CN111495448B - 微流道芯片、光子集成芯片以及光子集成传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种微流道芯片、光子集成芯片以及光子集成传感器，涉及集成芯片技术领域，包括：外层芯片上开设有至少一个第一微流孔；中层芯片上开设有至少一个过渡微流孔；第一微流孔的截面面积与过渡微流孔的截面面积的比值在10至1000之间；外层芯片和/或中层芯片上开设有至少一条微流通道，外层芯片与中层芯片叠合装配，微流通道的一端与第一微流孔连通，微流通道的另一端与过渡微流孔连通。在上述技术方案中，中层芯片上的过渡微流孔与外层芯片的有效连通。中层芯片上的过渡微流孔还可以与光子芯片上的第二微流孔连通，因此可以保证外层芯片的整体尺寸远超过光子芯片的尺寸，为与外部注射器的针孔连通留下足够的空间。
Description
技术领域
本发明涉及集成芯片技术领域，尤其是涉及一种微流道芯片、光子集成芯片以及光子集成传感器。
背景技术
光子集成芯片被广泛应用于生化传感技术中，该技术与微流道技术的结合可以提高检测速率、降低检测成本，并且还能够提高系统的集成度。然而，受限于半导体加工的高昂成本，若将光子集成芯片与微流道芯片大致等比例的相对集成，将会导致成本的增加和芯片面积的浪费。因此，光子集成芯片与微流道芯片集成的成本问题，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微流道芯片、光子集成芯片以及光子集成传感器，以解决现有技术中光子集成芯片与微流道芯片集成成本高的技术问题。
本发明提供的一种微流道芯片，包括：
外层芯片，所述外层芯片上开设有至少一个第一微流孔；
中层芯片，所述中层芯片上开设有至少一个过渡微流孔；
所述第一微流孔的截面面积与所述过渡微流孔的截面面积的比值在10至1000之间；所述外层芯片和/或所述中层芯片上开设有至少一条微流通道，所述外层芯片与所述中层芯片叠合装配，所述微流通道的一端与所述第一微流孔连通，所述微流通道的另一端与所述过渡微流孔连通。
进一步的，所述微流通道为开设在所述外层芯片表面的微流槽，所述微流槽在所述外层芯片与所述中层芯片之间构成所述微流通道。
进一步的，所述外层芯片的表面还开设有与所述微流槽连通的过渡槽孔，所述过渡槽孔与所述过渡微流孔相互对应连通。
进一步的，所述外层芯片包括过渡部以及与该过渡部连接的至少一个引流部；所述中层芯片与所述外层芯片的结构相适配；
所述第一微流孔位于所述引流部，所述过渡槽孔位于所述过渡部；所述引流部的面积与所述过渡部的面积的比值大于10。
进一步的，所述过渡部为与光子芯片尺寸适配的方形板，所述引流部为与所述方形板的边侧连接的梯形板。
进一步的，所述第一微流孔为圆孔，所述第一微流孔的孔径在100um至1000um之间；
和/或，所述过渡微流孔为圆孔，所述过渡微流孔的孔径在1um至100um之间。
进一步的，所述外层芯片上开设的所述第一微流孔的数量大于100，相邻所述第一微流孔之间的间距大于100um。
本发明还提供了一种光子集成芯片，包括光子芯片以及所述微流道芯片；所述光子芯片上开设有至少一个第二微流孔；
所述中层芯片叠合装配在所述外层芯片与所述光子芯片之间，所述过渡微流孔与所述第二微流孔相互对应连通。
进一步的，所述第二微流孔为圆孔，所述第二微流孔的孔径在1um至100um之间。
本发明还提供了一种光子集成传感器，包括所述光子集成芯片。
在上述技术方案中，这种通过中层芯片过渡的层级结构，可以保证中层芯片上的过渡微流孔与外层芯片的有效连通。同时，中层芯片上的过渡微流孔还可以与光子芯片上的第二微流孔连通，因此可以保证外层芯片的整体尺寸远超过光子芯片的尺寸，为与外部注射器的针孔连通留下足够的空间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个实施例提供的光子集成芯片爆炸图1；
图2为本发明一个实施例提供的光子集成芯片爆炸图2；
图3为本发明一个实施例提供的外层芯片平面示意图；
图4为本发明一个实施例提供的中层芯片平面示意图；
图5为本发明一个实施例提供的光子集成芯片侧视爆炸图；
图6为本发明一个实施例提供的外层芯片的局部放大图；
图7为本发明一个实施例提供的中层芯片的局部放大图；
图8为本发明一个实施例提供的光子芯片的局部放大图。
附图标记：
1、外层芯片；2、中层芯片；3、光子芯片；
11、第一微流孔；12、微流通道；13、过渡槽孔；
14、过渡部；15、引流部；
21、过渡微流孔；31、第二微流孔。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图8所示，本实施例提供的一种微流道芯片，包括：
外层芯片1，所述外层芯片1上开设有至少一个第一微流孔11；
中层芯片2，所述中层芯片2上开设有至少一个过渡微流孔21；
所述第一微流孔11的截面面积与所述过渡微流孔21的截面面积的比值在10至1000之间；所述外层芯片1和/或所述中层芯片2上开设有至少一条微流通道12，所述外层芯片1与所述中层芯片2叠合装配，所述微流通道12的一端与所述第一微流孔11连通，所述微流通道12的另一端与所述过渡微流孔21连通。
参考图1和图2所示，受限于半导体加工的高昂成本，光子芯片3的面积通常远小于微流道芯片的面积，因此，该微流道芯片采用了一种层级式结构，通过外层芯片1和内层芯片共同构成，以解决光子芯片3和微流道芯片之间的尺寸错配问题，在保证光子芯片3面积得到有效应用的前提下，提供足够的空间以保证微流道芯片与外界系统间的联通，例如与百微米量级的针孔能够形成适当的匹配。
结合图1至图4所示，中层芯片2用于实现与光子芯片3的封装。该中层芯片2的整体尺寸较大，但是与光子芯片3相互配合的过渡微流孔21所占的部分尺寸较小，仅与光子芯片3的面积相当。该过渡微流孔21一端与外层芯片1上的微流通道12连通，并通过该微流通道12间接的与第一微流孔11连通，该过渡微流孔21的另一端可以与光子芯片3上的第二微流孔31连通。
优选的，所述微流通道12为开设在所述外层芯片1表面的微流槽，所述微流槽在所述外层芯片1与所述中层芯片2之间构成所述微流通道12。除此之外，本领域技术人员还可以在外层芯片1或中层芯片2的内部开设通道，或在外层芯片1和中层芯片2的相对表面均开设微流槽，并通过相对叠合装配构成微流通道12。并且，连接在第一微流孔11和过渡微流孔21之间的微流通道12，自第一微流孔11至过渡微流孔21的通道横截面越来越小，即通道越来越窄。
需要说明的是，所述第一微流孔11的截面面积与所述过渡微流孔21的截面面积的比值在10至1000之间，在一个实施例中，外层芯片1上的第一微流孔11可以设置为数微米至数百微米量级的微流道，中层芯片2上的过渡微流孔21可以设置为数微米至数十微米量级的微流道，以能够与光子芯片3上传感元器件尺寸相匹配，实现高度集成。
例如，所述第一微流孔11为圆孔，所述第一微流孔11的孔径在100um至1000um之间，如第一微流孔11的孔径为200um、300um、400um、600um、800um等。然而该第一微流孔11需要与外界联通，通常是通过与注射器的针孔相连通实现，针孔的直径一般在数百微米量级，且针孔之间也需要数百微米间距，因此实现>100路通道的微流道，仅实现外部连接就需要外层芯片1具有平方厘米尺寸的针孔区域。所以，所述外层芯片1上开设的所述第一微流孔11的数量可以大于100，相邻所述第一微流孔11之间的间距大于100um。
或者例如，所述过渡微流孔21为圆孔，所述过渡微流孔21的孔径在1um至100um之间，如过渡微流孔21的孔径为20um、30um、40um、60um、80um等。光子芯片3通常为5mmx5mm量级，光子芯片3价格与面积成正比。因此，过渡微流孔21可以与与光子芯片3上的传感元器件尺寸匹配，光子芯片3的单芯片上可以轻松集成>100传感器件，此时，在光子芯片3的面积内可实现>100微流道集成，从而实现多路同时探测。
另外，图1至图5中所显示的第一微流孔11、微流通道12、渡微流孔21以及第二微流孔31仅示出了部分结构，仅仅是为了示意而已。实际结构上，每个第一微流孔11与渡微流孔21之间均需要连接一个微流通道12。这种微流道芯片的微流道本身尺寸可以做的很小，光子芯片3的传感器也可以做的很小，二者均可以具备较高的集成度。在制作时，外层芯片1的微流道结构可以采用光刻技术形成微流道的正模，将PDMS混合液在正模上固化，从而形成带有微流道(凹陷的负模)的弹性结构。中层芯片2的过渡微流道可以利用激光雕刻工艺加工，可实现50um以下的通孔直径，中层芯片2在加工时需要限制厚度，从而保证通孔的加工，其厚度可以根据具体需求而定。外层芯片1的第一微流孔11可以利用机械加工等工艺完成，可实现百微米级通孔，可以不限厚度的加工。外层芯片1和中层芯片2之间的键合可以利用氧气等离子活化实现永久键合的方式完成，其中，该微流道芯片还可以实现更多层数的微流道。
因此，这种通过中层芯片2过渡的层级结构，可以保证中层芯片2上的过渡微流孔21与外层芯片1的有效连通。同时，中层芯片2上的过渡微流孔21还可以与光子芯片3上的第二微流孔31连通，因此可以保证外层芯片1的整体尺寸远超过光子芯片3的尺寸，为与外部注射器的针孔连通留下足够的空间。光子芯片3上的过渡微流孔21可以通过激光打孔等方式形成，激光打孔的直径可以控制在50um以下，节约芯片空间。
进一步的，所述外层芯片1的表面还开设有与所述微流槽连通的过渡槽孔13，所述过渡槽孔13与所述过渡微流孔21相互对应连通。因此，过渡微流孔21可以直接与该过渡槽孔13相互对应，从而间接的与微流通道12连通，这种连通方式可以保证过渡微流孔21与微流通道12相互对接的更为精准。
进一步的，所述外层芯片1包括过渡部14以及与该过渡部14连接的至少一个引流部15；所述中层芯片2与所述外层芯片1的结构相适配；所述第一微流孔11位于所述引流部15，所述过渡槽孔13位于所述过渡部14；所述引流部15的面积与所述过渡部14的面积的比值大于10。因此，与第一微流孔11、过渡微流孔21的尺寸相匹配的，外层芯片1的结构也对应的具有适配的比例关系，从而保证外层芯片1的整体尺寸远超过光子芯片3的尺寸，为与外部注射器的针孔连通留下足够的空间。优选的，所述过渡部14为与光子芯片3尺寸适配的方形板，所述引流部15为与所述方形板的边侧连接的梯形板。具体的，该引流部15的数量为2个，2个引流部15连接在方形板的相对两侧。
本发明还提供了一种光子集成芯片，包括光子芯片3以及所述微流道芯片；所述光子芯片3上开设有至少一个第二微流孔31；所述中层芯片2叠合装配在所述外层芯片1与所述光子芯片3之间，所述过渡微流孔21与所述第二微流孔31相互对应连通。由此可知，这种通过中层芯片2过渡的层级结构，可以保证中层芯片2上的过渡微流孔21与外层芯片1的有效连通。同时，中层芯片2上的过渡微流孔21还可以与光子芯片3上的第二微流孔31连通，因此可以保证外层芯片1的整体尺寸远超过光子芯片3的尺寸，为与外部注射器的针孔连通留下足够的空间。
其中，所述第二微流孔31为圆孔，所述第二微流孔31的孔径在1um至100um之间。该尺寸量级的孔结构可以保证光子芯片3的整体面积较小，保证成本不会升高。光子芯片3可以利用标准CMOS工艺加工，且其还可以利用二氧化硅作为最后的钝化保护层。
本发明还提供了一种光子集成传感器，包括所述光子集成芯片。由于所述微流道芯片与所述光子集成芯片的具体结构、功能原理以及技术效果均在前文详述，在此便不再赘述。相关技术内容均可参考前文的记载。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种微流道芯片，其特征在于，包括：
外层芯片，所述外层芯片上开设有至少一个第一微流孔；所述外层芯片包括过渡部以及与该过渡部连接的至少一个引流部，所述过渡部为与光子芯片尺寸适配的方形板，所述引流部为与所述方形板的边侧连接的梯形板；
中层芯片，所述中层芯片上开设有至少一个过渡微流孔；
所述第一微流孔的截面面积与所述过渡微流孔的截面面积的比值在10至1000之间；所述外层芯片和/或所述中层芯片上开设有至少一条微流通道，所述外层芯片与所述中层芯片叠合装配，所述微流通道的一端与所述第一微流孔连通，所述微流通道的另一端与所述过渡微流孔连通。
2.根据权利要求1所述的微流道芯片，其特征在于，所述微流通道为开设在所述外层芯片表面的微流槽，所述微流槽在所述外层芯片与所述中层芯片之间构成所述微流通道。
3.根据权利要求2所述的微流道芯片，其特征在于，所述外层芯片的表面还开设有与所述微流槽连通的过渡槽孔，所述过渡槽孔与所述过渡微流孔相互对应连通。
4.根据权利要求3所述的微流道芯片，其特征在于，所述中层芯片与所述外层芯片的结构相适配；
所述第一微流孔位于所述引流部，所述过渡槽孔位于所述过渡部；所述引流部的面积与所述过渡部的面积的比值大于10。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的微流道芯片，其特征在于，所述第一微流孔为圆孔，所述第一微流孔的孔径在100um至1000um之间；
和/或，所述过渡微流孔为圆孔，所述过渡微流孔的孔径在1um至100um之间。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的微流道芯片，其特征在于，所述外层芯片上开设的所述第一微流孔的数量大于100，相邻所述第一微流孔之间的间距大于100um。
7.一种光子集成芯片，其特征在于，包括光子芯片以及如权利要求1-6中任一项所述的微流道芯片；所述光子芯片上开设有至少一个第二微流孔；
所述中层芯片叠合装配在所述外层芯片与所述光子芯片之间，所述过渡微流孔与所述第二微流孔相互对应连通。
8.根据权利要求7所述的光子集成芯片，其特征在于，所述第二微流孔为圆孔，所述第二微流孔的孔径在1um至100um之间。
9.一种光子集成传感器，其特征在于，包括如权利要求7或8所述的光子集成芯片。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |