CN107301939B - 负压式介质腔芯片系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负压式介质腔芯片系统，所述系统包括芯片组件，所述芯片组件包括芯片膜层，所述芯片膜层上设置有入口、出口以及与所述入口和所述出口连通的介质腔，所述入口用于向所述介质腔内送入待检测介质，所述介质腔用于容纳所述待检测介质；抽气装置，所述抽气装置设置有抽气口，所述抽气口与所述芯片膜层的所述出口密闭连通，以对所述介质腔抽气，以使得所述介质腔内部形成负压。本发明的负压式介质腔芯片系统，便于对介质腔内的待检测介质实现封装，降低封装制作成本，简化封装工艺步骤，能够实现原位观测液‑液相、固‑液相界面的形貌或/及生化反应性能表征等。

Description

负压式介质腔芯片系统

技术领域

本发明涉及透射电镜用芯片系统技术领域，具体涉及一种负压式介质腔芯片系统。

背景技术

近年来，由于透射电子显微镜(TEM，Transmission Electron Microscope)、扫描电子显微镜(SEM，Scanning Electron Microscope)、光学显微镜、同步辐射等设备得以实现观测高分辨的超细微结构，在材料、物理、化学、生物等众多前沿研究领域中展现其举足轻重的地位。

但是，对于进一步观测纳米级结构的液态形貌与反应变化，在电镜或同步辐射高真空条件下的工作环境显得非常局限，因而大大缩小了应用范围，也限制了人类对于液态细微结构的更进一步了解和认知。

目前，现有技术一中，芯片载体采用将两片氮化硅膜对准盖上，并用树脂将缝隙密封上，使液体处于真空状态。

但是，这种方法具有下述缺陷：

1、操作步骤复杂且容易导致氮化硅膜观测窗口破裂；

2、需要严谨的封装技术，树脂用多了容易污染液体，用少了会影响窗口之间的密封性；

3、需要控制封装液体的量，量大则电子束无法穿透，量小则易挥发；

4、所形成的芯片载体厚度大，与TEM样品杆的样品放置口高度不匹配，难以放入TEM内观测。

5、成品率低，两片氮化硅膜难以对准，成本高。

现有技术二中，芯片载体的上下氮化硅膜均经过设计，下氮化硅膜有凹槽，上氮化硅膜搭扣在上方，上下氮化硅膜中间留有液体腔空间，并用树脂将上下氮化硅膜缝隙密封。

但是，其还存在难以封装液体，将上氮化硅膜盖下时会挤出大量液体，故无法确定是否将液体成功封装进入液体腔内、生产成本高、芯片结构复杂。

因此，如何设计一种容易封装的芯片系统成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种负压式介质腔芯片系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种负压式介质腔芯片系统，所述系统包括：

芯片组件，所述芯片组件包括芯片膜层，所述芯片膜层上设置有入口、出口以及与所述入口和所述出口连通的介质腔，所述入口用于向所述介质腔内送入待检测介质，所述介质腔用于容纳所述待检测介质；

抽气装置，所述抽气装置设置有抽气口，所述抽气口与所述芯片膜层的所述出口密闭连通，以对所述介质腔抽气，以使得所述介质腔内部形成负压。

优选地，所述芯片膜层包括层叠设置的第一芯片膜层和第二芯片膜层，所述第一芯片膜层的背离所述第二芯片膜层的一侧设置有所述入口和所述出口，所述第二芯片膜层的朝向所述第一芯片膜层的一侧设置有收容槽，所述收容槽形成所述介质腔，所述第一芯片膜层和所述第二芯片膜层密封连接。

优选地，所述第一芯片膜层的背离所述第二芯片膜层的一侧还设置有第一观察窗，所述第二芯片膜层的背离所述第一芯片膜层的一侧还设置有第二观察窗，所述第一观察窗和所述第二观察窗对应设置；其中，

当所述负压式介质腔芯片系统用于透射模式时，利用所述第一观察窗和所述第二观察窗观测所述介质腔内的待检测介质的状态；

当所述负压式介质腔芯片系统用于非透射模式时，利用所述第一观察窗和所述第二观察窗中的一者观测所述介质腔内的待检测介质的状态。

优选地，所述第一芯片膜层的朝向所述第二芯片膜层的一侧还设置有放置槽，所述第二芯片膜层的尺寸与所述放置槽的尺寸相适配，所述第二芯片膜层安装在所述第一芯片膜层的所述放置槽内，以使得所述第一观察窗和所述第二观察窗对齐。

优选地，所述芯片组件还包括间隔层，所述间隔层设置在所述第二芯片膜层上，且所述金属间隔层环设在所述收容槽的周侧。

优选地，所述间隔层的材料包括铁、铝、铜、钛、镍、锌、锡、铅、铬、锰、锆、钒、钴、钼、钨、金、银、钯和铂中的至少一者。

优选地，所述芯片膜层的材料包括硅、氮化硅、氧化硅和石墨烯中的至少一者。

优选地，所述抽气装置包括底座和与所述底座连接的抽气组件；

所述底座包括底座本体，所述底座本体上设置有容纳槽以及两个相对间隔设置的固定部，所述芯片组件设置在所述容纳槽中；

所述抽气组件包括抽气接头、抽气件和密封件，所述抽气接头包括第一连接部和与所述第一连接部连接的第二连接部，所述第二连接部设置在所述两个固定部的间隔中，以使得所述抽气组件固定设置在所述底座上；所述第一连接部上设置有所述抽气口，且所述抽气口贯穿所述第一连接部，所述抽气口的一端与所述芯片组件上的出口通过所述密封件密闭连通，所述抽气口的另一端与所述抽气件密闭连通。

优选地，每一个所述固定部上设置有向远离另一个所述固定部方向凹陷的凹槽，所述第一连接部插置在两个所述凹槽内。

优选地，所述抽气件包括第一管道和与所述第一管道连通的第二管道，所述第一管道的直径小于所述第二管道的直径，所述第一管道的入口与所述抽气口的另一端密闭连通，所述第一管道的出口与所述第二管道的入口连通，所述第二管道内部设置有活塞件以及与所述活塞件固定连接的抽气杆，所述抽气杆带动所述活塞移动，以使得所述介质腔内部形成负压。

本发明的负压式介质腔芯片系统，其中的芯片组件中的芯片膜层上设置有入口、出口以及与所述入口和所述出口连通的介质腔，其中的抽气装置设置有抽气口，所述抽气口与所述芯片膜层的所述出口密闭连通，以对所述介质腔抽气，以使得所述介质腔内部形成负压，实现对介质腔内的待检测介质负压密封。因此，本发明的负压式介质腔芯片系统，便于对介质腔内的待检测介质实现封装，降低封装制作成本，简化封装工艺步骤，能够实现原位观测液-液相、固-液相界面的形貌或/及生化反应性能表征等。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明第一实施例中芯片组件的结构示意图；

图2为本发明第二实施例中抽气装置中的底座的结构示意图；

图3为本发明第三实施例中抽气装置中的抽气组件的结构示意图；

图4为本发明第四实施例中负压式介质腔芯片系统的结构示意图。

附图标记说明

100：负压式介质腔芯片系统；

110：芯片组件；

111：芯片膜层；

111a：第一芯片膜层；

111a1：入口；

111a2：出口；

111a3：第一观察窗；

111a4：放置槽；

111b：第二芯片膜层；

111b1：介质腔；

111b2：第二观察窗；

112：间隔层；

120：抽气装置；

121：底座；

121a：底座本体；

121b：容纳槽；

121c：固定部；

121c1：凹槽；

122：抽气组件；

122a：抽气口；

122b：抽气接头；

122b1：第一连接部；

122b2：第二连接部；

122c：抽气件；

122c1：第一管道；

122c2：第二管道；

122c3：抽气杆；

122d：密封件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

参考图1、图2、图3和图4，本发明涉及一种负压式介质腔芯片系统100。其中，所述负压式介质腔芯片系统100包括：

芯片组件110，所述芯片组件110包括芯片膜层111，所述芯片膜层111上设置有入口111a1、出口111a2以及与所述入口111a1和所述出口111a2连通的介质腔111b1，所述入口111a1用于向所述介质腔111b1内送入待检测介质(图中并未示出)。所述介质腔111b1用于容纳所述待检测介质。

所述负压式介质腔芯片系统100还包括抽气装置120。其中，所述抽气装置120设置有抽气口122a，所述抽气口122a与所述芯片膜层111的所述出口111a2密闭连通，以对所述介质腔111b1抽气，以使得所述介质腔111b1内部形成负压。

外界待检测介质(待检测样品)通过入口111a1进入到介质腔111b1，之后利用抽气装置120对所述介质腔111b1内部进行抽气，以实现对所述介质腔111b1内部的待检测介质实现负压封装密封。

需要说明的是，对于抽气装置120的具体结构并没有作出限定，例如，该抽气装置120可以包括一个抽气泵(图中并未示出)和与该抽气泵连通的抽气管道(图中并未示出)，该抽气管道的入口连通所述芯片膜层111的出口111a2，以利用所述抽气泵对所述芯片膜层111的介质腔111b1内部实现负压式密封。当然，抽气装置120还可以是其他能够实现抽气的结构，在此不作限定。

本实施例结构的负压式介质腔芯片系统100，其中的芯片组件110中的芯片膜层111上设置有入口111a1、出口111a2以及与所述入口111a1和所述出口111a2连通的介质腔111b1，其中的抽气装置120设置有抽气口122a，所述抽气口122a与所述芯片膜层111的所述出口111a2连通，以对所述介质腔111b1抽气，以使得所述介质腔111b1内部形成负压，实现对介质腔111b1内的待检测介质负压密封。因此，本实施例结构的负压式介质腔芯片系统100，便于对介质腔111b1内的待检测介质实现封装，降低封装制作成本，简化封装工艺步骤，能够实现原位观测液-液相、固-液相界面的形貌或/及生化反应性能表征等。

优选地，如图1所示，为了简化上述芯片膜层111的制作工艺。所述芯片膜层111包括层叠设置的第一芯片膜层111a和第二芯片膜层111b，所述第一芯片膜层111a的背离所述第二芯片膜层111b的一侧设置有所述入口111a1和所述出口111a2，也就是说，如图1所示，所述第一芯片膜层111a的顶部设置有所述入口111a1和所述出口111a2。所述第二芯片膜层111b的朝向所述第一芯片膜层111a的一侧设置有收容槽，也就是说，如图1所示，所述第二芯片膜层111b的顶部设置有所述收容槽，该收容槽形成所述介质腔111b1，所述第一芯片膜层111a和所述第二芯片膜层111b密封连接。

也就是说，该结构的负压式介质腔芯片系统100，其中的芯片组件110中的芯片膜层111可以分别进行加工制作。例如，对于第一芯片膜层111a上的入口111a1和出口111a2的结构，可以在该第一芯片膜层111a上涂覆光刻胶层(图中并未示出)，根据预先设计的掩模板(图中并未示出)，该掩模板上具有与所述入口111a1和所述出口111a2的形状相匹配的图案，利用掩模板对光刻胶层进行曝光和显影，以在光刻胶层上形成所需要的图案(也就是掩模板上的图形，其与所述入口111a1和所述出口111a2的形状相匹配)，最后以光刻胶层为掩模，在第一芯片膜层111a上刻蚀出所需要的图形，例如，所述第一芯片膜层111a上的入口111a1和所述出口111a2的形状。相应地，第二芯片膜层111b上所设置的介质腔111b1，也可以通过类似方法进行制作，在此并不作赘述。当然，第一芯片膜层111a和第二芯片膜层111b还可以采用其他的刻蚀方法进行刻蚀。

优选地，如图1所示，所述第一芯片膜层111a的背离所述第二芯片膜层111b的一侧还设置有第一观察窗111a3，所述第二芯片膜层111b的背离所述第一芯片膜层111a的一侧还设置有第二观察窗111b2，所述第一观察窗111a3和所述第二观察窗111b2对应设置；其中，

当所述负压式介质腔芯片系统100用于透射模式时，可以分别利用所述第一观察窗111a3和所述第二观察窗111b2观测所述介质腔111b1内的待检测介质的状态；

当所述负压式介质腔芯片系统100用于非透射模式时，可以利用所述第一观察窗111a3和所述第二观察窗111b2中的一者观测所述介质腔111b1内的待检测介质的状态。显然，第一观察窗111a3和第二观察窗111b2应当采用透明的材料所制作形成，另外，为了简化芯片组件100的制作工艺，该第一观察窗111a3可以由第一芯片膜层111a经过减薄工艺处理所形成，相应地，第二观察窗111b2也可以由第二芯片膜层111b经过减薄工艺处理所形成。

需要说明的是，上述透射模式可以包括透射电镜(TEM)、同步辐射、光学显微镜背光模式等。上述非透射模式可以包括扫描电子显微镜(SEM)的背散射式二次电子模式或光学显微镜的顶光源观测模式等。

优选地，如图1所示，为了便于使得第一观察窗111a3和第二观察窗111b2能够精确对准，所述第一芯片膜层111a的朝向所述第二芯片膜层111b的一侧还设置有放置槽111a4，所述第二芯片膜层111b的尺寸与所述放置槽111a4的尺寸相适配，所述第二芯片膜层111b安装在所述第一芯片膜层111a的所述放置槽111a4内，以使得所述第一观察窗111a3和所述第二观察窗111b2对齐。

本实施例结构的负压式介质腔芯片系统100，在组装该结构的芯片组件110时，可以将第二芯片膜层111b直接安装在第一芯片膜层111a的放置槽111a4内，此时，可以使得第一观察窗111a3和第二观察窗111b2恰好能够精确对准，同时，在所述第一芯片膜层111a和所述第二芯片膜层111b对准盖好后两个观察窗之间还不容易移动，便于封胶，另外这样的设计能够大大降低芯片膜层111整体的厚度。

优选地，如图1所示，所述芯片组件110还包括金属间隔层112。其中，所述金属间隔层112设置在所述第二芯片膜层111b上，且所述金属间隔层112环设在所述收容槽的周侧。

需要说明的是，对于金属间隔层112的制作材料并没有作出限定，例如，其可以包括铁、铝、铜、钛、镍、锌、锡、铅、铬、锰、锆、钒、钴、钼、钨、金、银、钯、铂、钽等金属材料制作形成。

可替代地，金属间隔层112也可以不通过沉积金属材料形成，而是由第二芯片膜层111b直接刻蚀形成。

优选地，所述芯片膜层111的材料还可以是硅、氧化硅或石墨烯。

优选地，如图2、图3和图4所示，所述抽气装置120包括底座121和与所述底座121连接的抽气组件122，所述芯片组件110设置在所述底座121上，所述抽气组件122设置有所述抽气口122a。

具体地，所述底座121包括底座本体121a，所述底座本体121a上设置有容纳槽121b以及两个相对间隔设置的固定部121c，所述芯片组件110设置在所述容纳槽121b中。

具体地，上述抽气组件122包括抽气接头122b、抽气件122c和密封件122d，所述抽气接头122b包括第一连接部122b1和与所述第一连接部122b1连接的第二连接部122b2，所述第二连接部122b2设置在所述两个固定部121c的间隔中，以使得所述抽气组件122固定设置在所述底座121上；所述第一连接部122b1上设置有所述抽气口122a，且所述抽气口122a贯穿所述第一连接部122b1，所述抽气口122a的一端与所述芯片组件110上的出口111a2通过所述密封件122d(该密封件122d可以为橡胶圈，当然，其还可以是其他结构的密封件)密闭连通，所述抽气口122a的另一端与所述抽气件122c密闭连通。

为了使得所述抽气组件122与所述底座121更稳固地连接，优选地，如图2所示，每一个所述固定部121c上设置有向远离另一个所述固定部121c方向凹陷的凹槽121c1，所述第二连接部122b2插置在两个所述凹槽121c1内。

作为上述抽气件122c的一种具体结构，优选地，如图3所示，所述抽气件122c包括第一管道122c1和与所述第一管道122c1连通的第二管道122c2，所述第一管道122c1的直径小于所述第二管道122c2的直径，所述第一管道122c1的入口与所述抽气口122a的另一端密闭连通，所述第一管道122c1的出口与所述第二管道122c2的入口连通，所述第二管道122c2内部设置有活塞件(图中并未示出)以及与所述活塞件固定连接的抽气杆122c3，所述抽气杆122c3带动所述活塞件移动，以使得所述介质腔111b1内部形成负压。

对于负压式介质腔芯片系统100各结构的尺寸并没有限定。例如，其中的芯片组件110的整体厚度可以为5-1000μm，整体宽度可以为0.1-10mm。其中，入口111a1的最大宽度可以为2-1000μm，第一观察窗111a3和第二观察窗111b2的最大宽度可以为1-1000μm，介质腔111b1的宽度可以为1-5000μm(垂直于图1纸面向里的宽度)，其厚度可以为1-3000nm。金属间隔层112的宽度(垂直于图1纸面向里的宽度)可以为1-5000μm。

对于抽气装置120部分的尺寸，其中，底座121部分的尺寸，例如，底座本体121a的宽度可以为0.5～10cm。容纳槽121b的宽度可以为1-10mm，深度可以为5～1000μm。固定部121c的高度可以为0.5～5cm，长度可以为0.1～3cm，宽度可以为0.1～3cm，凹槽121c1的长度可以为0.05～2.5cm，宽度可以为0.05～2.5cm。另外，对于抽气组件122的尺寸，其中，第一连接部122b1的长度可以为0.1～3cm，宽度可以为0.05～2.5cm，高度可以为0.5～5cm，第二连接部122b2的长度可以为0.01～2.5cm，第二连接部122b2的宽度可以为0.01～2.5cm，高度可以为0.5～5cm。另外，对于抽气口122a，其形状可以是圆形、椭圆形、方形等。为了保持密封，在抽气口122a处还可以设置有上述的密封件122d，其直径可以为0.01～1cm。第一管道122c1和第二管道122c2的长度可以为1～100cm，其材质可以为金属，橡胶，塑料等。

下面结合图1至图4对本发明的负压式介质腔芯片系统100的具体封装方法作具体说明：

将第一芯片膜层111a与第二芯片膜层111b对准，也就是说，将第二芯片膜层111b放置在第一芯片膜层111a的放置槽111a4内，用树脂密封，且还能够使得第一观察窗111a3和第二观察窗111b2精确对准。两片芯片膜层对准盖好后不易移动，便于封胶，另外这样的设计大大降低了芯片膜层111整体的厚度。然后放入抽气装置120的底座121中的容纳槽121b中，将抽气组件122的抽气接头122b固定设置在所述底座121中的两个固定部121c的间隔中，使得抽气接头122b中的抽气口122a与芯片组件110中的出口111a2密闭连通。待检测介质(例如，待检测液体)滴在所述芯片组件110的入口111a1中，将抽气件122c上部按压稳定后开始提拉抽气杆122c3，使得活塞件向上移动，形成内部负压，待检测液滴随着内部负压向介质腔111b1流动，肉眼通过两个观察窗观察到待检测液滴明显变小后停止提拉，将芯片膜层111上的残余液滴擦去后，迅速在入口111a1和出口111a2分别滴胶封实，待胶水晾干，即可安装在透射电镜样品杆上的原位液体样品室送入透射电镜的真空系统中对液体样品进行观察。

因此，本发明的芯片组件110，相比之前的芯片结构，结构更加简单，工艺流程简化，生产成本更低，生产效率更高，装样成功率更高，装样结果可直接监控，芯片组件110的整体厚度更薄，适用的TEM型号更多，使用更加方便。另外，本发明的芯片组件110的封装方法，操作简便，不用人为控制液体的量，整体厚度薄，成功率高，肉眼即可识别有无成功装样。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种负压式介质腔芯片系统，其特征在于，所述系统包括：

芯片组件，所述芯片组件包括芯片膜层，所述芯片膜层上设置有入口、出口以及与所述入口和所述出口连通的介质腔，所述入口用于向所述介质腔内送入待检测介质，所述介质腔用于容纳所述待检测介质；

抽气装置，所述抽气装置设置有抽气口，所述抽气口与所述芯片膜层的所述出口密闭连通，以对所述介质腔抽气，以使得所述介质腔内部形成负压；

所述芯片膜层包括层叠设置的第一芯片膜层和第二芯片膜层，所述第一芯片膜层的背离所述第二芯片膜层的一侧设置有所述入口和所述出口，所述第二芯片膜层的朝向所述第一芯片膜层的一侧设置有收容槽，所述收容槽形成所述介质腔，所述第一芯片膜层和所述第二芯片膜层密封连接；

所述第一芯片膜层的朝向所述第二芯片膜层的一侧还设置有放置槽，所述第二芯片膜层的尺寸与所述放置槽的尺寸相适配，所述第二芯片膜层安装在所述第一芯片膜层的所述放置槽内；

所述入口、出口和介质腔均刻蚀形成。

2.根据权利要求1所述的负压式介质腔芯片系统，其特征在于，所述第一芯片膜层的背离所述第二芯片膜层的一侧还设置有第一观察窗，所述第二芯片膜层的背离所述第一芯片膜层的一侧还设置有第二观察窗，所述第一观察窗和所述第二观察窗对应设置；其中，

当所述负压式介质腔芯片系统用于透射模式时，利用所述第一观察窗和所述第二观察窗观测所述介质腔内的待检测介质的状态；

当所述负压式介质腔芯片系统用于非透射模式时，利用所述第一观察窗和所述第二观察窗中的一者观测所述介质腔内的待检测介质的状态。

3.根据权利要求1所述的负压式介质腔芯片系统，其特征在于，所述芯片组件还包括间隔层，所述间隔层设置在所述第二芯片膜层上，且所述间隔层环设在所述收容槽的周侧。

4.根据权利要求3所述的负压式介质腔芯片系统，其特征在于，所述间隔层的材料包括铁、铝、铜、钛、镍、锌、锡、铅、铬、锰、锆、钒、钴、钼、钨、金、银、钯和铂中的至少一者。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的负压式介质腔芯片系统，其特征在于，所述芯片膜层的材料包括硅、氮化硅、氧化硅和石墨烯中的至少一者。

6.根据权利要求1至4任意一项所述的负压式介质腔芯片系统，其特征在于，所述抽气装置包括底座和与所述底座连接的抽气组件；

所述底座包括底座本体，所述底座本体上设置有容纳槽以及两个相对间隔设置的固定部，所述芯片组件设置在所述容纳槽中；

所述抽气组件包括抽气接头、抽气件和密封件，所述抽气接头包括第一连接部和与所述第一连接部连接的第二连接部，所述第二连接部设置在所述两个固定部的间隔中，以使得所述抽气组件固定设置在所述底座上；所述第一连接部上设置有所述抽气口，且所述抽气口贯穿所述第一连接部，所述抽气口的一端与所述芯片组件上的出口通过所述密封件密闭连通，所述抽气口的另一端与所述抽气件密闭连通。

7.根据权利要求6所述的负压式介质腔芯片系统，其特征在于，每一个所述固定部上设置有向远离另一个所述固定部方向凹陷的凹槽，所述第二连接部插置在两个所述凹槽内。

8.根据权利要求6所述的负压式介质腔芯片系统，其特征在于，所述抽气件包括第一管道和与所述第一管道连通的第二管道，所述第一管道的直径小于所述第二管道的直径，所述第一管道的入口与所述抽气口的另一端密闭连通，所述第一管道的出口与所述第二管道的入口连通，所述第二管道内部设置有活塞件以及与所述活塞件固定连接的抽气杆，所述抽气杆带动所述活塞移动，以使得所述介质腔内部形成负压。

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