CN111483972A - 富集器芯片结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种富集器芯片结构及制备方法，制备包括：提供衬底，制备凹槽结构；制备若干个微柱结构，相邻所述微柱结构基于所述开口嵌套设置；制备微流控端口，与所述凹槽结构相连通；及提供一盖板，并将所述盖板制备于所述衬底形成有所述凹槽结构的一侧，且所述盖板至少覆盖所述凹槽结构。本发明通过在凹槽结构形成的腔体内设计嵌套设置的微柱结构阵列，可以获得大的表面积，并使得流场均匀分布，且延长气体流路路径，进而提高吸附材料的均匀性，提高吸附气体的富集率，另外，通过在腔体内表面构筑一层高比面积的介孔氧化硅，如纳米介孔氧化硅，可极大地增加腔体内的内表面积，从而进一步提高吸附材料的承载量，提高富集器芯片结构的富集率。

Description

富集器芯片结构及其制备方法

技术领域

本发明属于微电子机械系统领域，特别是涉及一种富集器芯片结构及其制备方法。

背景技术

富集是一种重要的分析技术。富集器是气体分析仪器(如气相色谱仪、离子迁移谱、质谱仪)中的重要部件，常设置于仪器的前端，其主要功能是大量吸附被探测的目标气体组分，即进行富集，然后使目标气体组分在极短的时间内脱附，此时目标气体组分浓度被瞬间放大，并被送入分析仪器进行检测。一般而言，富集器可将分析仪器的探测能力提高1-3个数量级，当目标气体浓度比较低，特别是低于分析仪器的探测阈值时，富集器就显得尤为重要。

传统的富集器为管状结构，通常是金属管或玻璃管，管内填充吸附材料，管外绕制加热丝。传统富集器的优点是富集率高，但是其死体积大，热容量大，升温速率慢，功耗也较大。而基于MEMS(Micro-electro-mechanical systems)技术的硅基微富集器由于死体积小、热容量小、升温迅速、功耗低、易于集成等优点，备受研究者的关注。硅基微富集器结构可分为单沟道式和腔体式。单沟道式的硅基微富集器结构简单，但由于沟道长度较长使其出入口两端的压差大，由于沟道内没有设计制作微结构，其表面积也小，而现有的腔体式结构会带来不同的气流场分布，不均匀的气体流场分布会限制富集率的进一步提高。

因此，如何提供一种富集器芯片结构及制备方法以解决现有技术中的上述问题实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种富集器芯片结构及制备方法，用于解决现有技术中气体流场分布不均匀以及富集率有限等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种富集器芯片结构的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

提供一衬底，并所述衬底中制备凹槽结构；

于所述衬底中制备若干个微柱结构，所述微柱结构位于所述凹槽结构中，所述微柱结构包括依次连接的第一延伸部、连接部以及第二延伸部，所述第一延伸部、所述连接部及所述第二延伸部围成一具有开口的空间区域，相邻所述微柱结构基于所述开口嵌套设置；

于所述衬底中制备至少两个微流控端口，所述微流控端口与所述凹槽结构相连通；及

提供一盖板，并将所述盖板制备于所述衬底形成有所述凹槽结构的一侧，且所述盖板至少覆盖所述凹槽结构。

作为本发明的一种可选方案，制备所述盖板后，还包括步骤：于所述盖板远离所述衬底的一侧以及所述衬底远离所述盖板的一侧中的至少一者上制备加热电阻及测温电阻。

作为本发明的一种可选方案，制备所述加热电阻及所述测温电阻的步骤包括：于需要形成所述加热电阻及所述测温电阻的结构的表面沉积金属材料层，并于所述金属材料层上形成图形化掩膜层，并基于所述图形化掩膜层刻蚀所述金属材料层，以形成所述加热电阻及所述测温电阻。

作为本发明的一种可选方案，将所述盖板制备于所述衬底上的方式包括阳极键合，其中，所述盖板包括玻璃盖板，所述阳极键合的键合温度介于200℃-450℃之间，键合电压介于600V-1400V之间。

作为本发明的一种可选方案，所述凹槽结构的形状包括椭圆形及中间呈方形且两端呈弧形的结构中的任意一种；所述微柱结构的形状包括U型、V型及不规则型中的任意一种。

作为本发明的一种可选方案，所述微柱结构的形状包括U型，所述U型的开口构成所述空间区域的所述开口，且相邻所述微柱结构的所述开口相对设置，并通过相邻的所述微柱结构的所述第一延伸部与所述第二延伸部的穿插设置实现所述微柱结构的所述嵌套设置。

作为本发明的一种可选方案，所述制备方法还包括步骤：至少于所述微柱结构的表面制备介孔氧化硅层。

作为本发明的一种可选方案，制备形成所述凹槽结构、所述微柱结构及所述微流控端口之后制备所述介孔氧化硅层，且所述氧化硅层形成于所述凹槽结构内表面以及所述微柱结构的表面。

作为本发明的一种可选方案，制备所述介孔氧化硅层的步骤包括：

1)提供容置装置，并向所述容置装置中加入乙醇和正硅酸乙酯；

2)向所述容置装置中加入浓盐酸，并将所述容置装置置于油浴锅中进行搅拌；

3)取出所述容置装置，并向所述容置装置中加入水和浓盐酸进行室温搅拌；

4)将所述容置装置置于油浴锅中进行搅拌；

5)取出所述容置装置，并向所述容置装置中加入乙醇进行室温搅拌；

6)向所述容置装置中加入十六烷基三甲基溴化铵粉末，室温搅拌至所述十六烷基三甲基溴化铵粉末溶解，并继续搅拌；

7)取预设量的所述容置装置中的所得液，并加入乙醇进行稀释，得到所得液稀释液；

8)将至少形成有所述微柱结构的所述衬底置于所述所得液稀释液中，并基于提拉法拉出所述衬底；以及

9)对拉出的所述衬底进行干燥，并对干燥后的所述衬底进行焙烧，以至少于所述微柱结构的表面制备得到所述介孔氧化硅层。

作为本发明的一种可选方案，基于形成于所述衬底上的图形化掩膜层制备所述凹槽结构及所述微柱结构，其中，保留所述图形化掩膜层至步骤9)中，并在进行所述干燥之后且在进行所述烘焙之前去除述所述图形化掩膜层。

作为本发明的一种可选方案，制备介孔氧化硅层之后还包括步骤：至少于所述介孔氧化硅层表面制备吸附材料层。

作为本发明的一种可选方案，在制备所述盖板之后制备所述吸附材料层，其中，制备所述吸附材料层的方式包括：于所述微流控端口处安装毛细管，并基于所述毛细管至少于所述介孔氧化硅层表面形成所述吸附材料层。

作为本发明的一种可选方案，在制备所述盖板之前制备所述吸附材料层，其中，制备所述吸附材料层的方式包括蒸发、溅射、原子层沉积以及分子气相沉积中的至少一种。

本发明还提供一种富集器芯片结构，所述富集器芯片结构包括：

衬底，且所述衬底中形成有凹槽结构；

若干个微柱结构，形成于所述衬底上并位于所述凹槽结构中，所述微柱结构包括依次连接的第一延伸部、连接部以及第二延伸部，所述第一延伸部、所述连接部及所述第二延伸部围成一具有开口的空间区域，且相邻所述微柱结构基于所述开口嵌套设置；

至少两个微流控端口，形成于所述衬底中，并与所述凹槽结构相连通；以及

盖板，形成于所述衬底形成有所述凹槽结构的一侧，并至少覆盖所述凹槽结构。

作为本发明的一种可选方案，所述富集器芯片结构还包括加热电阻及测温电阻，其中，所述加热电阻及所述测温电阻位于所述盖板远离所述衬底的一侧以及所述衬底远离所述盖板的一侧中的至少一者上。

作为本发明的一种可选方案，所述凹槽结构的形状包括椭圆形及中间呈方形且两端呈弧形的结构中的任意一种；所述微柱结构的形状包括U型、V型及不规则型中的任意一种。

作为本发明的一种可选方案，所述微柱结构的形状包括U型，所述U型的开口构成所述空间区域的所述开口，且相邻所述微柱结构的所述开口相对设置，并通过相邻的所述微柱结构的所述第一延伸部与所述第二延伸部的穿插设置实现所述微柱结构的所述嵌套设置。

作为本发明的一种可选方案，所述第一延伸部及所述第二延伸部构成U型的所述微柱结构的两侧部，所述连接部构成U型的所述微柱结构的底部，其中，所述侧部的形状包括长方形，所述底部的形状包括半圆弧形，其中，所述半圆弧形的外径介于35μm-560μm之间，所述半圆弧形的内径介于25μm-400μm之间；所述长方形的宽介于5μm-80μm之间，所述长方形的长介于80μm-480μm之间；相邻所述微柱结构之间的间距介于5μm-80μm之间。

作为本发明的一种可选方案，所述富集器芯片结构还包括介孔氧化硅层，所述介孔氧化硅层至少位于所述微柱结构的表面。

如上所述，本发明的富集器芯片结构及其制备方法，通过在凹槽结构形成的腔体内设计嵌套设置的微柱结构阵列，可以获得大的表面积，并使得流场均匀分布，且延长气体流路路径，进而提高吸附材料的均匀性，提高吸附气体的富集率，另外，通过在腔体内表面构筑一层高比面积的介孔氧化硅，如纳米介孔氧化硅，可极大地增加腔体内的内表面积，从而进一步提高吸附材料的承载量，提高富集器芯片结构的富集率。

附图说明

图1显示为本发明基于介孔氧化硅的硅基微富集器芯片(a)结构示意图；(b)腔体内分布有嵌套U型微柱阵列结构示意图；(c)嵌套U型微柱单元的结构参数；(d)气体流路分布示意图。

图2–图8为实施例一的一种基于介孔氧化硅的硅基微富集器芯片制备主要步骤示意图，

其中，图2显示为形成图形化掩膜层的示意图。

图3显示为形成凹槽结构及微柱结构的示意图。

图4显示为形成介孔氧化硅层的示意图。

图5显示为去掉剩余的图形化掩膜层的示意图。

图6显示为形成盖板的示意图。

图7显示为形成金属材料层及图形化掩膜层的结构示意图。

图8显示为形成加热电阻和测温电阻的结构示意图。

图9为加热电阻和测温电阻形状的俯视示意图。

图10(a)硅基微富集器芯片结构的扫描电镜照片；(b)涂覆在硅基微富集器腔体内表面的介孔氧化硅扫描电镜照片。

图11-12为实施例二的一种基于介孔氧化硅的硅基微富集器芯片制备主要步骤示意图，

其中，图11显示为形成吸附材料层的示意图。

图12显示为形成盖板的示意图。

元件标号说明

100 衬底

101 凹槽结构

102 微柱结构

102a 第一延伸部

102b 连接部

102c 第二延伸部

103 微流控端口

104 图形化掩膜层

105 介孔氧化硅层

106 盖板

107 金属材料层

108 图形化掩膜层

109 加热电阻

110 测温电阻

111 吸附材料层

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图12。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

实施例一：

如图1-9所示，本发明提供一种富集器芯片结构的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

提供一衬底100，并所述衬底100中制备凹槽结构101；

于所述衬底100中制备若干个微柱结构102，所述微柱结构102位于所述凹槽结构101中，所述微柱结构102包括依次连接的第一延伸部102a、连接部102b以及第二延伸部102c，所述第一延伸部102a、所述连接部102b及所述第二延伸部102c围成一具有开口的空间区域，相邻所述微柱结构102基于所述开口嵌套设置；

于所述衬底100中制备至少两个微流控端口103，所述微流控端口103与所述凹槽结构101相连通；及

提供一盖板106，并将所述盖板106制备于所述衬底100形成有所述凹槽结构101的一侧，且所述盖板106至少覆盖所述凹槽结构101。

下面将结合附图详细说明本发明的富集器芯片结构的制备，其中，上述制备方法中的各个步骤及顺序可以依据实际工艺进行合并或者互换。

首先，在一示例中，提供一衬底100，其中，所述衬底100用于基于其形成后续芯片结构，可以是硅衬底100等，该示例中选择为硅衬底100，但并不以此为限。

接着，在所述衬底100上制备所述凹槽结构101、所述微柱结构102及所述微流控端口103，其中，三种结构可以基于同一掩膜层在同一工艺下刻蚀/腐蚀形成，也可以是分别或者两两刻蚀形成，在一示例中，选择三者同时刻蚀成型。

作为示例，刻蚀形成的工艺具有包括：于所述衬底100上形成一图形化掩膜层104，所述图形化掩膜层可以是光刻胶、氧化硅、氮化硅等，其上形成有所需要的图案，并基于所述图形化掩膜层104形成所述凹槽结构101、所述微柱结构102及所述微流控端口103。其中，所述微流控端口103的数量可以依据实际需求进行选择，在一示例中，选择为两个，分别设置在所述凹槽结构101相对的两端，可封接毛细管柱提供与外界的气体通路。

具体的，所述微柱结构102包括依次连接的第一延伸部102a、连接部102b以及第二延伸部102c，所述第一延伸部102a、所述连接部102b及所述第二延伸部102c围成一具有开口的空间区域，相邻所述微柱结构102基于所述开口嵌套设置，进行所述嵌套设置是指相邻的所述微柱结构102之间相互嵌套，可以是插值的方式穿插设置，如以某一个参考所述微柱结构102为例，可以是其左侧的所述微柱结构102的第二延伸部102c自参考微柱结构102的所述开口插入到参考微柱结构102的所述空间区域中，其右侧的微柱结构102的所述第一延伸部102a自参考微柱结构102的所述开口插入到参考微柱结构102的所述空间区域中，以实现嵌套设置。

作为示例，所述凹槽结构101的形状包括椭圆形及中间呈方形且两端呈弧形的结构中的任意一种；

作为示例，所述微柱结构102的形状包括U型、V型及不规则型中的任意一种。

具体的，所述凹槽结构101和覆盖在其上的所述盖板106形成一腔体，构成硅基微富集器的腔体，其中，在一示例中，从俯视角度看，腔体中间为一长方形，两端为两个弧形，优选为两个半圆形，另外，根据需要腔体也可设计为椭圆形，这种圆形或椭圆形结构保证腔体结构呈流线型，有利于流场的均匀分布。另外，所述微柱结构102的俯视角度的形状包括U型、V型及不规则型中的任意一种，例如U型的腔构成所述空间区域，当然，也可以是所述第一延伸部102a、所述连接部102b及所述第二延伸部102c均为不规则结构，从而形成具有所述开口的所述空间区域。

作为示例，所述微柱结构102的形状包括U型，所述U型的开口构成所述空间区域的所述开口，且相邻所述微柱结构102的所述开口相对设置，并通过相邻的所述微柱结构102的所述第一延伸部102a与所述第二延伸部102c的穿插设置实现所述微柱结构102的所述嵌套设置。

作为示例，所述第一延伸部102a及所述第二延伸部102c构成U型的所述微柱结构102的两侧部，所述连接部102b构成U型的所述微柱结构102的底部，其中，所述侧部的形状包括长方形，所述底部的形状包括半圆弧形，其中，所述半圆弧形的外径介于35μm-560μm之间，所述半圆弧形的内径介于25μm-400μm之间；所述长方形的宽介于5μm-80μm之间，所述长方形的长介于80μm-480μm之间；相邻所述微柱结构102之间的间距介于5μm-80μm之间。其中，相邻所述微柱结构102之间的间距是指穿插设置的相邻的所述微柱结构102中，穿插后两微柱结构102的相对一侧的距离，如某一所述微柱结构102的第一延伸部102a与相邻的微柱结构102的第二延伸部102c的相对的两个表面之间的距离。

具体的，在一示例中，所述微柱结构102呈U型设置，U型微柱结构横截面(俯视)如图1(c)，由一个半圆弧和两个与之相连接的长方形构成，半圆弧的外径为280微米，内径为200微米，长方形宽40微米，长280微米；U型微柱相互嵌套(图1(b)-(c))呈规则排列的阵列分布，相邻U型微柱之间相距40微米；上述结构尺寸可根据需要按比例放大或者缩小。这种嵌套U型微柱阵列一方面由于微柱均匀分布，气体可在U型微柱的间隙均匀流动(气体流路如图1(d))，增加了气体流路的长度从而增加了气体与微柱表面富集材料的接触几率，上述因素都会进一步提高芯片的富集率。

作为示例，将所述盖板106制备于所述衬底100上的方式包括阳极键合，其中，所述盖板106包括玻璃盖板106，所述阳极键合的键合温度介于200℃-450℃之间，键合电压介于600V-1400V之间。

具体的，本发明的富集器芯片结构制备中还形成所述盖板106，所述盖板106包括玻璃盖板106，在一示例中，选择为双抛玻璃片，进一步，将所述盖板106制备于所述衬底100方式可以是键合的方式，也可以是本领域熟知的其他方式，在一示例中，选择为阳极键合的方式，所述阳极键合的键合温度选择为300℃，键合电压选择为1000V，另外，所述盖板106至少覆盖所述凹槽结构101以形成所述富集器的腔体，在一示例中，所述盖板106还覆盖所述微流控端口103，进一步可以覆盖整个所述衬底100。

作为示例，制备所述盖板106后，还包括步骤：于所述盖板106远离所述衬底100的一侧以及所述衬底100远离所述盖板106的一侧中的至少一者上制备加热电阻109及测温电阻110。

作为示例，制备所述加热电阻109及所述测温电阻110的步骤包括：于需要形成所述加热电阻109及所述测温电阻110的结构的表面沉积金属材料层107，并于所述金属材料层107上形成图形化掩膜层108，并基于所述图形化掩膜层108刻蚀所述金属材料层107，以形成所述加热电阻109及所述测温电阻110。

具体的，本发明的富集器结构中，可以通过外接设置加热装置的方式对其进行加热，从而可以进行富集气体的释放，在一示例中，可以是通过设置所述加热电阻109的方式进行上述加热，在进一步可选示例中，还可以在设置所述加热电阻109的同时，设置测温电阻110，以有效进行气体释放，所述测温电阻110优选设置在所述加热电阻109的同一侧，在一示例中，所述加热电阻109设置在所述测温电阻110的外围，即所述加热电阻109环绕所述测温电阻110设置。

在一示例中，在所述盖板106远离所述衬底100的一侧设置所述加热电阻109和所述测温电阻110，在所述衬底100远离所述盖板106的一侧也设置所述加热电阻109和所述测温电阻110，在一示例中，其形成方式可以是，在衬底100、盖板106上沉积金属材料层107(如Ti/Pt等)，旋涂掩膜层(如光刻胶)并图形化，刻蚀/腐蚀金属层得到所述加热电阻109和所述测温电阻110。

另外，在一示例中，可以在形成所述加热电阻109和所述测温电阻110后进行划片，以得到硅基微富集器芯片。

作为示例，所述制备方法还包括步骤：至少于所述微柱结构102的表面制备介孔氧化硅层105。

具体的，在一示例中，还包括至少于所述微柱结构102的表面制备介孔氧化硅层105的步骤，可以是纳米介孔氧化硅，在一可选示例中，所述介孔氧化硅层105形成于所述凹槽结构101内表面以及所述微柱结构102的表面，基于介孔氧化硅纳米构筑技术，在硅基微富集器腔体的内表面制备一层薄的高比表面积的介孔氧化硅，最后将吸附材料涂覆在介孔氧化硅上，与原来的硅表面相比介孔氧化硅薄膜能承载更多的吸附材料。

作为示例，制备形成所述凹槽结构101、所述微柱结构102及所述微流控端口103之后制备所述介孔氧化硅层105。

具体的，在一示例中，制备形成所述凹槽结构101、所述微柱结构102及所述微流控端口103之后制备所述介孔氧化硅层105，在一示例中，基于所述图形化掩膜层形成上述结构，在上述结构制备完成后包括剩余的所述图形化掩膜层，以在后续工艺中保护键合面。

作为示例，制备所述介孔氧化硅层105的步骤包括：

1)提供容置装置，并向所述容置装置中加入乙醇和正硅酸乙酯；

2)向所述容置装置中加入浓盐酸，并将所述容置装置置于油浴锅中进行搅拌；

3)取出所述容置装置，并向所述容置装置中加入水和浓盐酸进行室温搅拌；

4)将所述容置装置置于油浴锅中进行搅拌；

5)取出所述容置装置，并向所述容置装置中加入乙醇进行室温搅拌；

6)向所述容置装置中加入十六烷基三甲基溴化铵粉末，室温搅拌至所述十六烷基三甲基溴化铵粉末溶解，并继续搅拌；

7)取预设量的所述容置装置中的所得液，并加入乙醇进行稀释，得到所得液稀释液；

8)将至少形成有所述微柱结构102的所述衬底100置于所述所得液稀释液中，并基于提拉法拉出所述衬底100；以及

9)对拉出的所述衬底100进行干燥，并对干燥后的所述衬底100进行焙烧，以至少于所述微柱结构102的表面制备得到所述介孔氧化硅层105。

作为示例，基于形成于所述衬底100上的图形化掩膜层制备所述凹槽结构101及所述微柱结构102，其中，保留所述图形化掩膜层至步骤9)中，并在进行所述干燥之后且在进行所述烘焙之前去除述所述图形化掩膜层。

具体的，所述容置装置可以是烧瓶，在一示例中，在已经制作好微腔体和微流控端口103的硅衬底100上采用溶剂挥发诱导自组装(Evaporation Induced Self-Assembly,EISA)的非水合成法在微沟道内部构筑一层纳米介孔氧化硅层105，工艺过程为：(a)在500mL容量的烧瓶里加入50mL乙醇和50mL TEOS，然后往烧瓶中加入4.14mL水和1μL的浓盐酸，将烧瓶置入60℃的油浴锅中搅拌30min；(b)将烧瓶取出，加入16.6mL的水，76μL的浓盐酸室温搅拌15min；(c)将烧瓶置入50℃的油浴锅中搅拌15min；(d)将烧瓶从油浴锅中取出，然后加入250mL乙醇，室温搅拌；(e)往烧瓶中加入8.36g的CTAB粉末，室温搅拌至CTAB全部溶解后，继续搅拌1h；(f)取20mL的所得溶液，加入0-200mL乙醇稀释。(g)在已经制作好微沟道和微流控端口103的硅衬底100的键合面上制作掩模保护键合面，在一示例中，该掩模可以前续制备微柱结构102等结构的工艺中保留的图形化掩膜层，随后将该硅衬底100浸入溶液中，用提拉法以5-15mL/min速率将硅衬底100拉出。(h)将该硅衬底100置于干燥塔中干燥三天，并去掉掩模。(i)将该硅衬底100置入炉中焙烧，具体焙烧条件为：以1℃/min的温升速率使煅烧炉温度上升到550℃，保持550℃的炉温360min，然后自然冷却。

作为示例，制备介孔氧化硅层105之后还包括步骤：至少于所述介孔氧化硅层105表面制备吸附材料层111。

具体的，在一示例中，制备介孔氧化硅层105之后还包括步骤：至少于所述介孔氧化硅层105表面制备吸附材料层111。在一示例中，所述吸附材料层111可以形成于所述凹槽结构101内表面的介孔氧化硅层105上，还形成在所述微柱结构102表面的介孔氧化硅层105的表面上。

作为示例，在制备所述盖板106之后制备所述吸附材料层111，其中，制备所述吸附材料层111的方式包括：于所述微流控端口103处安装毛细管，并基于所述毛细管至少于所述介孔氧化硅层105表面形成所述吸附材料层111。

具体的，在该示例中，在制备所述盖板106之后，在另一可选示例中，在制备形成所述加热电极及所述测温电阻110，且在划片得到硅基微富集器芯片后，在微流控端口103安装毛细管，并用胶密封端口，最后通过安装的毛细管向硅基微富集器芯片的腔体内涂覆吸附材料(如Tenax-TA等)。

另外，如图1所示，参见图2-10，本发明还提供一种富集器芯片结构，所述富集器芯片结构包括：

衬底100，且所述衬底100中形成有凹槽结构101；

若干个微柱结构102，形成于所述衬底100上并位于所述凹槽结构101中，所述微柱结构102包括依次连接的第一延伸部102a、连接部102b以及第二延伸部102c，所述第一延伸部102a、所述连接部102b及所述第二延伸部102c围成一具有开口的空间区域，且相邻所述微柱结构102基于所述开口嵌套设置；

至少两个微流控端口103，形成于所述衬底100中，并与所述凹槽结构101相连通；以及

盖板106，形成于所述衬底100形成有所述凹槽结构101的一侧，并至少覆盖所述凹槽结构101。

具体的，所述衬底100用于基于其形成后续芯片结构，可以是硅衬底100等，该示例中选择为硅衬底100，但并不以此为限。所述微流控端口103的数量可以依据实际需求进行选择，在一示例中，选择为两个，分别设置在所述凹槽结构101相对的两端，可封接毛细管柱提供与外界的气体通路。

具体的，所述微柱结构102包括依次连接的第一延伸部102a、连接部102b以及第二延伸部102c，所述第一延伸部102a、所述连接部102b及所述第二延伸部102c围成一具有开口的空间区域，相邻所述微柱结构102基于所述开口嵌套设置，进行所述嵌套设置是指相邻的所述微柱结构102之间相互嵌套，可以是插值的方式穿插设置，如以某一个参考所述微柱结构102为例，可以是其左侧的所述微柱结构102的第二延伸部102c自参考微柱结构102的所述开口插入到参考微柱结构102的所述空间区域中，其右侧的微柱结构102的所述第一延伸部102a自参考微柱结构102的所述开口插入到参考微柱结构102的所述空间区域中，以实现嵌套设置。

作为示例，所述凹槽结构101的形状包括椭圆形及中间呈方形且两端呈弧形的结构中的任意一种；

作为示例，所述微柱结构102的形状包括U型、V型及不规则型中的任意一种。

具体的，所述凹槽结构101和覆盖在其上的所述盖板106形成一腔体，构成硅基微富集器的腔体，其中，在一示例中，从俯视角度看，腔体中间为一长方形，两端为两个弧形，优选为两个半圆形，另外，根据需要腔体也可设计为椭圆形，这种圆形或椭圆形结构保证腔体结构呈流线型，有利于流场的均匀分布。另外，所述微柱结构102的俯视角度的形状包括U型、V型及不规则型中的任意一种，例如U型的腔构成所述空间区域，当然，也可以是所述第一延伸部102a、所述连接部102b及所述第二延伸部102c均为不规则结构，从而形成具有所述开口的所述空间区域。

作为示例，所述微柱结构102的形状包括U型，所述U型的开口构成所述空间区域的所述开口，且相邻所述微柱结构102的所述开口相对设置，并通过相邻的所述微柱结构102的所述第一延伸部102a与所述第二延伸部102c的穿插设置实现所述微柱结构102的所述嵌套设置。

作为示例，所述第一延伸部102a及所述第二延伸部102c构成U型的所述微柱结构102的两侧部，所述连接部102b构成U型的所述微柱结构102的底部，其中，所述侧部的形状包括长方形，所述底部的形状包括半圆弧形，其中，所述半圆弧形的外径介于35μm-560μm之间，所述半圆弧形的内径介于25μm-400μm之间；所述长方形的宽介于5μm-80μm之间，所述长方形的长介于80μm-480μm之间；相邻所述微柱结构102之间的间距介于5μm-80μm之间。其中，相邻所述微柱结构102之间的间距是指穿插设置的相邻的所述微柱结构102中，穿插后两微柱结构102的相对一侧的距离，如某一所述微柱结构102的第一延伸部102a与相邻的微柱结构102的第二延伸部102c的相对的两个表面之间的距离。

具体的，在一示例中，所述微柱结构102呈U型设置，U型微柱11横截面(俯视)如图1(c)，由一个半圆弧和两个与之相连接的长方形构成，半圆弧的外径为280微米，内径为200微米，长方形宽40微米，长280微米；U型微柱相互嵌套(图1(b)-(c))呈规则排列的阵列分布，相邻U型微柱之间相距40微米；上述结构尺寸可根据需要按比例放大或者缩小。这种嵌套U型微柱阵列一方面由于微柱均匀分布，气体可在U型微柱的间隙均匀流动(图1(d))，可提高吸附材料涂覆的均匀性和气体在整个腔体内的均匀吸附；另一方面，与其它微柱结构102相比较，嵌套U型微柱增加了表面积从而增加了吸附材料的承载面积，且气体流路沿着U型微柱阵列的间隙曲折来回(图1(d))，增加了气体流路的长度从而增加了气体与微柱表面富集材料的接触几率，上述因素都会进一步提高芯片的富集率。

具体的，本发明的富集器芯片结构制备中还形成所述盖板106，所述盖板106包括玻璃盖板106，在一示例中，选择为双抛玻璃片，另外，所述盖板106至少覆盖所述凹槽结构101以形成所述富集器的腔体，在一示例中，所述盖板106还覆盖所述微流控端口103，进一步可以覆盖整个所述衬底100。

作为示例，所述富集器芯片结构还包括加热电阻109及测温电阻110，其中，所述加热电阻109及所述测温电阻110位于所述盖板106远离所述衬底100的一侧以及所述衬底100远离所述盖板106的一侧中的至少一者上。

具体的，本发明的富集器结构中，可以通过外接设置加热装置的方式对其进行加热，从而可以进行富集气体的释放，在一示例中，可以是通过设置所述加热电阻109的方式进行上述加热，在进一步可选示例中，还可以在设置所述加热电阻109的同时，设置测温电阻110，以有效进行气体释放，所述测温电阻110优选设置在所述加热电阻109的同一侧，在一示例中，所述加热电阻109设置在所述测温电阻110的外围，即所述加热电阻109环绕所述测温电阻110设置。在一示例中，在所述盖板106远离所述衬底100的一侧设置所述加热电阻109和所述测温电阻110，在所述衬底100远离所述盖板106的一侧也设置所述加热电阻109和所述测温电阻110，在一示例中，所述加热电阻109和所述测温电阻110可以是金属材料，如Ti/Pt等。

作为示例，所述富集器芯片结构还包括介孔氧化硅层105，所述介孔氧化硅层105至少位于所述微柱结构102的表面。

具体的，在一示例中，所述介孔氧化硅层105可以是纳米介孔氧化硅，在一可选示例中，所述介孔氧化硅层105形成于所述凹槽结构101内表面以及所述微柱结构102的表面，基于介孔氧化硅纳米构筑技术，在硅基微富集器腔体的内表面制备一层薄的高比表面积的介孔氧化硅，最后将吸附材料涂覆在介孔氧化硅上，与原来的硅表面相比介孔氧化硅薄膜能承载更多的吸附材料。

实施例二：

另外，如图11-12所示，参见图1-10，本发明还提供另外一种富集器芯片结构的制备方法，与实施例一的不同之处在于，所述吸附材料层111的形成顺序及方式不同不同，该实施例中，在制备所述盖板106之前制备所述吸附材料层111，其中，制备所述吸附材料层111的方式包括蒸发、溅射、原子层沉积以及分子气相沉积中的至少一种，即在形成所述介孔氧化硅层105之后，沉积(如采用蒸发、溅射、原子层沉积、分子气相沉积)吸附材料层111(如氧化铝等)，在一示例中，当基于图形化掩膜层形成微柱结构102等结构时，在形成吸附材料层111之后去除所述图形化掩膜层。接着，将上述硅衬底100有微腔体的一面和玻璃盖板106(双抛玻璃片)进行阳极键合，键合温度为200-450℃，键合电压600-1400V；)在硅衬底100、玻璃衬底100上沉积金属层(如Ti/Pt等)，旋涂掩膜层(如光刻胶)并图形化；刻蚀/腐蚀金属层得到加热电阻109和测温电阻110，划片得到硅基微富集器芯片，在微流控端口103安装毛细管，并用胶密封端口，完成硅基微富集器芯片的制作，其他工艺及结构可参考实施例一。

综上所述，本发明提供一种富集器芯片结构及制备方法，制备包括：提供一衬底，并所述衬底中制备凹槽结构；于所述衬底中制备若干个微柱结构，所述微柱结构位于所述凹槽结构中，所述微柱结构包括依次连接的第一延伸部、连接部以及第二延伸部，所述第一延伸部、所述连接部及所述第二延伸部围成一具有开口的空间区域，相邻所述微柱结构基于所述开口嵌套设置；于所述衬底中制备至少两个微流控端口，所述微流控端口与所述凹槽结构相连通；及提供一盖板，并将所述盖板制备于所述衬底形成有所述凹槽结构的一侧，且所述盖板至少覆盖所述凹槽结构。本发明的富集器芯片结构及其制备方法，通过在凹槽结构形成的腔体内设计嵌套设置的微柱结构阵列，可以获得大的表面积，并使得流场均匀分布，且延长气体流路路径，进而提高吸附材料的均匀性，提高吸附气体的富集率，另外，通过在腔体内表面构筑一层高比面积的介孔氧化硅，如纳米介孔氧化硅，可极大地增加腔体内的内表面积，从而进一步提高吸附材料的承载率，提高富集器芯片结构的富集率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (19)

1.一种富集器芯片结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

提供一衬底，并所述衬底中制备凹槽结构；

于所述衬底中制备若干个微柱结构，所述微柱结构位于所述凹槽结构中，所述微柱结构包括依次连接的第一延伸部、连接部以及第二延伸部，所述第一延伸部、所述连接部及所述第二延伸部围成一具有开口的空间区域，相邻所述微柱结构基于所述开口嵌套设置；

于所述衬底中制备至少两个微流控端口，所述微流控端口与所述凹槽结构相连通；及

提供一盖板，并将所述盖板制备于所述衬底形成有所述凹槽结构的一侧，且所述盖板至少覆盖所述凹槽结构。

2.根据权利要求1所述的富集器芯片结构的制备方法，其特征在于，制备所述盖板后，还包括步骤：于所述盖板远离所述衬底的一侧以及所述衬底远离所述盖板的一侧中的至少一者上制备加热电阻及测温电阻。

3.根据权利要求2所述的富集器芯片结构的制备方法，其特征在于，制备所述加热电阻及所述测温电阻的步骤包括：于需要形成所述加热电阻及所述测温电阻的结构的表面沉积金属材料层，并于所述金属材料层上形成图形化掩膜层，并基于所述图形化掩膜层刻蚀所述金属材料层，以形成所述加热电阻及所述测温电阻。

4.根据权利要求1所述的富集器芯片结构的制备方法，其特征在于，将所述盖板制备于所述衬底上的方式包括阳极键合，其中，所述盖板包括玻璃盖板，所述阳极键合的键合温度介于200℃-450℃之间，键合电压介于600V-1400V之间。

5.根据权利要求1所述的富集器芯片结构的制备方法，其特征在于，所述凹槽结构的形状包括椭圆形及中间呈方形且两端呈弧形的结构中的任意一种；所述微柱结构的形状包括U型、V型及不规则型中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的富集器芯片结构的制备方法，其特征在于，所述微柱结构的形状包括U型，所述U型的开口构成所述空间区域的所述开口，且相邻所述微柱结构的所述开口相对设置，并通过相邻的所述微柱结构的所述第一延伸部与所述第二延伸部的穿插设置实现所述微柱结构的所述嵌套设置。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的富集器芯片结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括步骤：至少于所述微柱结构的表面制备介孔氧化硅层。

8.根据权利要求7所述的富集器芯片结构的制备方法，其特征在于，制备形成所述凹槽结构、所述微柱结构及所述微流控端口之后制备所述介孔氧化硅层，且所述氧化硅层形成于所述凹槽结构内表面以及所述微柱结构的表面。

9.根据权利要求7所述的富集器芯片结构的制备方法，其特征在于，制备所述介孔氧化硅层的步骤包括：

1)提供容置装置，并向所述容置装置中加入乙醇和正硅酸乙酯；

2)向所述容置装置中加入浓盐酸，并将所述容置装置置于油浴锅中进行搅拌；

3)取出所述容置装置，并向所述容置装置中加入水和浓盐酸进行室温搅拌；

4)将所述容置装置置于油浴锅中进行搅拌；

5)取出所述容置装置，并向所述容置装置中加入乙醇进行室温搅拌；

6)向所述容置装置中加入十六烷基三甲基溴化铵粉末，室温搅拌至所述十六烷基三甲基溴化铵粉末溶解，并继续搅拌；

7)取预设量的所述容置装置中的所得液，并加入乙醇进行稀释，得到所得液稀释液；

8)将至少形成有所述微柱结构的所述衬底置于所述所得液稀释液中，并基于提拉法拉出所述衬底；以及

9)对拉出的所述衬底进行干燥，并对干燥后的所述衬底进行焙烧，以至少于所述微柱结构的表面制备得到所述介孔氧化硅层。

10.根据权利要求9所述的富集器芯片结构的制备方法，其特征在于，基于形成于所述衬底上的图形化掩膜层制备所述凹槽结构及所述微柱结构，其中，保留所述图形化掩膜层至步骤9)中，并在进行所述干燥之后且在进行所述烘焙之前去除述所述图形化掩膜层。

11.根据权利要求7所述的富集器芯片结构的制备方法，其特征在于，制备介孔氧化硅层之后还包括步骤：至少于所述介孔氧化硅层表面制备吸附材料层。

12.根据权利要求11所述的富集器芯片结构的制备方法，其特征在于，在制备所述盖板之后制备所述吸附材料层，其中，制备所述吸附材料层的方式包括：于所述微流控端口处安装毛细管，并基于所述毛细管至少于所述介孔氧化硅层表面形成所述吸附材料层。

13.根据权利要求11所述的富集器芯片结构的制备方法，其特征在于，在制备所述盖板之前制备所述吸附材料层，其中，制备所述吸附材料层的方式包括蒸发、溅射、原子层沉积以及分子气相沉积中的至少一种。

14.一种富集器芯片结构，其特征在于，所述富集器芯片结构包括：

衬底，且所述衬底中形成有凹槽结构；

若干个微柱结构，形成于所述衬底上并位于所述凹槽结构中，所述微柱结构包括依次连接的第一延伸部、连接部以及第二延伸部，所述第一延伸部、所述连接部及所述第二延伸部围成一具有开口的空间区域，且相邻所述微柱结构基于所述开口嵌套设置；

至少两个微流控端口，形成于所述衬底中，并与所述凹槽结构相连通；以及

盖板，形成于所述衬底形成有所述凹槽结构的一侧，并至少覆盖所述凹槽结构。

15.根据权利要求14所述的富集器芯片结构，其特征在于，所述富集器芯片结构还包括加热电阻及测温电阻，其中，所述加热电阻及所述测温电阻位于所述盖板远离所述衬底的一侧以及所述衬底远离所述盖板的一侧中的至少一者上。

16.根据权利要求14所述的富集器芯片结构，其特征在于，所述凹槽结构的形状包括椭圆形及中间呈方形且两端呈弧形的结构中的任意一种；所述微柱结构的形状包括U型、V型及不规则型中的任意一种。

17.根据权利要求14所述的富集器芯片结构，其特征在于，所述微柱结构的形状包括U型，所述U型的开口构成所述空间区域的所述开口，且相邻所述微柱结构的所述开口相对设置，并通过相邻的所述微柱结构的所述第一延伸部与所述第二延伸部的穿插设置实现所述微柱结构的所述嵌套设置。

18.根据权利要求17所述的富集器芯片结构，其特征在于，所述第一延伸部及所述第二延伸部构成U型的所述微柱结构的两侧部，所述连接部构成U型的所述微柱结构的底部，其中，所述侧部的形状包括长方形，所述底部的形状包括半圆弧形，其中，所述半圆弧形的外径介于35μm-560μm之间，所述半圆弧形的内径介于25μm-400μm之间；所述长方形的宽介于5μm-80μm之间，所述长方形的长介于80μm-480μm之间；相邻所述微柱结构之间的间距介于5μm-80μm之间。

19.根据权利要求14-18中任意一项所述的富集器芯片结构，其特征在于，所述富集器芯片结构还包括介孔氧化硅层，所述介孔氧化硅层至少位于所述微柱结构的表面。

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