CN107377023B - 一种可控温微流控芯片的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种可控温微流控芯片的制作方法，其特征在于：在微流控芯片上平面印制热电半导体控温线路，芯片包括至少一个反应沟槽区和至少一个控温线路区：在反应沟槽区的一面加工有用于反应的沟槽，另一面反应沟槽背面印制感温探头；在控温线路区芯片两面分别印制N型和P型热电材料的线路层，利用镀铜通孔形成N‑P‑N‑P…的交替串联线路结构，接通电源实现对反应沟槽区制冷和加热。本发明的优点在于：可以直接对微流控芯片沟槽反应器区位精确控温，温度控制精度高，升降温速度快，适合高通量生物检测，以及多温度区段的复杂微反应过程研究。

Description

一种可控温微流控芯片的制作方法
技术领域
本发明涉及一种可控温微流控芯片的制作方法，属于电子器件及微纳加工领域。
背景技术
微流控芯片是指在厘米见方的芯片上构建的化学或者生物实验室。可将基本操作集成到很小的芯片上，由微通道形成网络控制流体贯穿系统，实现化学合成、生物检测等功能。微流控芯片的主要特征是容纳流体的有效结构(通道、反应室等)至少在一个维度上是微米级或者纳米级。在化学反应或者生物检测过程中，通常需要对反应过程精确控温，例如，基因测序PCR检测过程中需要在95℃，65℃，4℃等温度之间循环保温操作，对于芯片的快速精确升降温控制是高通量检测的必要保证。传统上采用的温度台，整体升温过程较容易快速控制，但降温过程需要等待较长时间，且由于各种操作单元的电控系统产生热量，工作中也需要对芯片即时进行散热冷却操作。
热电材料是一种在固体状态下通过自身的载流子(空穴或电子)的传输实现热能与电能相互转换的材料。采用热电材料制作的半导体片具有体积小、无振动、无噪音、无污染、无磨损、无运动部件、免维护、无污染等特点，可以直接用电流方向实现制冷或者加热的作用，非常适合作为各类微流控芯片的控温部件。目前需要低温操作的微流控芯片通常采用商用的半导体制冷片放在芯片下方进行冷却操作，受到半导体制冷片封装瓷片以及微流控芯片材质本身传热能力限制，控温效果，尤其是高通量检测过程中快速升降温的能力还存在较大瓶颈。专利(CN105914189A)公开了一种微流控芯片散热装置，采用半导体制冷片和装有液态金属导热介质的腔体相结合的方式提升制冷效率，但器件结构复杂，也违背热电半导体材料全固态制冷的设计初衷，再次提升维护难度。
另外，由于在微小芯片上实现化学或者生物过程的多单元操作，不同单元往往有不同温度需求，现有半导体片和微流控芯片的简单叠加无法实现针对每个区域的精确控温。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种可控温微流控芯片的制作方法，其特征在于：在微流控芯片上平面印制热电半导体控温线路，芯片包括至少一个反应沟槽区和至少一个控温线路区：
在反应沟槽区的一面加工用于反应的沟槽，另一面反应沟槽背面印制感温探头；
在控温线路区芯片两面分别印制N型和P型热电材料的线路层，在线路靠近反应沟槽区的一端和远离反应沟槽区的一端分别各钻一排通孔，在通孔中镀金属，两面的线路层通过两端镀有金属的通孔连接成N-P-N-P…的交替串联线路结构，实现当靠近反应沟槽区的通孔中的电流由N型半导体线路流入，向P型半导体线路流出时，对反应沟槽区制冷；当电流反接时，对反应沟槽区加热；
感温探头和控温线路外接温度控制器，对探头处反应沟槽进行控温；
所述感温探头包括印制热电偶、印制NTC热敏电阻中的一种；
将多个可控温微流控芯片粘结形成多层结构，反应沟槽通过钻通孔形成立体反应器网络，同时控温线路通过钻通孔并在孔中镀金属联结多个芯片上的线路，获得更高的加热或冷却控温效率。
所述微流控芯片的基板为硬质绝缘片状材质，包括陶瓷基板、硅片、石英基板、玻璃基板、硬质聚合物中的一种。
所述反应沟槽加工方式包括激光烧蚀、化学刻蚀、掩膜光刻、热模压、3D打印中的一种。
所述P型热电材料的室温电导率＞100S/cm，功率因子＞30μWm-1K-2，N型热电材料的室温电导率＞100S/cm，功率因子＞30μWm-1K-2，线路制成方式包括丝网印刷、掩膜真空蒸镀、掩膜磁控溅射、原子层外延镀膜、喷墨打印中的一种。
所述热电材料包括(Bi，Sb)2(Se，Te)3及其元素掺杂固溶体、(Pb，Sn)(Se，Te)及其元素掺杂固溶体、方钴矿化合物、津特尔相金属间化合物及其元素掺杂固溶体中的一种。
所述通孔中镀有金属，工艺方式为电镀，所述金属包括铜、银、金中的一种，通孔中金属镀层分别与基板两面的N型热电线路与P型热电线路连接导通。
本发明的优点在于：可以直接对微流控芯片沟槽反应器区位精确控温，温度控制精度高，升降温速度快，适合高通量生物检测，以及多温度区段的复杂微反应过程研究。
本发明的内容和特点已揭示如上，然而前面叙述的本发明仅仅简要地或只涉及本发明的特定部分，本发明的特征可能比在此公开的内容涉及的更多。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应该包括在不同部分中所体现的所有内容的组合，以及各种不背离本发明的替换和修饰，并为本发明的权利要求书所涵盖。
附图说明
图1采用本发明制作的一种可控温微流控芯片平面结构示意图。A-控温线路区；B-反应沟槽区；1-基板；2-正面N型热电材料线路；3-背面P型热电材料线路；4-通孔，通孔上镀有金属；5-微流控沟槽；6-沟槽背面温度传感器。
图2采用本发明制作的一种可控温微流控芯片控温线路区通孔处截面结构示意图。1-基板；2-正面N型热电材料线路；3-背面P型热电材料线路；4-通孔，通孔上镀有金属。
图3采用本发明制作的一种可控温微流控芯片反应沟槽区沟槽截面结构示意图。1-基板；5-微流控沟槽；6-沟槽背面温度传感器。
图4采用本发明制作的一种可控温微流控芯片平面结构示意图。A-控温线路区；B-反应沟槽区；1-基板；2-正面N型热电材料线路；3-背面P型热电材料线路；4-通孔，通孔上镀有金属；5-微流控沟槽；6-沟槽背面温度传感器。
图5采用本发明制作的一种可控温微流控芯片平面结构示意图。A1、A2、A3、A4-控温线路区；B1、B2-微流控沟槽；C-反应槽；A1和A2控温线路对B1微流控沟槽控温，A3控温线路对C反应槽控温、A4控温线路对B2微流控沟槽控温。
图6采用本发明制作的一种可控温微流控芯片平面结构示意图。A-控温线路区；B1、B2-微流控沟槽；C-反应槽；A控温线路同时对B1和B2微流控沟槽控温。
具体实施方式
实施例1：
设计如图1所示的可控温微流控芯片，规划反应沟槽区和控温线路区。基片采用氧化铝陶瓷基片，在反应沟槽区的一面利用激光烧蚀加工有用于反应的沟槽，反应沟槽背面印制热电偶测温探头。在控温线路区正面通过掩膜磁控溅射的N型Bi0.5Sb1.5Te3热电材料的线路层，背面通过掩膜磁控溅射的P型Bi2Te2.7Se0.3热电材料的线路层，在线路段部钻通孔，在通孔中电镀铜，形成N-P-N-P…的交替串联线路结构，如图1所示接通线路时，实现对反应沟槽制冷。控温线路区通孔处截面结构示意图和反应沟槽区沟槽截面结构示意图分别如图2和图3所示。当采用图4所示接通线路时，实现对反应沟槽加热。感温探头和控温线路外接温度控制器，对探头处反应沟槽进行控温。
实施例2：
设计如图1所示的可控温微流控芯片，规划反应沟槽区和控温线路区。基片采用硅基片，在反应沟槽区的一面利用掩膜光刻加工有用于反应的沟槽，反应沟槽背面印制热电偶测温探头。在控温线路区正面通过真空蒸镀的N型PbTe热电材料的线路层，背面通过真空蒸镀的P型PbSe热电材料的线路层，在线路段部钻通孔，在通孔中电镀银，形成N-P-N-P…的交替串联线路结构，如图1所示接通线路时，实现对反应沟槽制冷。控温线路区通孔处截面结构示意图和反应沟槽区沟槽截面结构示意图分别如图2和图3所示。当采用图4所示接通线路时，实现对反应沟槽加热。感温探头和控温线路外接温度控制器，对探头处反应沟槽进行控温。
实施例3：
设计如图1所示的可控温微流控芯片，规划反应沟槽区和控温线路区。基片采用硬质聚酰亚胺基片，在反应沟槽区的一面利用热模压加工有用于反应的沟槽，反应沟槽背面印制NTC测温探头。在控温线路区正面通过丝网印刷的N型Bi浆料热电材料的线路层，背面通过丝网印刷的P型BiSb浆料热电材料的线路层，烘干后在线路段部钻通孔，在通孔中电镀金，形成N-P-N-P…的交替串联线路结构，如图1所示接通线路时，实现对反应沟槽制冷。控温线路区通孔处截面结构示意图和反应沟槽区沟槽截面结构示意图分别如图2和图3所示。当采用图4所示接通线路时，实现对反应沟槽加热。感温探头和控温线路外接温度控制器，对探头处反应沟槽进行控温。
实施例4：
设计如图1所示的可控温微流控芯片，规划反应沟槽区和控温线路区。基片采用玻璃基片，在反应沟槽区的一面利用掩膜光刻加工有用于反应的沟槽，反应沟槽背面印制NTC测温探头。在控温线路区正面通过真空蒸镀的N型方钴矿化合物热电材料的线路层，背面通过真空蒸镀的P型方钴矿化合物热电材料的线路层，在线路段部钻通孔，在通孔中电镀银，形成N-P-N-P…的交替串联线路结构，如图1所示接通线路时，实现对反应沟槽制冷。控温线路区通孔处截面结构示意图和反应沟槽区沟槽截面结构示意图分别如图2和图3所示。当采用图4所示接通线路时，实现对反应沟槽加热。感温探头和控温线路外接温度控制器，对探头处反应沟槽进行控温。
实施例5：
设计加工如图5所示的可控温微流控芯片，包含四个控温线路区，A1和A2控温线路对B1微流控沟槽控温，A3控温线路对C反应槽控温、A4控温线路对B2微流控沟槽控温。两种反应液分别流经沟槽B1和B2进入反应池C，多个控温线路A1-A4分别对各区位进行精确控温。本实施例表明专利所记载技术可以实现对同意芯片不同流道和反应区进行多温度点控制。
实施例6：
设计加工如图6所示的可控温微流控芯片，控温线路A在如图6接通线路后对B1微流控沟槽加热，对B2微流控沟槽制冷，B1和B2中两种不同温度反应液进入反应池C反应。

Claims (7)

1.一种可控温微流控芯片的制作方法，其特征在于：在微流控芯片上平面印制热电半导体控温线路，芯片包括至少一个反应沟槽区和至少一个控温线路区：
在反应沟槽区的一面加工用于反应的沟槽，另一面反应沟槽背面印制感温探头；
在控温线路区芯片两面分别印制N型和P型热电材料的线路层，在线路靠近反应沟槽区的一端和远离反应沟槽区的一端分别各钻一排通孔，在通孔中镀金属，两面的线路层通过两端镀有金属的通孔连接成N-P-N-P…的交替串联线路结构，实现当靠近反应沟槽区的通孔中的电流由N型半导体线路流入，向P型半导体线路流出时，对反应沟槽区制冷；当电流反接时，对反应沟槽区加热；
感温探头和控温线路外接温度控制器，对探头处反应沟槽进行控温；
所述感温探头包括印制热电偶、印制NTC热敏电阻中的一种；
将多个可控温微流控芯片粘结形成多层结构，反应沟槽通过钻通孔形成立体反应器网络，同时控温线路通过钻通孔并在孔中镀金属联结多个芯片上的线路，获得更高的加热或冷却控温效率。
2.根据权利要求1所述一种可控温微流控芯片的制作方法，其特征在于，所述微流控芯片的基板为硬质绝缘片状材质，包括陶瓷基板、硅片、石英基板、玻璃基板、硬质聚合物中的一种。
3.根据权利要求1所述一种可控温微流控芯片的制作方法，其特征在于，所述反应沟槽加工方式包括激光烧蚀、化学刻蚀、掩膜光刻、热模压中的一种。
4.根据权利要求1所述一种可控温微流控芯片的制作方法，其特征在于，所述P型热电材料的室温电导率＞100S/cm，功率因子＞30μWm-1K-2，N型热电材料的室温电导率＞100S/cm，功率因子＞30μWm-1K-2，线路制成方式包括丝网印刷、掩膜真空蒸镀、掩膜磁控溅射、原子层外延镀膜、喷墨打印中的一种。
5.根据权利要求1所述一种可控温微流控芯片的制作方法，其特征在于，所述热电材料包括(Bi，Sb)2(Se，Te)3及其元素掺杂固溶体、(Pb，Sn)(Se，Te)及其元素掺杂固溶体、方钴矿化合物、津特尔相金属间化合物及其元素掺杂固溶体中的一种。
6.根据权利要求1所述一种可控温微流控芯片的制作方法，其特征在于，所述通孔中镀有金属，工艺方式为电镀，所述金属包括铜、银、金中的一种，通孔中金属镀层分别与基板两面的N型热电线路与P型热电线路连接导通。
7.一种如权利要求1～6任意一项所述的一种可控温微流控芯片的制作方法所制作的可控温微流控芯片。
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