CN111229341A - 光栅波导多微流道芯片的制造方法 - Google Patents

光栅波导多微流道芯片的制造方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111229341A
CN111229341A CN202010053995.3A CN202010053995A CN111229341A CN 111229341 A CN111229341 A CN 111229341A CN 202010053995 A CN202010053995 A CN 202010053995A CN 111229341 A CN111229341 A CN 111229341A
Authority
CN
China
Prior art keywords
grating
waveguide
layer
micro
forming
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010053995.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111229341B (zh
Inventor
陈昌
刘博�
豆传国
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Industrial Utechnology Research Institute
Original Assignee
Shanghai Industrial Utechnology Research Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Industrial Utechnology Research Institute filed Critical Shanghai Industrial Utechnology Research Institute
Priority to CN202010053995.3A priority Critical patent/CN111229341B/zh
Publication of CN111229341A publication Critical patent/CN111229341A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111229341B publication Critical patent/CN111229341B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502707—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the manufacture of the container or its components
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6428—Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes"
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G01N21/6456—Spatial resolved fluorescence measurements; Imaging
    • G01N21/6458—Fluorescence microscopy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/10—Integrating sample preparation and analysis in single entity, e.g. lab-on-a-chip concept
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0861—Configuration of multiple channels and/or chambers in a single devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0887—Laminated structure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/12—Specific details about materials
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N2021/6417—Spectrofluorimetric devices
    • G01N2021/6419—Excitation at two or more wavelengths
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6428—Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes"
    • G01N2021/6439—Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes" with indicators, stains, dyes, tags, labels, marks

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Optical Measuring Cells (AREA)

Abstract

本发明提供一种光栅波导多微流道芯片的制造方法，包括提供衬底，形成牺牲层，形成下包层；形成波导层；形成光栅波导组，包括光栅波导；光栅波导包括出射光栅；在波导层上形成二氧化硅保护层，用于覆盖保护出射光栅；形成上包层；形成第一数量的微流道，以形成微流体组；微流道贯穿上包层以暴露出保护层；出射光栅位于微流道下方用以将光沿垂直方向向上导入微流道内；去除牺牲层。具有有益效果：形成光波导与多微流道一体化矩阵的结构，通过多微流体通道和大规模矩阵化的光波导来实现比传统光学系统更高通量的分析性能，快速构建高通量生物样品的芯片级的片上光学检测分析系统，实现微纳尺度下的生物检测的高通量芯片。

Description

光栅波导多微流道芯片的制造方法
技术领域
本发明涉及一种光栅波导多微流道芯片的制造方法，尤其涉及一种光栅波导多微流道生物检测芯片的制造方法。
背景技术
在现代生化分析流程中，高通量检测设备已经被广泛使用。这些设备大多采用基于微流体技术或者微孔阵列的生物芯片，装载在高性能的光学系统中，实现对诸如核酸、蛋白、病毒、细菌、细胞等等不同尺寸的生物样品的分析。这些光学系统的设计通常都基于复杂的几何光学，其体积大、成本高、需要光学准直、维护成本较高。
在精准医疗时代，小型化、高性能、低成本和可移动的集成化分析系统受到很大关注。尤其是lab on chip的概念，经过几十年的发展，基于微流体技术对生物样品的操控方面取得了长足的进步，但真正的lab on chip 系统仍然缺少一种微纳尺度下的高通量生物样品的芯片级的片上光学检测和分析集成系统。
同时，在高分子聚合物薄膜上沉积光学氮化硅薄膜等材料，将以SiN 为波导的集成光学器件同硅或者玻璃衬底分开且聚合物具有一定的延展性，这大大增加了以SiN等材料为波导的集成光学器件的其应用范围。
在高分子聚合物上沉积薄膜，为了不破坏聚合物的分子结构需要将沉积温度控制的越低越好，而目前主流的SiN薄膜生长温度在400度左右，仍然太高。
发明内容
为解决目前现代生化分析仪器体积庞大、成本高和满足精准医疗时代所需求的仪器小型化、可移动和集成化等一系列新的需求。本发明通过集成电路量产工艺来生产这种芯片级光学检测和分析系统，将传统光学系统的功能通过集成光学或片上光学器件来实现，不仅可以把传统的台式甚至大型的光学系统缩小到芯片尺寸，而且还保证同等甚至更出色的分析性能，实现微纳尺度下的生物样品的高通量芯片级光学检测和分析集成系统，大幅度降低系统成本。
本发明提供一种光栅波导多微流道芯片的制造方法，包括：
步骤1000：提供衬底，在所述衬底上形成牺牲层，在所述牺牲层上形成厚度为15～30μm高分子聚合材料的下包层；
步骤2000：在所述下包层上形成波导层，所述波导层是氮化硅材料；
步骤3000：以所述波导层形成第一数量的光栅波导组，所述光栅波导组包括第二数量的光栅波导；所述光栅波导包括出射光栅；
步骤4000：在所述波导层上形成二氧化硅保护层，所述保护层用于覆盖所述光栅波导并保护所述出射光栅；在所述保护层上形成厚度为 15～30μm高分子聚合材料的上包层；
步骤5000：形成第一数量的微流道，所述光栅波导组与所述微流道一一对应组成第一数量的微流体，以形成微流体组；所述微流道贯穿所述上包层以暴露出所述保护层；所述出射光栅位于所述微流道下方用以将光沿垂直方向向上导入所述微流道内；
步骤6000：去除所述牺牲层，以将所述下包层与所述衬底剥离；在所述上包层上形成流道盖板，所述流道盖板包括用以向所述微流道注入含待检测生物分子溶液的注液口；
所述微流道宽度为10-100μm；所述牺牲层的腐蚀选择比高于所述上包层、保护层、所述波导层或所述下包层，所述牺牲层的材料为金属、聚合物或氧化物。
优选地，步骤3000中，所述波导层厚度为150nm-1000nm，在所述波导层上旋涂光刻胶形成相互平行的光栅波导掩膜，刻蚀所述波导层，形成相互平行的所述光栅波导，所述光栅波导的宽度为300-600nm。
优选地，步骤3000中，在所述波导层上旋涂光刻胶形成分导光结构掩膜，刻蚀所述波导层形成导光结构，所述干路导光包括与所述光栅波导匹配的第二数量的第一导光，用以与所述光栅波导光连接。
优选地，步骤2000中，通过电感耦合等离子体化学气相沉积法，沉积温度为25-150℃，并通入包括硅气源和氮气源的反应载气，以形成所述波导层。
优选地，步骤5000中，软烘所述上包层，对所述上包层预定形成微流道的位置进行局部曝光，再经硬烘和显影后，形成贯穿所述上包层、宽度为10-100μm的微流道
优选地，步骤2000中，通过电感耦合等离子体化学气相沉积法，沉积温度为25-150℃，并通入包括硅气源和氮气源的反应载气，以形成所述波导层。
优选地，步骤2000中，在所述下包层上形成厚度为150nm-1000nm 的所述波导层；
步骤3000中，在所述波导层上旋涂光刻胶形成若光栅波导掩膜，刻蚀所述波导层，形成若干相互平行的所述光栅波导的水平部分；再次旋涂光刻胶形成入射光栅和出射光栅掩膜，沉积形成入射光栅和出射光栅，所述出射光栅与所述光栅波导的水平部分形成所述光栅波导，所述入射光栅与所述光栅波导形成若干相互平行的耦合光栅波导，所述耦合光栅波导的宽度为300-600nm；
步骤4000中，所述保护层覆盖并保护所述入射光栅。
优选地，步骤3000中，所述波导层厚度为150-1000nm，在所述波导层上旋涂光刻胶形成若干相互平行的光栅波导掩膜，刻蚀所述波导层，形成若干相互平行的光栅波导，所述光栅波导的宽度为300-600nm。
优选地，步骤3000中，在所述波导层上旋涂光刻胶形成分光结构掩膜，刻蚀在所述波导层的一端形成分光结构。
优选地，所述高分子聚合材料是SU-8树脂、聚酰亚胺、聚二甲基硅烷、聚乙烯或苯丙环丁烯。
本发明提供一种光栅波导多微流道芯片的制造方法，具有有益效果：形成光波导与多微流道一体化矩阵的结构，通过多微流体通道和大规模矩阵化的光波导来实现比传统光学系统更高通量的分析性能，快速构建高通量生物样品的芯片级的片上光学检测分析系统，实现微纳尺度下的生物检测的高通量芯片。
附图说明
图1是本发明光栅波导多微流道芯片中导光结构的示意图；
图2是图1中A的放大视图；
图3是图1中B的放大视图；
图4是图3的剖面图；
图5是本发明光栅波导多微流道芯片中导光结构的示意图；
图6是图1中的一个微流体的侧视图；
图7是图6的俯视图；
图8是耦合光栅波导微流体的侧视图；
图9是耦合光栅波导多流道检测系统的侧视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
在附图中，为了描述方便，层和区域的尺寸比例并非实际比例。当层 (或膜)被称为在另一层或衬底“上”时，它可以直接在另一层或衬底上，或者也可以存在中间层。此外，当一层被称为在另一层“下”时，它可以直接在下面，并且也可以存在一个或多个中间层。另外，当层被称为在两个层之间时，它可以是两个层之间的唯一层，或者也可以存在一个或多个中间层。相同的附图标记始终表示相同的元件。另外，当两个部件之间称为“连接”时，包括物理连接，除非说明书明确限定，此种物理连接包括但不限于电连接、接触连接、无线信号连接。
本发明专利提出垂直光栅波导与微流体通道一体化模块方案，同时提出光栅波导多微流道芯片的制造方法，快速构建微纳尺度下的高通量生物样品的芯片级的片上光学检测和分析集成系统。其中，垂直光栅波导是指将光垂直方向向上导入微流道的光栅波导。
一种光栅波导多微流道芯片1的制造方法，如图5所示，包括：
步骤1000：提供衬底11，在所述衬底11上形成牺牲层10，在所述牺牲层10上形成厚度为15～30μm高分子聚合材料的下包层141；
步骤2000：在所述下包层141上形成波导层13，所述波导层13是氮化硅材料；
步骤3000：以所述波导层13形成第一数量m的光栅波导组131、 132、13m，如图6所示，所述光栅波导组131包括第二数量n的光栅波导1311、1312…131n，所述光栅波导131包括出射光栅1310，以形成 n*m矩阵化的检测系统；
步骤4000：在所述波导层13上形成二氧化硅保护层12，所述保护层 12具透光性，所述保护层12用于覆盖所述光栅波导1311、1312…131n 并保护所述出射光栅1310；在所述保护层12上形成厚度为15～30μm高分子聚合材料的上包层142；
步骤5000：形成第一数量m的微流道201、202…20m，所述光栅波导组131与所述微流道201一一对应组成第一数量m的微流体，以形成微流体组(未示出)；所述出射光栅1310位于所述微流道201、 202…20m下方用以将光垂直方向向上导入所述微流道201、202…20m内，为不同的复杂集成结构提供新的设计方案和思路，可以设计不同出射方向的出射光栅，增加了检测手段的灵活性，需要说明的是，上文中“将光沿垂直方向向上”可以是严格地垂直向上，也可以是斜向上，本发明在此不做限制；所述微流道201、202…20m贯穿所述上包层142以暴露出所述保护层12；
步骤6000：去除所述牺牲层10，以将所述下包层141与所述衬底11 剥离；在所述上包层142上形成流道盖板15，所述流道盖板15包括用以向所述微流道201、202…20m注入含待检测生物分子溶液的注液口151、 152…15m；需要说明的是，还包括出液口(未示出)，以与所述注液口151、152…15m一一对应形成循环系统，该出液口可以是流道盖板15上的开口；该出液口也可以是微流道两端的开口，本发明在此不做限制。
所述微流道201、202…20m宽度为10-100μm；所述牺牲层10的腐蚀选择比高于所述上包层142、保护层12、所述波导层13或所述下包层 141，所述牺牲层10的材料为金属、聚合物或氧化物。形成光栅波导总数为形成n*m的光栅波导与多微流道一体化矩阵的结构，快速构建微纳尺度下的高通量生物样品的芯片级的片上光学检测和分析集成系统。
需要说明的是，第一数量m的微流体可构成一个微流体组，还可以构建第三数量微流体组构成的微流体矩阵，该第三数量为k，则光栅波导总数为形成n*m*k矩阵化的检测系统；形成光栅波导与多微流道一体化矩阵的结构，快速构建微纳尺度下的高通量生物样品的芯片级的片上光学检测和分析集成系统。
需要说明的是，所述光栅波导组包括第二数量n相互平行的所述光栅波导，如图7所示，光栅波导组131包括第二数量为n相互平行的所述光栅波导1311、1312…131n，以将光垂直方向向上导入所述微流道201，所述光栅波导1311、1312…131n的宽度为300-600nm。
步骤3000中，所述波导层厚度为150-1000nm，在所述波导层13上旋涂光刻胶(未示出)形成光栅波导组掩膜(未示出)，刻蚀所述波导层 13，形成所述第一数量m的光栅波导组131、132…13m，其包括的光栅波导的宽度为300-600nm，如光栅波导组131包括的所述光栅波导1311、 1312…131n的宽度为300-600nm。
其中根据引入波导组131的光源方向不同，如：图6是光栅波导组 131从一端(左端)引入光源、而图8是从上包层142上方引入光源，在多微流道尤其是矩阵化检测系统中，前者需要在制造矩阵化芯片时从结构上增加如图1所示的导光结构6、后者则无需增加该导光结构，下面结合图说明该导光结构6：
针对上述光栅波导n*m矩阵化的检测系统：所述导光结构6包括直接通过干路导光60中n个第一导光61将光波长分别为λ1、λ2、λ3…λn 的光分别传输给光栅波导组131中的光栅波导1311、1312…131n、并沿着波导层13向同一微流体组中的全部其余光栅波导组132..13m传输上述波长分别为λ1、λ2、λ3…λn的光，此种情况下干路导光60中n个第一导光61构成第一导光组601。
针对上述光栅波导n*m*k矩阵化的检测系统：步骤3000中，如图 1～7所示，还包括在所述波导层13上旋涂光刻胶(未示出)形成分光结构掩膜(未示出)，刻蚀所述波导层13形成分光结构A，所述分光结构 A用以从干路导光60中引出第三数量k的导光组601、602、60k(未示出),以分别沿着波导层13一一向第三数量k的微流体组中的第一数量m 的光栅波导组依次导入光源。所述导光组601沿着波导层1360k与第一微流体组1中第一数量m的所述光栅波导组131、132…13m光连接，同理，所述导光组602沿着波导层13与第二微流体组1’中第一数量m的所述光栅波导组光连接；进而导光组601与光栅波导组131中的光栅波导 1311、1312…131n光连接,如图7所示，所述光栅波导1311、1312…131n 的宽度为300-600nm；其中，所述导光组601、602、60k(未示出)采用分光结构A从所述干路导光60中引出。
针对上述光栅波导n*m*k矩阵化的检测系统：如图6～8所示，引出的第二导光62与干路导光60中的第一导光61(以及与同一导光组中的第一导光61)的交叉节点的交叉跨层结构B需要特别设计；如图1、图5 和图1～5所示，步骤3000中，还包括在所述波导层13上旋涂光刻胶(未示出)形成第一导光掩膜(未示出)，刻蚀所述波导层13形成第二数量 n的第一导光61(包括干路导光60中的第一导光61和导光组中的第一导光61)；在所述波导层13上旋涂材料为聚合物的中间层(未示出)，通过局部曝光在所述中间层上形成第二导光槽(未示出)，在所述第二导光槽中沉积氮化硅并化学机械抛光形成第三数量k的第二数量n的氮化硅第二导光62，即总数为n*k的第二导光62，最终形成如图1中的导光组601、602…60k(未示出)；具体的来讲，所述导光结构6包括干路导光 60，以及从所述干路导光60中引出的第一导光组601、第二导光组602…第k导光组60k(未示出)，以分别向共k个微流体组导入光源。其中，导光结构6通过第一导光组601与光栅波导组131光连接，进而沿着波导层13与同一微流体组中的全部光栅波导组132..13m光连接，无需为各同一微流体组中的各光栅波导组匹配单独的导光结构，节省工艺以及降低结构的复杂性。其中，如图1～5所示，部分所述第一导光61与部分所述第二导光62形成交叉跨层结构B；具体地讲，交叉跨层结构B如图7～8所示，所述交叉跨层结构B包括第一导光重叠区610和第二导光重叠区 620；所述第一导光61在交叉处断开，并在断开相对的两端形成第一锐角导光端面611和第二锐角导光端面612；所述第二导光62在交叉处形成分别与所述第一锐角导光端面611和第二锐角导光端面612相匹配的第一锐角导光引面621和第二锐角导光引面622；所述第一导光重叠区610包括所述第一锐角导光端面611和与该第一锐角导光端面611相匹配的第一锐角导光引面621，其中第一锐角导光端面611和第一锐角导光引面621 相对的面之间距离小于1μm；所述第二导光重叠区620包括所述第二锐角导光端面612和与该第二所述锐角导光端面612相匹配的第二锐角导光引面622，其中第二锐角导光端面612和第二锐角导光引面622相对的面之间距离小于1μm；即第一导光61在交叉处断开，在断开的相对两端各形成第一锐角导光端面611和第二锐角导光端面612，从干路导光60中引出的第二导光62在交叉处形成与上述第一锐角导光端面611和第二锐角导光端面612面相匹配、距离小于1μm的第一锐角导光引面621和第二锐角导光引面622，从而形成第一导光重叠区610和第二导光重叠区 620，从第一导光61断开一端传来的光通过第一导光重叠区610进入第二导光62、随即通过第二导光重叠区620进入第一导光61断开的另一端，即从第一导光61断开一端传来的光通过第一锐角导光端面611进入第一锐角导光引面621，跟光未经反射其传导方向的一致性，随机通过第二锐角导光引面622进入第二锐角导光端面612，从而完成光的交叉跨层传导。
需要说明的是，针对上述光栅波导总数为形成n*m*k矩阵化的检测系统，可在第二数量n的第一导光61最左边采用上述分光结构A向下一个、直至第k个微流体组继续传输光源。如图1～5所示，采用分光结构 A用以从第二数量n的(水平的)第一导光61中向上引出第二数量n的 (竖直的)第二导光62，具体来讲，从第二数量n的第一导光61垂直向上依次引出第二数量n的第二导光62以向下一个微流体组传输光源，以此类推第，直至第k个微流体组传输光源。如图1、5所示，经过步骤 3000后的最终形成的所述波导层13厚度为150nm-1000nm，即图6中的所述光栅波导1311、1312…131n水平部分的厚度为150nm-1000nm。
如需形成包含如图8所示的耦合光栅波导多微流道芯片，无需形成导光结构，则在步骤2000中，在所述下包层141上形成厚度为150nm- 1000nm的所述波导层13；步骤3000中，在所述波导层13上旋涂光刻胶 (未示出)形成若干相互平行的光栅波导掩膜(未示出)，刻蚀所述波导层13，形成第二数量n的相互平行的所述光栅波导1311、1312…131n的水平部分；再次旋涂光刻胶(未示出)形成入射光栅掩膜和出射光栅掩膜 (未示出)，沉积形成的出射光栅1310与所述光栅波导1311、 1312…131n的水平部分结合形成光栅波导1311、1312…131n，在波导层 13的一端(如图9所示，左端)包括第二数量n的氮化硅材料的入射光栅1310’，分别与微流体中最近光栅波导组131中包含的第二数量n所述光栅波导1311、1312…131n形成耦合光栅波导，将所述流道盖板15上方的光导入波导层13并沿着波导层13向同一微流体组中的全部微流体传输，将光沿垂直方向向上导入所述微流道201、202…20m；位于入射光栅 1310’上方的上包层142、所述流道盖板15是透光性层和所述保护层12 均具透光性，所述保护层12是二氧化硅材料，用以覆盖所述光栅波导组 131、132…13n并保护所述出射光栅1310，所述耦合光栅波导的宽度为300-600nm；步骤4000中，所述保护层12覆盖并保护所述入射光栅 1310’。
需要说明的是，形成耦合光栅波导或入射光栅可以是：步骤2000 中，形成厚度大于1000nm氮化硅的波导层13，利用光刻胶在波导层13 上形成相互平行的光栅波导掩膜，对波导层13进行刻蚀，得到相互平行的、宽度为300-600nm的光栅波导块(未示出，整体部分)，所述光栅波导块用以形成耦合光栅波导，再次旋涂光刻胶形成入射光栅掩膜(未示出)和出射光栅掩膜，刻蚀所述光栅波导块形成入射光栅1310’和出射光栅1310，所述出射光栅1310与光栅波导的水平部分(亦即光栅波导块的水平部分)形成光栅波导1311、1312…131n，入射光栅1310’与光栅波导1311、1312…131n形成耦合光栅波导；光栅波导1311、1312…131n的水平部分的厚度为150nm-1000nm。
在本发明中，步骤5000中，还包括：对所述上包层142预定形成微流道的位置进行局部曝光，再经硬烘和显影后，形成贯穿所述上包层 142、宽度为10-100μm的微流道201、202…20m。
在本发明中，所述衬底11是硅衬底；较佳地，所述衬底11是4、 8、12英寸的硅片。
在本发明中，所述高分子聚合材料是SU-8树脂、聚酰亚胺、聚二甲基硅烷、聚乙烯或苯丙环丁烯。
在本发明中，所述流道盖板15是PDMS、石英材料，也可以是上述高分子聚合材料。
在本发明中，氮化硅波导层13是在沉积温度为25-150℃的低温下形成的厚度为150nm-1000nm的氮化硅薄膜层；所述氮化硅薄膜的折射率为 1.75-2.2。需要说明的是，氮化硅薄膜可以是折射率均匀的薄膜，也可以是折射率不均匀的薄膜，如折射率分层结构的氮化硅薄膜。
循环肿瘤细胞是脱离肿瘤组织并进入人体血液循环系统的各类肿瘤细胞的统称。通过检测外周血中痕量的循环肿瘤细胞，监测其类型和数量变化的趋势，可实时监测肿瘤动态、评估治疗效果，实现实时个体治疗。结合图1、图5和图6，下面说明利用包含本发明光栅波导多微流道芯片中的光栅波导总数为形成n*m*k矩阵化的检测系统检测循环肿瘤细胞的一个实施例，主要步骤如下：
第一步：采用免疫磁珠技术(如免疫磁珠阳性分选)或者微流控技术对采集来的m*k个病患血样中可能存在各类肿瘤细胞进行分选和富集得到含循环肿瘤细胞的溶液，也可直接采用病患血样；
第二步：向上述含循环肿瘤细胞的溶液或血样中加入能与各类肿瘤细胞表面抗原相特异性结合的抗体群，或加入能与各类肿瘤细胞表面结合的适配体群，所述抗体群和适配体群修饰标记，其中与特定肿瘤细胞结合的抗体或适配体上修饰的标记具有唯一性，从而得到含标记循环肿瘤细胞的溶液或血样；所述标记有n种，所述标记可以是荧光分子的靶标探针；
第三步：如图1和5所示，将第二步中得到m*k份溶液或血样分别从注液口151、152…15m(不完全列示，注液口总数为m*k个)加入微流道201、202…20m中(不完全列示，微流道总数为m*k个)中，导光组601、602…60k(不完全列示，导光组总数为k个)将与上述n种标记一一对应的n不同波长的光沿着波导层13导入对应微流体组中第一数量 m(全部)的所述光栅波导组(如微流体组1中的光栅波导组131、 132…13m，不完全列示，光栅波导组总数为m*k个)中的第二数量n (全部)的光栅波导(如图6～7所示，光栅波导组131中的n个光栅波导 1311、1312…131n，不完全列示，光栅波导总数为n*m*k个)的进而沿垂直方向向上导入所述微流道201、202…20m中，上述含不同荧光分子标记的标记生物分子21是循环肿瘤细胞被该不同波长的光激发发出特定波长的荧光，而非激生物分子20是未经标记的正常细胞或者经标记但位于光场之外而未被激发的肿瘤细胞，显微镜(未示出)用于收集特定波长的荧光(光信号)并向所述测量装置(未示出)传输，所述测量装置(未示出)处理收集特定波长的荧光(光信号)并产生待分析信号并向所述分析装置(未示出)传输所述待分析信号，所述分析装置(未示出)分析所述待分析信号形成特定波长的荧光的光谱，通过读取光谱即可判断溶液或血样中循环肿瘤细胞的种类，可一次性分别检测不同病患的多种肿瘤循环细胞，实现微纳尺度下的多种肿瘤细胞检测的高通量芯片，从而实时监测肿瘤动态、评估治疗效果，实现实时个体治疗。
本发明提供一种光栅波导多微流道芯片的制造方法，具有有益效果：形成光波导与多微流道一体化矩阵的结构，通过多微流体通道和大规模矩阵化的光波导来实现比传统光学系统更高通量的分析性能，快速构建高通量生物样品的芯片级的片上光学检测分析系统，实现微纳尺度下的生物检测的高通量芯片。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光栅波导多微流道芯片的制造方法，包括：
步骤1000：提供衬底，在所述衬底上形成牺牲层，在所述牺牲层上形成厚度为15～30μm高分子聚合材料的下包层；
步骤2000：在所述下包层上形成波导层，所述波导层是氮化硅材料；
步骤3000：以所述波导层形成第一数量的光栅波导组，所述光栅波导组包括第二数量的光栅波导；所述光栅波导包括出射光栅；
步骤4000：在所述波导层上形成二氧化硅保护层，所述保护层用于覆盖所述光栅波导并保护所述出射光栅；在所述保护层上形成厚度为15～30μm高分子聚合材料的上包层；
步骤5000：形成第一数量的微流道，所述光栅波导组与所述微流道一一对应组成第一数量的微流体，以形成微流体组；所述微流道贯穿所述上包层以暴露出所述保护层；所述出射光栅位于所述微流道下方用以将光沿垂直方向向上导入所述微流道内；
步骤6000：去除所述牺牲层，以将所述下包层与所述衬底剥离；在所述上包层上形成流道盖板，所述流道盖板包括用以向所述微流道注入含待检测生物分子溶液的注液口；
所述微流道宽度为10-100μm；所述牺牲层的腐蚀选择比高于所述上包层、保护层、所述波导层或所述下包层，所述牺牲层的材料为金属、聚合物或氧化物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3000中，所述波导层厚度为150nm-1000nm，在所述波导层上旋涂光刻胶形成相互平行的光栅波导掩膜，刻蚀所述波导层，形成相互平行的所述光栅波导，所述光栅波导的宽度为300-600nm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3000中，在所述波导层上旋涂光刻胶形成分导光结构掩膜，刻蚀所述波导层形成导光结构，所述干路导光包括与所述光栅波导匹配的第二数量的第一导光，用以与所述光栅波导光连接。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2000中，通过电感耦合等离子体化学气相沉积法，沉积温度为25-150℃，并通入包括硅气源和氮气源的反应载气，以形成所述波导层。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5000中，软烘所述上包层，对所述上包层预定形成微流道的位置进行局部曝光，再经硬烘和显影后，形成贯穿所述上包层、宽度为10-100μm的微流道。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2000中，通过电感耦合等离子体化学气相沉积法，沉积温度为25-150℃，并通入包括硅气源和氮气源的反应载气，以形成所述波导层。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2000中，在所述下包层上形成厚度为150nm-1000nm的所述波导层；
步骤3000中，在所述波导层上旋涂光刻胶形成若光栅波导掩膜，刻蚀所述波导层，形成若干相互平行的所述光栅波导的水平部分；再次旋涂光刻胶形成入射光栅和出射光栅掩膜，沉积形成入射光栅和出射光栅，所述出射光栅与所述光栅波导的水平部分形成所述光栅波导，所述入射光栅与所述光栅波导形成若干相互平行的耦合光栅波导，所述耦合光栅波导的宽度为300-600nm；
步骤4000中，所述保护层覆盖并保护所述入射光栅。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3000中，所述波导层厚度为150-1000nm，在所述波导层上旋涂光刻胶形成若干相互平行的光栅波导掩膜，刻蚀所述波导层，形成若干相互平行的光栅波导，所述光栅波导的宽度为300-600nm。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3000中，在所述波导层上旋涂光刻胶形成分光结构掩膜，刻蚀在所述波导层的一端形成分光结构。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高分子聚合材料是SU-8树脂、聚酰亚胺、聚二甲基硅烷、聚乙烯或苯丙环丁烯。
CN202010053995.3A 2020-01-17 2020-01-17 光栅波导多微流道芯片的制造方法 Active CN111229341B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010053995.3A CN111229341B (zh) 2020-01-17 2020-01-17 光栅波导多微流道芯片的制造方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010053995.3A CN111229341B (zh) 2020-01-17 2020-01-17 光栅波导多微流道芯片的制造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111229341A true CN111229341A (zh) 2020-06-05
CN111229341B CN111229341B (zh) 2022-02-11

Family

ID=70866897

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010053995.3A Active CN111229341B (zh) 2020-01-17 2020-01-17 光栅波导多微流道芯片的制造方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111229341B (zh)

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030027328A1 (en) * 2000-10-30 2003-02-06 Sru Biosystems, Llc Guided mode resonant filter biosensor using a linear grating surface structure
CN1675536A (zh) * 2002-08-02 2005-09-28 日本电气株式会社 微芯片、制造微芯片的方法、以及检测成分的方法
EP1344039B1 (en) * 2000-12-13 2006-04-12 Polymicro Technologies, Inc. Method of manufacturing drawn microchannel array devices
CN102944911A (zh) * 2012-11-21 2013-02-27 清华大学 一种光波导及其制作方法
CN106959370A (zh) * 2017-03-28 2017-07-18 中国电子科技集团公司第三十八研究所 一种基于耦合光栅的荧光生物传感器及检测方法
CN110045460A (zh) * 2019-05-31 2019-07-23 中国科学院微电子研究所 一种光波导的制造方法
US20190292590A1 (en) * 2008-09-16 2019-09-26 Pacific Biosciences Of California, Inc. Substrates and optical systems and methods of use thereof
CN110628601A (zh) * 2019-10-19 2019-12-31 上海新微技术研发中心有限公司 柔性基底纳米孔结构和纳米孔阵列制造方法
CN110628598A (zh) * 2019-10-19 2019-12-31 上海新微技术研发中心有限公司 模块化组装的纳米孔装置
US20200007123A1 (en) * 2018-07-02 2020-01-02 Boe Technology Group Co., Ltd. Microfluid detection device, system and method, processing device and storage medium

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030027328A1 (en) * 2000-10-30 2003-02-06 Sru Biosystems, Llc Guided mode resonant filter biosensor using a linear grating surface structure
EP1344039B1 (en) * 2000-12-13 2006-04-12 Polymicro Technologies, Inc. Method of manufacturing drawn microchannel array devices
CN1675536A (zh) * 2002-08-02 2005-09-28 日本电气株式会社 微芯片、制造微芯片的方法、以及检测成分的方法
US20190292590A1 (en) * 2008-09-16 2019-09-26 Pacific Biosciences Of California, Inc. Substrates and optical systems and methods of use thereof
CN102944911A (zh) * 2012-11-21 2013-02-27 清华大学 一种光波导及其制作方法
CN106959370A (zh) * 2017-03-28 2017-07-18 中国电子科技集团公司第三十八研究所 一种基于耦合光栅的荧光生物传感器及检测方法
US20200007123A1 (en) * 2018-07-02 2020-01-02 Boe Technology Group Co., Ltd. Microfluid detection device, system and method, processing device and storage medium
CN110045460A (zh) * 2019-05-31 2019-07-23 中国科学院微电子研究所 一种光波导的制造方法
CN110628601A (zh) * 2019-10-19 2019-12-31 上海新微技术研发中心有限公司 柔性基底纳米孔结构和纳米孔阵列制造方法
CN110628598A (zh) * 2019-10-19 2019-12-31 上海新微技术研发中心有限公司 模块化组装的纳米孔装置

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHINESE OPTICS LETTERS编辑部: "氮氧化硅基高分辨率芯片光谱仪", 《光电产品与资讯》 *
GALAN ANDRES M: "Design and characterization of a package-less hybrid PDMS-CMOS-FR4 contact-imaging system for microfluidic integration", 《JOURNAL OF MICRO/NANOLITHOGRAPHY, MEMS & MOEMS》 *
方青: "硅光子阵列波导光栅器件研究进展", 《激光与光电子学进展》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111229341B (zh) 2022-02-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111229336B (zh) 光波导多微流道芯片的制造方法
CN111157734A (zh) 基于cmos图像传感的光栅波导微流体检测系统
CN211603213U (zh) 光波导多微流道检测系统
CN211826084U (zh) 光栅波导微流体检测系统
CN211826081U (zh) 光波导多微流道检测系统
CN211785572U (zh) 光波导微流体检测系统
CN211603214U (zh) 光栅波导微流体检测系统
CN111229341B (zh) 光栅波导多微流道芯片的制造方法
CN111151317B (zh) 光栅波导多微流道芯片的制造方法
CN111208069A (zh) 光栅波导多微流道检测系统
CN211826083U (zh) 基于cmos图像传感的光波导多微流道检测系统
CN111157731B (zh) 基于cmos图像传感的光波导多微流道检测系统
CN212134710U (zh) 基于cmos图像传感的光栅波导多微流道检测系统
CN111157728A (zh) 光波导微流体检测系统
CN111190009B (zh) 基于cmos图像传感的光栅波导多微流道检测系统
CN111229342B (zh) 基于cmos图像传感的光栅波导多微流道芯片的制造方法
CN211785573U (zh) 基于cmos图像传感的光栅波导微流体检测系统
CN211877769U (zh) 光栅波导多微流道检测系统
CN211785134U (zh) 光栅波导多微流道检测系统
CN111229337B (zh) 光波导多微流道芯片的制造方法
CN111157729A (zh) 基于cmos图像传感的光波导微流体检测系统
CN111135886A (zh) 光波导微流体芯片
CN211826082U (zh) 光波导微流体检测系统
CN111157727B (zh) 光波导多微流道检测系统
CN111157730B (zh) 光波导多微流道检测系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant