CN109701674A - 微流控芯片微电极工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微流控芯片微电极工艺，包括：电极流道的设计与加工，PDMS微流控芯片基片上设有电极流道，PDMS微流控芯片基片上于电极的两端需要加工两个电极孔；键合，将PDMS微流控芯片基片与盖片键合形成微流控芯片；电极灌注，将键合好的微流控芯片加热到一定温度，等待一定时间至芯片达到足够使伍德合金熔化的温度，然后将伍德合金加入微流控芯片电极孔中，伍德合金的直径略大于孔径，伍德合金熔化后，伍德合金会随着金属的进给而顺着电极通道填充，对于其他弹性较差，灌注孔径较大的伍德合金灌注，则需要添加密封机构。该工艺能制作出与流道在同一平面的微电极，且微电极厚度与流道高度一致；且能简化制作过程，降低制作成本。
Description
技术领域
本发明涉及微流控芯片，特别涉及一种微流控芯片微电极工艺。
背景技术
微流控芯片的微电极，现有的制作电极的方法有：
(1)利用氧化铟锡(ITO)制作
这种方法先在需要做电极的地方先蒸镀上一层ITO薄膜，薄膜的厚度为几十到几百纳米，然后匀上一层光刻胶，在曝光、显影后，留下的光刻胶作为掩膜，利用ITO刻蚀液将暴露出来的ITO膜腐蚀，最后去除光刻胶即可获得所需的电极。这种方法制作电极的缺点是：电极厚度有限，制作周期长，工艺复杂，无法制作与流道同一平面的电极。
(2)利用金或铜制作
这种方法需要先在金属基底上旋涂上一层光刻胶；然后光刻、显影之后，留下与金属基底相通的微细沟槽；然后再在沟槽上电镀上金或铜；接着去除光刻胶，然后将微细电极浇上紫外光固化树脂，经过紫外光固化后，通过剥离或腐蚀的方法再将金属基底去除，最后将带有电极的树脂和微流控芯片结合在一起。这种方法制作电极的缺点是，制作周期长，工艺复杂，无法制作与流动同一平面的电极。
(3)利用银浆制作
由于银奖是液态导电材料，这种方法需要根据需要制作电极微通道，再通过注射器将银浆注入电极通道即可获得所需电极。这种电极的缺点是:银浆的价格较高，性质不稳定容易变质。
发明内容
鉴于以上所述，本发明提供一种微流控芯片微电极工艺，该微流控芯片微电极工艺能制作出与流道在同一平面的微电极，且微电极的厚度与流道的高度一致，以产生足够的电场实现流道内都存在足够电场；此外，该工艺能够简化制作微电极工艺过程，减小制作过程的时间，降低制作成本。
本发明涉及的技术解决方案：
一种微流控芯片微电极工艺，包括如下步骤：
一、电极流道的设计与加工
PDMS微流控芯片基片上设有电极流道，PDMS微流控芯片基片上于电极的两端需要加工两个电极孔；
二、键合
将PDMS微流控芯片基片与盖片键合形成微流控芯片；
三、电极灌注
将键合好的微流控芯片放到加热板加热到一定温度，等待一定时间至芯片达到足够使伍德合金熔化的温度，然后将伍德合金加入微流控芯片电极孔中，伍德合金的直径略大于孔径，伍德合金熔化后，伍德合金会随着金属的进给而顺着电极通道填充，对于其他弹性较差，灌注孔径较大的伍德合金灌注，则需要添加密封机构。
进一步地，所述第一步包括如下步骤：
(1)芯片模具光刻掩膜板设计
光刻胶使用的是SU-8光刻胶，光刻胶掩膜板设计需要设计出流道及电极的边界轮廓，设置流道外侧为遮光区域，流道的内侧为透光区域；
(2)光刻胶旋涂
以单面抛光硅片为基底材料，以抛光面向上，用定位器将硅片对中放置在旋涂机吸盘上，倒上适量SU-8光刻胶，以一定转速旋涂一定时间，使得光刻胶以一定厚度覆盖在硅片上；
(3)光刻
光刻掩膜板透光区域即流体流道和电极区域会有紫外光透过，硅片基底上的SU-8光刻胶感光发生交联反应，未遮光部分即流道区域以及电极区域外，紫外光无法透过掩膜板的遮光区域，硅片基底上的SU-8光刻胶没有发生反应。
(4)显影
用有机溶剂PGMEA将未发生反应的SU-8光刻胶溶解，而发生交联反应的SU-8光刻胶在有机溶剂PGMEA中不会发生溶解，通过上述步骤二维图形变成有一定高度的三维立体，光刻显影后形成的图案可作PDMS反拷的微模具；
(5)PDMS软刻蚀
PDMS在固化之前是透明粘性液体，PDMS与固化剂以10：1的比例均匀混合，倒在封边的微模具上抽真空，待气泡完全消除后，加热到一定温度保持一定时间，PDMS即可完成固化，固化后的PDMS弹性较好，且柔软的固体，脱模即可获得反拷微模具图案的PDMS微流控芯片基片；
(6)打孔
灌注伍德合金需要在电极两端分别打孔，分别用于伍德合金的加入和气体的排除，流体的入口与出口都需要打预定大小的孔。
进一步地，所述第二步步骤中，将打完电极孔且带有电极流道的PDMS微流控芯片基片以电极流道朝上的方式和清洗干净的盖片放到等离子清洗机以一定功率处理一定时间，以活化PDMS微流控芯片基片表面的基团，处理结束后，将PDMS微流控芯片基片带有电极流道的一侧与盖片贴合在一起，通过这个过程PDMS微流控芯片基片与盖片完成不可逆连接。
进一步地，所述盖片采用玻璃、PDMS、PMMA或PC。
进一步地，所述第三步之后还包括第四步，第四步为电极端子连接，电极端子用于连接外部电源，完成电极灌注以后，保持温度2-3min，电极两端通孔的伍德合金会融化，这时可以将金属端子插入电极两端通孔，然后将微流控芯片从加热板取下，自然冷却到室温。
进一步地，所述光刻/软刻蚀加工采用机加工、注塑、激光加工、等离子刻蚀、化学腐蚀或3D打印代替。
采用上述工艺的有益效果如下：
(1)本发明的电极流道恰好能在加工流道的同时将电极流道加工出来，几乎不需要额外的加工电极加工时间。
(2)只需将做好的芯片加热到伍德合金的熔点以上，然后将伍德合金灌入即可，几乎不需要附加工序即可完成电极制作，灌注电极耗时5min以内，简单便捷。
(3)电极稳定性好，几乎不会随时间的推移发生变质。
(4)灌入金属之后，保持温度，此时伍德合金还是液体，接入端子，实现微电极与外界的连接。
(5)电极的材料是伍德合金，价格相比其他材料低廉，在加热到熔点以上时流动性好，实验表明能顺利灌注尺寸在10微米以上的微细空间。
具体实施方式
下面结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明保护范围。
本发明提供一种微流控芯片微电极工艺，该工艺是基于光刻/软刻蚀或其他微加工工艺的微流控芯片的制作。本实施例以光刻/软刻蚀进行说明，该工艺包括如下步骤：
一、电极流道的设计与加工
PDMS微流控芯片基片上设有电极流道，电极流道根据实际需要设计，电极流道可以根据实际需要加工不同的深度，PDMS微流控芯片基片上于电极的两端需要加工两个电极孔。
更具体地，包括如下步骤：
(1)芯片模具光刻掩膜板设计
光刻胶使用的是SU-8光刻胶，是一种负性光刻胶，即紫外光照射后会发生交联反应，生成不溶于PGMEA的聚合物。光刻胶掩膜板设计需要设计出流道及电极的边界轮廓，设置流道外侧为遮光区域，流道的内侧为透光区域。
(2)光刻胶旋涂
以单面抛光硅片为基底材料，以抛光面向上，用定位器将硅片对中放置在旋涂机吸盘上，倒上适量SU-8光刻胶，以一定转速旋涂一定时间，使得光刻胶以一定厚度覆盖在硅片上。
(3)光刻
光刻掩膜板透光区域即流体流道和电极区域会有紫外光透过，硅片基底上的SU-8光刻胶感光发生交联反应；未遮光部分即流道区域以及电极区域外，紫外光无法透过掩膜板遮光区域，硅片基底上的SU-8光刻胶没有发生反应。
(4)显影
用有机溶剂PGMEA将未发生反应的SU-8光刻胶溶解，而发生交联反应的SU-8光刻胶在有机溶剂PGMEA中不会发生溶解。通过上述步骤二维图形变成有一定高度的三维立体。光刻显影后形成的图案可作PDMS反拷的微模具。
(5)PDMS软刻蚀
PDMS即聚二甲基硅氧烷，没有固化之前是透明粘性液体，PDMS与固化剂以10：1的比例均匀混合，倒在封边的微模具上抽真空，待气泡完全消除后，加热到一定温度保持一定时间，PDMS即可完成固化，固化后的PDMS弹性较好，且柔软的固体，脱模即可获得反拷微模具图案的PDMS微流控芯片基片。
(6)打孔
灌注伍德合金需要在电极两端分别打孔，分别用于伍德合金的加入和气体的排除；流体的入口与出口都需要打适当大小的孔。
二、键合
将打完孔带有电极流道的PDMS微流控芯片基片以电极流道朝上的方式和清洗干净的盖片放到等离子清洗机以一定功率处理一定时间，以活化PDMS微流控芯片基片表面的基团，处理结束后，将PDMS微流控芯片基片带有电极流道的一侧与盖片贴合在一起，通过这个过程PDMS微流控芯片基片与盖片完成不可逆连接。盖片可采用玻璃、PDMS，PMMA、PC及其他透明材料。
三、电极灌注
将键合好的芯片放到加热板加热到一定温度(约100℃)，等待一定时间至芯片达到足够使伍德合金熔化的温度。然后将伍德合金加入微流控芯片电极孔中，伍德合金的直径略大于孔径，由于PDMS微流控芯片基片弹性很好，PDMS微流控芯片基片与伍德合金在入口密封性很好，而且伍德合金熔化后流动性很好，因此伍德合金熔化后，伍德合金会随着金属的进给而顺着电极通道填充。对于其他弹性较差，灌注孔径较大的伍德合金灌注，则需要添加密封机构。
四、电极端子连接
电极端子用于连接外部电源。完成电极灌注以后，保持温度2-3min，电极两端通孔的伍德合金会融化，这时可以将金属端子插入电极两端通孔，然后将芯片从加热板取下，自然冷却到室温。
可以理解，本工艺加工方法不限于光刻/软刻蚀加工，还可采用机加工，注塑，激光加工，等离子刻蚀，化学腐蚀，3D打印等。
采用上述工艺的有益效果如下：
(1)本发明的电极流道恰好能在加工流道的同时将电极流道加工出来，几乎不需要额外的加工电极加工时间。
(2)只需将做好的芯片加热到伍德合金的熔点以上(约100℃)，然后将伍德合金灌入即可，几乎不需要附加工序即可完成电极制作，灌注电极耗时5min以内，简单便捷。
(3)电极稳定性好，几乎不会随时间的推移发生变质。
(4)灌入金属之后，保持温度，此时伍德合金还是液体，接入端子，实现微电极与外界的连接。
(5)电极的材料是伍德合金，价格相比其他材料低廉，在加热到熔点以上时流动性好，实验表明能顺利灌注尺寸在10微米以上的微细空间。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种微流控芯片微电极工艺，其特征在于，包括如下步骤：
一、电极流道的设计与加工
PDMS微流控芯片基片上设有电极流道，PDMS微流控芯片基片上于电极的两端需要加工两个电极孔；
二、键合
将PDMS微流控芯片基片与盖片键合形成微流控芯片；
三、电极灌注
将键合好的微流控芯片放到加热板加热到一定温度，等待一定时间至芯片达到足够使伍德合金熔化的温度，然后将伍德合金加入微流控芯片电极孔中，伍德合金的直径略大于孔径，伍德合金熔化后，伍德合金会随着金属的进给而顺着电极通道填充，对于其他弹性较差，灌注孔径较大的伍德合金灌注，则需要添加密封机构。
2.根据权利要求1所述的微流控芯片微电极工艺，其特征在于，所述第一步包括如下步骤：
(1)芯片模具光刻掩膜板设计
光刻胶使用的是SU-8光刻胶，光刻胶掩膜板设计需要设计出流道及电极的边界轮廓，设置流道外侧为遮光区域，流道的内侧为透光区域；
(2)光刻胶旋涂
以单面抛光硅片为基底材料，以抛光面向上，用定位器将硅片对中放置在旋涂机吸盘上，倒上适量SU-8光刻胶，以一定转速旋涂一定时间，使得光刻胶以一定厚度覆盖在硅片上；
(3)光刻
光刻掩膜板透光区域即流体流道和电极区域会有紫外光透过，硅片基底上的SU-8光刻胶感光发生交联反应，未遮光部分即流道区域以及电极区域外，紫外光无法透过掩膜板遮光区域，硅片基底上的SU-8光刻胶没有发生反应。
(4)显影
用有机溶剂PGMEA将未发生反应的SU-8光刻胶溶解，而发生交联反应的SU-8光刻胶在有机溶剂PGMEA中不会发生溶解，通过上述步骤二维图形变成有一定高度的三维立体，光刻显影后形成的图案可作PDMS反拷的微模具；
(5)PDMS软刻蚀
PDMS在固化之前是透明粘性液体，PDMS与固化剂以10：1的比例均匀混合，倒在封边的微模具上抽真空，待气泡完全消除后，加热到一定温度保持一定时间，PDMS即可完成固化，固化后的PDMS弹性较好，且柔软的固体，脱模即可获得反拷微模具图案的PDMS微流控芯片基片；
(6)打孔
灌注伍德合金需要在电极两端分别打孔，分别用于伍德合金的加入和气体的排除，流体的入口与出口都需要打预定大小的孔。
3.根据权利要求1所述的微流控芯片微电极工艺，其特征在于，所述第二步步骤中，将打完电极孔且带有电极流道的PDMS微流控芯片基片以电极流道朝上的方式和清洗干净的盖片放到等离子清洗机以一定功率处理一定时间，以活化PDMS微流控芯片基片表面的基团，处理结束后，将PDMS微流控芯片基片带有电极流道的一侧与盖片贴合在一起，通过这个过程PDMS微流控芯片基片与盖片完成不可逆连接。
4.根据权利要求1所述的微流控芯片微电极工艺，其特征在于，所述盖片采用玻璃、PDMS、PMMA或PC。
5.根据权利要求1所述的微流控芯片微电极工艺，其特征在于，所述第三步之后还包括第四步，第四步为电极端子连接，电极端子用于连接外部电源，完成电极灌注以后，保持温度2-3min，电极两端通孔的伍德合金会融化，这时可以将金属端子插入电极两端通孔，然后将微流控芯片从加热板取下，自然冷却到室温。
6.根据权利要求2所述的微流控芯片微电极工艺，其特征在于，所述光刻/软刻蚀加工采用机加工、注塑、激光加工、等离子刻蚀、化学腐蚀或3D打印代替。
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