CN108298497A - 一种硅基光子生物传感器芯片的微流体封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微流体封装领域，具体涉及一种硅基光子生物传感器芯片的微流体封装方法，包括以下步骤：1)制作用于成型PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄膜的模具；2)配制PDMS溶液；3)将PDMS溶液浇筑到模具的型腔中成型PDMS薄膜；4)制作基板、压板；5)芯片的微流体封装：将芯片放入到基板的凹槽中，扣上PDMS薄膜，压上压板，使PDMS薄膜的微流体通道和侧边通道与芯片形成密闭空间，即完成硅基光子生物传感器芯片的微流体封装。本发明的优点在于：本方法将微流体的出入口与芯片的光学测试区形成空间分离，便于光学测试的进行，且能进行较小尺寸硅基光子生物传感器芯片的微流体封装。

Description

一种硅基光子生物传感器芯片的微流体封装方法
技术领域
本发明涉及微流体封装领域，具体涉及一种硅基光子生物传感器芯片的微流体封装方法。
背景技术
近几年，在高性能计算机以及超高速通信系统的驱动下，硅基光子学发展迅猛，在光子器件的设计、制作工艺、器件封装以及测试等方面都有许多进展，已经逐步走向产业化应用。得益于此，硅基光子传感器具有尺寸小、灵敏度、易集成等优势，近年来获得了广泛的研究和应用。微流控技术是把生物、化学、医学等领域的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。在实验室中，为了减少外界环境的干扰，减小待业样本量的多少，目前已经有很多学者实现了微流体技术应用于了硅基光子生物传感技术，但是由于测试过程中，为了保证微流体PDMS薄膜与导管(垂直插管) 之间的密闭性，通常要将PDMS薄膜制作的很厚，除此之外，为了减少芯片的成本，通常芯片的尺寸会制作的很小，所以光学测试区、微流体导管的区域显的非常拥挤，对小尺寸微流通道的设计与制作极为不利，所以有必要提出一种新的解决方案来，使得硅基光子生物传感器芯片真正的走向实用化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何对尺寸较小的硅基光子生物芯片的微流体进行封装，并将微流体的出、入口与芯片的光学测试区分隔开，便于光学测试的进行。
为解决以上技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种硅基光子生物传感器芯片的微流体封装方法，包括以下步骤：
1)制作用于成型PDMS薄膜的模具；
2)配制用于制作PDMS薄膜的原料，即PDMS溶液：将道康宁SYLGARD184 硅橡胶的基本组分与固化剂混合，搅拌均匀，然后放入真空箱中，抽真空 30min-50min，去除混合溶液中的气泡，随后放入温度为2-8℃的冰箱中静置 1h-3h；
3)将PDMS溶液浇筑到模具的型腔中，先以500r/min-1000r/min的转速进行旋涂，然后静置25min-35min，让溶液自动流平，然后在100℃-110℃的环境下对其进行高温烘烤，烘烤时间为40min-60min，烘烤完成后冷却5min-10min，最后脱模，取出制作完成的PDMS薄膜备用；所述PDMS薄膜设置有微流体通道和侧边通道，侧边通道对称分布在微流体通道的左右两侧，且微流体通道和侧边通道相通；所述PDMS薄膜还设置有方孔，方孔对称分布在微流体通道的前后两侧；
4)制作用于封装微流体的基板、压板；
5)芯片的微流体封装：将芯片放入到基板上，扣上PDMS薄膜，压上压板，使PDMS薄膜的微流体通道和侧边通道与芯片形成密闭空间，即完成硅基光子生物传感器芯片的微流体封装。
优化的，所述模具包括底座、侧型芯、型腔板，底座上设置有主型芯、副型芯；
所述主型芯为凹字形结构，用于成型PDMS薄膜的微流体通道，主型芯凸起的两端分别与对称分布在其两侧的侧型芯接触，侧型芯的顶面与主型芯凸起的顶面平齐。所述侧型芯用于成型PDMS薄膜的侧边通道，侧型芯的一端与主型芯接触，另一端水平穿过型腔板的侧壁，且从型腔板的外壁露出一部分；
所述副型芯对称分布在主型芯的前后两侧，且与主型芯之间有间隔；
所述侧型芯安装在型腔板上，型腔板安装在底座上，形成完整的模具结构；
优化的，所述侧型芯为圆柱形，材质为不锈钢，直径为0.4mm-0.6mm。
优化的，所述副型芯为长方形，用于成型PDMS薄膜的方孔；将型腔板安装到底座上后，副型芯的高度大于型腔板的高度，二者高度差为0.2mm-2mm。
优化的，所述基板由铜质材料制成，以增加其导热性。
优化的，所述基板中间设置有用于放置芯片的凹槽，凹槽中涂有导热膏，以增加芯片与基板之间的传热特性，减小热噪声。
优化的，所述凹槽的长度和宽度尺寸大于芯片的长度和宽度尺寸，二者尺寸差为0.05mm-0.2mm；凹槽的深度尺寸小于芯片的厚度尺寸，二者尺寸差为 0.15mm-0.2mm。
优化的，所述压板设置有方孔，此方孔与PDMS薄膜的方孔尺寸、位置一一对应，压板材质为金属，压板的厚度为0.7mm-1.1mm，以便测试过程中显微系统的观察。
优化的，所述道康宁SYLGARD184硅橡胶的基本组分与固化剂的混合比例为1:10，制作过程需在至少千级超净间中完成，以免空气中杂质进入溶液影响后续的成膜质量。
优化的，所述侧边通道中设置有导管，导管的直径为0.7mm-1mm，由不锈钢毛细管制成。
与现有微流体封装技术相比，本发明的有益效果：
(1)可实现较小尺寸的硅基光子生物芯片的微流体封装；
(2)该微流体封装方法可以将微流体的出入口与芯片的光学测试区形成空间分离，便于光学测试的进行。
附图说明
图1为本发明实施例中微流体封装的爆炸图；
图2为本发明实施例中微流体封装的立体图；
图3为本发明实施例中微流体封装的立体透视图；
图4为本发明实施例中微流体封装的俯视图；
图5为图4中A-A的剖视图；
图6为本发明实施例中PDMS薄膜的立体透视图；
图7为图6中B-B的剖视图；
图8为本发明实施例中成型PDMS薄膜的模具立体图；
图9为图8中C-C的剖视图；
图10为本发明实施例中底座的立体图；
图11为本发明实施例中型腔板的立体图；
图12为本发明实施例中侧型芯的立体图；
图13为本发明实施例中导管的立体图。
其中，底座-1、侧型芯-2、型腔板-3、PDMS薄膜-4、导管-5、基板-6、压板-7、芯片-8、有主型芯-11、副型芯-12、微流体通道-41、侧边通道-42、凹槽-61。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细的描述。
实施例一：
如图1-4所示，硅基光子生物传感器芯片由传感器阵列组成，传感器的感光单元由微环谐振腔组成，通过直波导将微环谐振腔与光学接口连接在一起，微环谐振腔结构处在微流通道中，而两端的光学接口露在空气中。
一种硅基光子生物传感器芯片的微流体封装方法，包括以下步骤：
1)制作用于成型PDMS薄膜4的模具；
2)配制用于制作PDMS薄膜4的原料，即PDMS溶液：将道康宁 SYLGARD184硅橡胶的基本组分与固化剂混合，搅拌均匀，然后放入真空箱中，抽真空30min，去除混合溶液中的气泡，随后放入温度为2℃的冰箱中静置1h；
3)将PDMS溶液浇筑到模具的型腔中，先以500r/min的转速进行旋涂，然后静置25min，让溶液自动流平，然后在100℃的环境下对其进行高温烘烤，烘烤时间为40min，烘烤完成后冷却5min，最后脱模，取出制作完成的PDMS 薄膜4备用；如图5-6所示，所述PDMS薄膜4设置有微流体通道41和侧边通道42，侧边通道42对称分布在微流体通道41的左右两侧，且微流体通道41和侧边通道42相通；所述PDMS薄膜4还设置有方孔，方孔对称分布在微流体通道41的前后两侧；
4)制作用于封装微流体的基板6、压板7；
5)芯片8的微流体封装：将芯片8放入到基板6上，扣上PDMS薄膜4，压上压板7，使PDMS薄膜4的通道与芯片8形成密闭空间，即完成硅基光子生物传感器芯片的微流体封装。
如图7-11所示，步骤1)中所述模具包括底座1、侧型芯2、型腔板3，底座1上设置有主型芯11、副型芯12；
所述主型芯11为凹字形结构，用于成型PDMS薄膜4的微流体通道41，主型芯11凸起的两端分别与对称分布在其两侧的侧型芯2接触，侧型芯2的顶面与主型芯11凸起的顶面平齐。所述侧型芯2用于成型PDMS薄膜4的侧边通道42，侧型芯2的一端与主型芯11接触，另一端水平穿过型腔板3的侧壁，且从型腔板3的外壁露出一部分；
所述副型芯12对称分布在主型芯11的前后两侧，且与主型芯11之间有间隔；
所述侧型芯2安装在型腔板3上，型腔板3安装在底座1上，形成完整的模具结构；
所述侧型芯2为圆柱形，材质为不锈钢，直径为0.4mm。
所述副型芯12为长方形，用于成型PDMS薄膜4的方孔；将型腔板3安装到底座1上后，副型芯12的高度大于型腔板3的高度，二者高度差为0.2mm。
步骤4)中所述基板6由铜质材料制成，以增加其导热性。
所述基板6中间设置有用于放置芯片8的凹槽61，凹槽61中涂有导热膏，以增加芯片8与基板6之间的传热特性，减小热噪声。
所述凹槽61的长度和宽度尺寸大于芯片8的长度和宽度尺寸，二者尺寸差为0.05mm；凹槽61的深度尺寸小于芯片8的厚度尺寸，二者尺寸差为0.15mm。
步骤4)中所述压板7设置有方孔，此方孔与PDMS薄膜4的方孔尺寸、位置一一对应，压板7材质为金属，压板7的厚度为0.7mm，以便测试过程中显微系统的观察。
步骤2)中所述道康宁SYLGARD184硅橡胶的基本组分与固化剂的混合比例为1:10，制作过程需在至少千级超净间中完成，以免空气中杂质进入溶液影响后续的成膜质量。
如图1-4及图11所示，所述侧边通道42中设置有导管5，导管5的直径为 0.7mm，由不锈钢毛细管制成。
实施例二：
本实施例与实施例一的区别在于：
抽真空时间为40min，去除混合溶液中的气泡，随后放入温度为5℃的冰箱中静置1.5h；
将PDMS溶液浇筑到模具的型腔中，先以750r/min的转速进行旋涂，然后静置30min，让溶液自动流平，然后在105℃的环境下对其进行高温烘烤，烘烤时间为50min，烘烤完成后冷却8min；
所述侧型芯2为圆柱形，材质为不锈钢，直径为0.5mm；
将型腔板3安装到底座1上后，副型芯12的高度大于型腔板3的高度，二者高度差为1mm；
所述凹槽61的长度和宽度尺寸大于芯片8的长度和宽度尺寸，二者尺寸差为0.1mm；凹槽61的深度尺寸小于芯片8的厚度尺寸，二者尺寸差为0.18mm；
压板7的厚度为0.9mm，导管5的直径为0.8mm。
实施例三：
本实施例与实施例一、实施例二的区别在于：
抽真空50min，去除混合溶液中的气泡，随后放入温度为8℃的冰箱中静置 3h；
将PDMS溶液浇筑到模具的型腔中，先以1000r/min的转速进行旋涂，然后静置35min；让溶液自动流平，然后在110℃的环境下对其进行高温烘烤，烘烤时间为60min，烘烤完成后冷却10min；
所述侧型芯2为圆柱形，材质为不锈钢，直径为0.6mm；
将型腔板3安装到底座1上后，副型芯12的高度大于型腔板3的高度，二者高度差为2mm；
所述凹槽61的长度和宽度尺寸大于芯片8的长度和宽度尺寸，二者尺寸差为0.2mm；凹槽61的深度尺寸小于芯片8的厚度尺寸，二者尺寸差为0.2mm；
压板7的厚度为1.1mm，导管5的直径为1mm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种硅基光子生物传感器芯片的微流体封装方法，其特征在于：所述微流体封装方法包括以下步骤：
1)制作用于成型PDMS薄膜(4)的模具；
2)配制用于制作PDMS薄膜(4)的原料，即PDMS溶液；
3)将PDMS溶液浇筑到模具的型腔中，先以500r/min-1000r/min的转速进行旋涂，然后静置25min-35min，让溶液自动流平，然后在100℃-110℃的环境下对其进行高温烘烤，烘烤时间为40min-60min，烘烤完成后冷却5min-10min，最后脱模，取出制作完成的PDMS薄膜(4)备用；
所述PDMS薄膜(4)设置有微流体通道(41)和侧边通道(42)，侧边通道(42)对称分布在微流体通道(41)的左右两侧，且微流体通道(41)和侧边通道(42)相通；
4)制作用于封装微流体的基板(6)、压板(7)；
5)芯片(8)的微流体封装：将芯片(8)放入到基板(6)上，扣上PDMS薄膜(4)，压上压板(7)，使PDMS薄膜(4)的微流体通道(41)和侧边通道(42)与芯片(8)形成密闭空间，即完成硅基光子生物传感器芯片的微流体封装。
2.根据权利要求1所述的一种硅基光子生物传感器芯片的微流体封装方法，其特征在于：所述步骤1)制作的模具包括底座(1)、侧型芯(2)、型腔板(3)，底座(1)上设置有主型芯(11)、副型芯(12)；
所述主型芯(11)为凹字形结构，主型芯(11)凸起的两端分别与对称分布在其两侧的侧型芯(2)接触，侧型芯(2)的顶面与主型芯(11)凸起的顶面平齐，侧型芯(2)的一端与主型芯(11)接触，另一端水平穿过型腔板(3) 的侧壁，且从型腔板(3)的外壁露出一部分；
所述副型芯(12)对称分布在主型芯(11)的前后两侧，且与主型芯(11)之间有间隔；
所述侧型芯(2)安装在型腔板(3)上，型腔板(3)安装在底座(1)上，形成完整的模具结构。
3.根据权利要求2所述的一种硅基光子生物传感器芯片的微流体封装方法，其特征在于：所述侧型芯(2)为圆柱形，材质为不锈钢，直径为0.4mm-0.6mm。
4.根据权利要求2所述的一种硅基光子生物传感器芯片的微流体封装方法，其特征在于：所述副型芯(12)为长方形，将型腔板(3)安装到底座(1)上后，副型芯(12)的高度大于型腔板(3)的高度，二者高度差为0.2mm-2mm。
5.根据权利要求1所述的一种硅基光子生物传感器芯片的微流体封装方法，其特征在于：所述基板(6)由铜质材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种硅基光子生物传感器芯片的微流体封装方法，其特征在于：所述基板(6)中间设置有用于放置芯片(8)的凹槽(61)，凹槽(61)中涂有导热膏。
7.根据权利要求6所述的一种硅基光子生物传感器芯片的微流体封装方法，其特征在于：所述凹槽(61)的长度和宽度尺寸大于芯片(8)的长度和宽度尺寸，二者尺寸差为0.05mm-0.2mm；凹槽(61)的深度尺寸小于芯片(8)的厚度尺寸，二者尺寸差为0.15mm-0.2mm。
8.根据权利要求1所述的一种硅基光子生物传感器芯片的微流体封装方法，其特征在于：所述PDMS薄膜(4)还设置有方孔，方孔对称分布在微流体通道(41)的前后两侧；所述步骤4)制作的压板(7)设置有方孔，此方孔与PDMS 薄膜(4)的方孔尺寸、位置一一对应，压板(7)材质为金属，压板(7)的厚度为0.7mm-1.1mm。
9.根据权利要求1所述的一种硅基光子生物传感器芯片的微流体封装方法，其特征在于：所述PDMS的配制过程需在至少千级超净间中完成。
10.根据权利要求1所述的一种硅基光子生物传感器芯片的微流体封装方法，其特征在于：所述侧边通道(42)中设置有导管(5)，导管(5)的直径为0.7mm-1mm，由不锈钢毛细管制成。
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