该凹槽内设置有一个或多个贯穿该微流体器件的微流通道。

优选地，该微流体器件进一步包括连接流道，该凹槽之间通过该连接流道连通。

优选地，该微流体器件进一步包括一平板结构，用于覆盖该凹槽。

优选地，该基材材料选自硅、锗、砷化镓、陶瓷、玻璃、高分子聚合材料中的一种或多种，该第三，第四沉淀材料选自光刻胶，二氧化硅，氮化硅，氮氧化硅，金属膜中的一种或多种。

采用本发明所提供的穿通刻蚀工艺，不同于传统的刻蚀方法（即采用单一的干法刻蚀或湿法刻蚀或者以其中一种为主另一种辅的刻蚀方法）本发明中两种刻蚀并重并且将超声波或兆声波引入湿法刻蚀并和干法刻蚀相结合，增强刻蚀速率，达到刻蚀厚材料至穿通的效果。采用本发明的刻蚀工艺，可将器件特定区域刻蚀出镂空的孔洞，从而使本发明的器件上具有各种微细结构，能够形成多种薄膜材料的堆叠，能够和集成电路工艺兼容可以大批量产，该器件即具有凹槽可供横向流通，又具有微流通道可以实现纵向流通，且凹槽间具有连接通道，实现了凹槽间的流通，这样有利于器件的封装和集成，特别是器件的倒装和堆叠，能够组建功能强大的分析检测系统，能够更好的用于生化分析和疾病检测，能够大大提高分析检测的效率、灵敏度和特异性。

附图说明

图1为现有技术中器件的结构示意图；

图2a为本发明器件结构一优选实施例的结构示意图；

图2b为本发明器件结构一优选实施例的结构示意图；

图2c为本发明器件结构一优选实施例的结构示意图；

图3为图2a中器件结构的横截面示意图；

图4a-4f为制备本发明器件的流程图。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。

参阅图2a及图3，为本发明器件结构一优选实施例的结构示意图，该器件201包括基材208及由上至下依次沉积在该基材上的第三沉淀材料206及第四沉淀材料207，且该微流体器件上设置有三个检测单元202a,202b,202c，该微流体器件的一面具有一个凹槽203，该凹槽203为一通槽结构，贯穿器件201的上下两端，且在该凹槽内设置有一个贯穿该微流体器件的微流通道204。其中，流体的流动方式如图2a中箭头所示方向，流体流入凹槽203中，经过微流通道204时，部分流体流入微流通道204，部分则继续沿着凹槽203流动。

其中，该第三，第四沉淀材料206及207选自光刻胶，二氧化硅，氮化硅，氮氧化硅，金属膜中的一种或多种。优选地，该基材208的材料选自硅、锗、砷化镓、陶瓷、玻璃、高分子聚合材料中的一种或多种。

其中，检测单元202b可为流体表面电荷检测单元或流体表面张力检测单元等这些需接触流体才能进行检测的检测单元，而检测单元202a及202c则可为流体热学检测单元或流体辐射性能检测单元这些不需接触流体也可进行检测的检测单元。本领域技术人员可轻易理解的是，本发明中的器件，可通过任意设置不同功能的检测单元，从而检测流过的流体的各种性质包括但不仅限于电学，磁学，电磁学，热学，光学，光电学，声学，生物学，化学，机电学，电化学，电光学，电学，电化学机械，生物化学，生物力学，生物电磁学，生物光学，生物热学，生物物理学，生物电力学，生物电化学，生物电光学，生物电热学，生物机械光学，生物热力学，生物热光学，生物电化学光学，生物机电光学，生物电热光学，生物电化力学，物理学或力学性质，或它们的组合。

其中，本领域技术人员也可轻易理解的是，如器件201中包括复数个凹槽203，且为了实现凹槽203的连通，可设置一个或多个连接流道（图中未示出）。

参阅图2b,为本发明器件结构另一优选实施例的结构示意图，该器件201中，设有凹槽203，且区别与图2a中的器件结构，该凹槽203并非为通槽结构，并不贯穿器件201的上下两端，在该凹槽203中，设置有两个贯穿该微流体器件的微流通道204。其中，流体的流动方式如图2b中箭头所示方向，流体通过其中一个微流通道204流入凹槽203中，随后，部分流体通过另一微流通道204流出器件201。

且优选地，如图2c所示，微流体器件进一步包括一平板结构205，用于覆盖凹槽203。其中流体的流动方式如图2c中箭头所示方向，通过微型泵等驱动装置，流体通过其中一个微流通道204流入凹槽203中，随后，部分流体通过另一微流通道204流出器件201。通过添加平板结构205，一方面可以用于封闭通道，另一方面，通过该平板结构，可以作为一扩展平台，扩展器件的功能，例如该器件可以为一电路板结构，该电路板上包括各种电路（微传感器，逻辑电路、通讯电路、I/O口等），可以扩展检测功能，又例如，该平板也可以是一个图像传感器（CMOS或CIS），能够实时观测通道内。该平板结构的材料可以是导体材料、半导体材料、陶瓷、玻璃、聚合物等，平板可以透明或不透明的，平板和器件的组合方法包括但不仅限于物理学，化学，生物学方法。

参阅图4可为制备本发明器件的流程图，本发明所提供的微流体器件的方法，包括如下步骤：

步骤一：如图4a所示，向基材208表面由上至下依次沉积第一沉淀材料209及第二沉淀材料210；

步骤二：如图4b及4c所示，利用光刻或蚀刻工艺分别图形化该第一沉淀材料209，及第二沉淀材料210，暴露出该基材208的表面；

步骤三：如图4d所示，利用光刻或蚀刻工艺图形化该基材，形成一条凹槽203；

步骤四：利用蚀刻工艺去除基材上的该第一沉淀材料及第二沉淀材料（图中未示出）；

步骤五及六：如图4e所示，向基材208表面由上至下依次沉积第三沉淀材料206及第四沉淀材料207；利用光刻或蚀刻工艺分别图形化该第三沉淀材料206，及第四沉淀材料207，暴露出该凹槽203的至少一部分，形成暴露部分211；

步骤七：如图4f所示,利用穿通刻蚀工艺，在该暴露部分211形成一穿透该基材的一个微流通道204。

优选地，上述第一，第二，第三，第四沉淀材料选自光刻胶，二氧化硅，氮化硅，氮氧化硅，金属膜中的一种或多种，上述基材材料选自硅、锗、砷化镓、陶瓷、玻璃、高分子聚合材料中的一种或多种。

优选地，穿通刻蚀工艺选自干法刻蚀，湿法刻蚀，激光烧蚀中的一种和多种。最优选地，穿通刻蚀工艺为先进行干法刻蚀再进行超声波或兆声波增强的湿法刻蚀或先进行超声波或兆声波增强的湿法刻蚀再干法刻蚀，即干法刻蚀及超声波或兆声波增强的湿法刻蚀相结合的方法。

上述激光烧蚀的条件为：选用多频段脉冲激光刻蚀系统，激光波长220-550nm，脉宽1-25ns，脉冲能量连续可调50-800mJ；该干法刻蚀的条件为：离子反应室内压力大于40mtorr，刻蚀气体流量400-900sccm,RF能量1-9Kw，时间10-50min；所述湿法刻蚀的条件：采用强酸或强碱缓冲腐蚀液，温度20-75℃，时间20-300min，腐蚀过程引入超声波或兆声波辅助，其中辅助使用的超声波频率范围通常为15至200KH。辅助使用的兆声波频率范围通常为800至1000KHz。

一般来说，光刻是一种对衬底及衬底上所淀积材料进行图形化的一种工艺技术，包括衬底清洗烘干、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘等工序，各工序参数范围是：涂胶机转速500-5000r/min；软烘1-40min，50-90℃；曝光时间3s-60s；后烘，50-90℃，显影20s-25min；硬烘，70-140℃，10-60min。刻蚀是利用腐蚀性液体或等离子体去除特定材料的部分或全部的一种工艺，其中腐蚀液包括酸、碱缓或酸碱缓冲液，如盐酸，硫酸，硝酸，磷酸，氢氟酸，冰乙酸，氢氧化钠，氢氧化钾，氟化铵等；用于产生等离子体的气体包括CF4，CHF3，HBr，SF6等。

本领域技术人员可以轻易理解的是，前述光刻或蚀刻工艺为本领域常见的制备工艺，具体包括衬底清洗烘干、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、湿法腐蚀、干法刻蚀、去胶等工序。采用的条件也为现有技术中常见的工艺条件，例如:涂胶机转速500-5000r/min；软烘1-40min，50-90℃；曝光时间3s-60s；后烘，50-90℃，显影20s-25min；硬烘，70-140℃，10-60min。

采用本发明所提供的穿通刻蚀工艺，可将器件特定区域刻蚀出镂空的孔洞，从而使本发明的器件上具有各种微细结构，能够形成多种薄膜材料的堆叠，能够和集成电路工艺兼容可以大批量产，该器件即具有凹槽可供横向流通，又具有微流通道可以实现纵向流通，且凹槽间具有连接通道，实现了凹槽间的流通，这样有利于器件的封装和集成，特别是器件的倒装和堆叠，能够组建功能强大的分析检测系统，能够更好的用于生化分析和疾病检测，能够大大提高分析检测的效率、灵敏度和特异性。

应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种用于流体检测的微流体器件，所述微流体器件包括基材及由上至下依次沉积在所述基材上的第三沉淀材料及第四沉淀材料，且所述微流体器件上设置有一个或多个检测单元，其特征在于，所述微流体器件的一面具有一个或多个凹槽，且在所述凹槽内设置有一个或多个贯穿所述微流体器件的微流通道。

2.如权利要求1所述的微流体器件，其特征在于，所述微流体器件进一步包括连接流道，所述凹槽之间通过所述连接流道连通。

3.如权利要求1所述的微流体器件，其特征在于，所述微流体器件进一步包括一平板结构，用于覆盖所述凹槽。

4.如权利要求1所述的微流体器件，其特征在于，所述基材材料选自硅、锗、砷化镓、陶瓷、玻璃、高分子聚合材料中的一种或多种，所述第三，第四沉淀材料选自光刻胶，二氧化硅，氮化硅，氮氧化硅，金属膜中的一种或多种。

5.一种制备如权利要求1所述的微流体器件的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤一：向基材表面由上至下依次沉积第一沉淀材料及第二沉淀材料；

步骤二：利用光刻或蚀刻工艺分别图形化所述第一沉淀材料，及第二沉淀材料，暴露出所述基材；

步骤三：利用光刻或蚀刻工艺图形化所述基材，形成一条或多条凹槽；

步骤四：利用蚀刻工艺去除基材上的所述第一沉淀材料及第二沉淀材料；

步骤五：向基材表面由上至下依次沉积第三沉淀材料及第四沉淀材料；

步骤六：利用光刻或蚀刻工艺分别图形化所述第三沉淀材料，及第四沉淀材料，暴露出所述凹槽的至少一部分，形成暴露部分；

步骤七：利用穿通刻蚀工艺，在所述暴露部分形成一穿透所述基材的一个或多个微流通道。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一，第二，第三，第四沉淀材料选自光刻胶，二氧化硅，氮化硅，氮氧化硅，金属膜中的一种或多种，所述基材材料选自硅、锗、砷化镓、陶瓷、玻璃、高分子聚合材料中的一种或多种。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述穿通刻蚀工艺选自干法刻蚀，湿法刻蚀，激光烧蚀中的一种和多种。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述穿通刻蚀工艺为先进行干法刻蚀再进行超声波或兆声波增强湿法刻蚀或先进行超声波或兆声波增强湿法刻蚀再干法刻蚀。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述激光烧蚀的条件为：选用多频段脉冲激光刻蚀系统，激光波长220-550nm，脉宽1-25ns，脉冲能量连续可调50-800mJ；所述干法刻蚀的条件为：离子反应室内压力大于40mtorr，刻蚀气体流量400-900sccm,RF能量1-9Kw，时间10-50min；所述湿法刻蚀的条件：采用强酸或强碱缓冲腐蚀液，温度20-75℃，时间20-300min，腐蚀过程引入超声波或兆声波辅助。