CN111921574A - 一种真空光感键合微流控生物芯片的封装方法 - Google Patents

一种真空光感键合微流控生物芯片的封装方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种真空光感键合微流控生物芯片的封装方法。在已制备有微流控结构的石英基底顶面边缘和石英盖板底面边缘分别制作环形粘合槽，石英盖板顶面开设两个导流导气孔，导流导气孔下端连通盖板粘合槽；将石英基底与石英片盖板上下对准贴合，盖板粘合槽与基底粘合槽连通形成粘合通道，石英基底与盖板粘合槽围成中间区域间的间隙来形成微流控结构区；真空负压下粘合通道中的空气从一个导流导气孔排抽出，紫外光固化胶粘剂从另一个导流导气孔进入粘合通道中并充满，紫外曝光固化将石英片盖板与石英基底键合。本发明能解决热压键合封装中由于高压、高温产生气泡、胶体外溢到结构区和基底损坏的键合缺陷，还实现微流控生物芯片的快速封装。

Description

一种真空光感键合微流控生物芯片的封装方法
技术领域
本发明涉及微流控生物芯片制造过程中的封装工序方法，具体是涉及了一种真空光感键合微流控生物芯片的封装方法，用于提高微流控生物芯片的封装速率和质量。
背景技术
近些年来随着电子技术(半导体工艺)和生物技术的迅速发展，由于微流控生物芯片其便捷、快速、大量、低成本的优势，其在基因检测、药物筛选、疾病的诊断和预防有大量的应用。其先是通过微加工的方法，如半导体工艺、纳米压印技术，在基底上制备微纳级别的结构或者是通道，再结合生物分析技术从而达到特定的检测目的。
键合工艺是微流控器件制作工艺中的关键技术之一，由于微流控生物芯片结构通道尺寸小。在实际的检测使用中，封装后的芯片上微流控结构的完整性、均匀性，以及化学试剂或者是生物分子对微流控生物芯片材料的敏感性都对检测结果起着重要作用，如果在键合工艺过程中出现键合缺陷，会对检测结果的准确性和可靠性带来巨大的影响。
键合工艺有两种：直接键合与胶体粘合。在直接键合工艺中，最常使用的是热压键合法，其是将两种材料对准贴紧后，在高温、高压的工艺条件下使两种材料界面上发生化学反应并融合在一起，实现键合。这种工艺方法需要很高的键合温度和较大的压力，而这种高温、高压的工艺条件会损坏衬底，导致微流体管道发生严重的形变或者是微流控结构被破坏；在粘合过程中还会导致胶体外溢到结构区，影响芯片检测的准确性。当温度和压力过低时，又会出现键合强度低或者是无法键合的情况。胶体粘合工艺，则相对简单，且不会损坏衬底或者是产生其他的键合缺陷；但是会在两个衬底之间引入一层较厚的胶体层(通常约几十微米)，并且该胶体层在固化之前具有流动性，基底与盖板会发生相对位移，因此胶体层会使得基底与盖板之间的距离和平行度很难控制。
发明内容
本发明旨在解决上述现有微流控生物芯片在键合封装技术中存在的微流体管道发生严重的形变或者是微流控结构被破坏，以及键合过程中胶体外溢到结构区等缺陷，提供一种真空光感键合微流控生物芯片的封装方法，避免出现上述常用的键合工艺中的封装缺陷。
本发明的新的微流控生物芯片的键合封装方法，避免上述常用的键合工艺在键合工艺中存在的缺陷，提升微流控生物芯片封装的质量，从而提高微流控生物芯片检测结果的准确性和可靠性。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
本发明包括石英基底、石英盖板、基底粘合槽、盖板粘合槽、第一导流导气孔、第二导流导气孔和微流控结构区；石英基底表面制备有微流控结构；在石英基底顶面边缘制作开设环形的基底粘合槽，在石英盖板底面边缘制作开设环形的盖板粘合槽，基底粘合槽和盖板粘合槽上下对齐；石英盖板顶面开设第一导流导气孔、第二导流导气孔的两个导流导气孔，第一导流导气孔和第二导流导气孔下端穿过石英盖板分别贯穿连通到盖板粘合槽上的两处；将石英基底与石英片盖板上下对准贴合，盖板粘合槽与基底粘合槽连通形成共同的粘合通道，石英基底在基底粘合槽围成的中间区域与石英片盖板在盖板粘合槽围成的中间区域之间具有间隙并作为微流控结构区；石英基底与石英片盖板粘合槽围成的中间区域之间具有的间隙作为微流控通道，其与石英基底表面已制备的微流控圆孔结构形成微流控结构区。第一导流导气孔、第二导流导气孔的其中之一连通真空源，另一个填入紫外光固化胶粘剂，在真空源的真空环境作用下负压使粘合通道中的空气从其中一个导流导气孔排出抽出，紫外光固化胶粘剂从另一个导流导气孔进入粘合通道中并逐渐充满整个粘合通道，最后通过对粘合通道中的紫外光固化胶粘剂进行紫外曝光使紫外光固化胶粘剂快速固化，将石英片盖板与石英基底快速键合。
所述的盖板粘合槽的外边缘径向向外突出于盖板粘合槽的外边缘，使得在盖板粘合槽外边缘径向向外突出于盖板粘合槽外边缘的地方形成用于容置多余紫外光固化胶粘剂的台阶。
所述的第一导流导气孔和第二导流导气孔连通到矩形的盖板粘合槽相邻的两角处。
所述的石英盖板顶面中央开设有检测孔，检测孔下端穿过石英盖板贯穿连通到微纳通道结构区；在所述的微流控结构区通过生物手段(荧光标记、分子杂交)制作获得微流控生物芯片。
所述石英盖板采用但不局限于石英片，也可以是打磨抛光处理的肖特玻璃、纳钙玻璃等其它玻璃片，还可以是塑料。
所述基底粘合槽和盖板粘合槽的制作方式可以是刻蚀工艺、注塑工艺、机械冷加工。
所述紫外光固化胶粘剂，由主体树脂氨基甲酸脂—丙烯酸酯，光引发剂乙酰苯，光敏剂二苯甲酮和助剂(增塑剂、硅偶联剂)构成，可以最大限度的提升胶粘剂的寿命、可靠性和粘合力。
紫外光固化胶粘剂进行紫外曝光时，使用波长365nm，UV强度100mw/c㎡的长波黑斑效应紫外线，灯泡功率为100W/cm弧长的光源曝光30秒，这样使紫外光固化胶粘剂深度固化。
本发明的技术原理特点是分别通过在已制备有微流控结构的石英基底顶面边缘制作环形粘合槽和石英片盖板上制作粘合槽与导流导气孔，用于注入紫外光固化胶粘剂和空气的流动。
本发明针对的微流控生物芯片，是属于微纳量级的芯片封装和制作。主要创新是在微纳量级的芯片封装和制作的技术问题和领域下实现了去除微流控生物芯片在现有键合工艺中存在的键合缺陷的目的，带来了键合工艺的提升，具有键合良率高，键合速率快，微流控生物芯片键合质量高的效果/优势。
本发明的有益效果是：(1)相较于现有的键合技术，不存在高温、高压的工艺条件，没有键合缺陷，提升了产品良率；(2)分别通过在基底和盖板制作粘合槽，胶体填充到对准贴合后形成的粘合通道内，不会在基底和盖板之间引入多余胶层；(3)通过使用固化时间短的紫外光固化胶粘剂，加快了键合的速率，提高了产量。
本发明避免了现有微流控生物芯片在键合工艺过程中存在的微流体管道发生严重的形变或者是微流控结构被破坏，以及粘合过程中胶体外溢到结构区的缺陷，解决热压键合工艺中由于高压、高温产生气泡、胶体外溢到结构区和基底损坏等质量问题，还实现微流控生物芯片的快速封装。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明做详细的描述，其中：
图1为本发明键合封装截面图。
图2为本发明的键合封装流程。
图2(a)为制备具有环形粘合槽和导流/导气孔的石英片盖板情况示意图。
图2(b)为在微流控结构四周制备具有环形粘合槽的石英基底情况示意图。
图2(c)为盖板与基底进行对准情况示意图。
图2(d)为盖板与基底对准贴紧后注入胶体，抽真空并进行紫外曝光情况示意图。
图2(e)为本发明键合完成后微流控生物芯片封装片结果示意图。
图中：石英基底(1)、石英盖板(2)、基底粘合槽(11)、盖板粘合槽(21)、第一导流导气孔(22)、第二导流导气孔(23)、检测孔(24)、粘合通道(3)、微流控结构区(4)。
具体实施方式
为使得本发明的技术方案更加清晰，以下将结合附图，对本发明的优选实施列进行详细的描述。
如图1所示，石英基底1、石英盖板2、基底粘合槽11、盖板粘合槽21、第一导流导气孔22、第二导流导气孔23和微流控结构区4；在石英基底1顶面边缘制作开设环形的基底粘合槽11，在石英盖板2底面边缘制作开设环形的盖板粘合槽21，基底粘合槽11和盖板粘合槽21上下对齐，盖板粘合槽21与基底粘合槽11均为矩形的环形槽；石英盖板2顶面开设第一导流导气孔22、第二导流导气孔23的两个导流导气孔，第一导流导气孔22和第二导流导气孔23下端穿过石英盖板2分别贯穿连通到盖板粘合槽21上的两处，具体是连通到矩形的盖板粘合槽21相邻的两角处。
将石英基底1与石英片盖板2上下对准贴合，盖板粘合槽21与基底粘合槽11重合连通形成共同的粘合通道3，石英基底1在基底粘合槽11围成的中间区域与石英片盖板2在盖板粘合槽21围成的中间区域之间具有的间隙作为微流控通道，其与已在石英基底表面制备的微流控圆孔结构形成微流控结构区4；第一导流导气孔22、第二导流导气孔23的其中之一连通真空源，另一个填入紫外光固化胶粘剂，在真空源的真空环境作用下负压使粘合通道3中的空气从其中一个导流导气孔排出抽出，从而使石英片盖板2与石英基底1紧密贴合，紫外光固化胶粘剂从另一个导流导气孔进入粘合通道3中并逐渐充满整个粘合通道3，最后通过对粘合通道3中的紫外光固化胶粘剂进行紫外曝光使紫外光固化胶粘剂快速固化，将石英片盖板2与石英基底1快速键合。
盖板粘合槽21的外边缘径向向外突出于盖板粘合槽21的外边缘，使得在盖板粘合槽21外边缘径向向外突出于盖板粘合槽21外边缘的地方形成用于容置多余紫外光固化胶粘剂的台阶，盖板粘合槽21的内边缘径向平齐于盖板粘合槽21的内边缘。
石英盖板2顶面中央开设有检测孔24，检测孔24下端穿过石英盖板2贯穿连通到微流控结构区4；在微流控结构区4通过生物手段制作获得微流控生物芯片。检测孔24用于将待检物——血液流通导入到石英盖板2与石英基底1键合形成的微流控结构区4中的微流控圆孔结构中，其对特定尺寸(直径2um)的细胞进行筛选；用于将生物试剂或者是荧光标记物导入到已筛选到细胞的微流控圆孔结构，得到检测结果
本发明所述石英基底厚0.55cm，石英片盖板厚0.2cm。石英基底微流控结构四周粘合槽深0.5mm，宽为1mm，石英片盖板粘合槽深度为0.5mm，宽度为1.2mm。
本发明所述微流控生物芯片，石英基底表面微流控结构通过纳米压印工艺——刻蚀工艺制备形成，其深宽比为2u/1.5u，线宽600nm，大量规则排列的圆孔。
本发明具体实施的封装方法过程按如下步骤进行：
先在石英基底1上微流控结构四周制作环形的基底粘合槽11，粘合槽11通过注塑工艺进行制备，如图2(a)所示；
接着，通过使用机械冷加工的工艺方法在石英片盖板2下方四周制作与微纳结构四周粘合槽对等位置的盖板粘合槽21，盖板四周的盖板粘合槽21边缘处略宽于微纳结构四周粘合槽，即沿径向突出；并且通过使用机械打孔的工艺在石英片盖板2上方的任意一侧边角各制作一个导流导气孔22、23使其与盖板下方的盖板粘合槽21相接，如图2(b)所示；
接着，将石英片盖板2与石英基底1对准，如图2(c)所示，对准贴合后，盖板粘合槽21与基底粘合槽11上下对齐后形成环形且密闭的粘合通道3，如图1所示；
接着，从任意一个导流导气孔注入紫外光固化胶粘剂，然后抽真空使石英片盖板2与石英基底1紧密贴合，待紫外光固化胶粘剂填满粘合通道后，使用紫外灯对使粘合通道3内的紫外光固化胶粘剂曝光固化，如图2(d)所示，将石英片盖板2与石英基底1键合，如图2(e)所示。
图2所示的封装方法，没有高温、高压的键合条件，不会对基底及微流控结构造成损伤；由于盖板与基底预先对准贴紧，通过导流导气孔注入的紫外光固化胶粘剂仅留在粘合通道，又因为盖板四周的粘合槽边缘处略宽于微纳结构四周粘合槽，多余的胶体不会外溢到基底与盖板之间的平面内或微纳结构区4，如图1所示。
本实施例中紫外光固化胶粘剂，由主体树脂氨基甲酸脂—丙烯酸酯，光引发剂乙酰苯，光敏剂二苯甲酮和助剂增塑剂—邻苯二甲酸二乙酯、硅偶联剂—丙烯酸缩水甘油构成。
本实施例中为了使紫外光固化胶粘剂深度固化，使用波长365nm，UV强度100mw/c㎡的长波黑斑效应紫外线，灯泡功率为100W/cm弧长的光源对其曝光30秒。
本实施例中使用打磨抛光处理的石英片作为盖板，可以提升封装后的微流控生物芯片检测的透光率。
综上所述，本发明提供的真空光感键合微流控生物芯片的封装方法，可避免微流体管道发生严重的形变或者是微流控结构被破坏，粘合过程中胶体外溢到结构区等缺陷，提升了微流控生物芯片封装良率和质量的同时，还进一步提升了封装速率。
以上所述是本发明应用的技术原理和具体实施例，依据本发明的构想所做的等效变换，只要其所运用的方案仍未超出说明书和附图所涵盖的精神时，均应在本发明的范围内，特此说明。

Claims (7)

1.一种真空光感键合微流控生物芯片的封装方法，其特征在于：包括石英基底(1)和石英盖板(2)，在石英基底(1)顶面边缘制作开设环形的基底粘合槽(11)，在石英盖板(2)底面边缘制作开设环形的盖板粘合槽(21)，基底粘合槽(11)和盖板粘合槽(21)上下对齐；石英盖板(2)顶面开设第一导流导气孔(22)、第二导流导气孔(23)的两个导流导气孔，第一导流导气孔(22)和第二导流导气孔(23)下端穿过石英盖板(2)分别贯穿连通到盖板粘合槽(21)上的两处；将石英基底(1)与石英片盖板(2)上下对准贴合，盖板粘合槽(21)与基底粘合槽(11)连通形成共同的粘合通道(3)，石英基底(1)在基底粘合槽(11)围成的中间区域与石英片盖板(2)在盖板粘合槽(21)围成的中间区域之间具有间隙并作为微流控结构区(4)；第一导流导气孔(22)、第二导流导气孔(23)的其中之一连通真空源，另一个填入紫外光固化胶粘剂，在真空源的真空环境作用下负压使粘合通道(3)中的空气从其中一个导流导气孔排出抽出，紫外光固化胶粘剂从另一个导流导气孔进入粘合通道(3)中并逐渐充满整个粘合通道(3)，最后通过对粘合通道(3)中的紫外光固化胶粘剂进行紫外曝光使紫外光固化胶粘剂快速固化，将石英片盖板(2)与石英基底(1)快速键合。
2.根据权利要求1所述的一种真空光感键合微流控生物芯片的封装方法，其特征在于：所述的盖板粘合槽(21)的外边缘径向向外突出于盖板粘合槽(21)的外边缘，使得在盖板粘合槽(21)外边缘径向向外突出于盖板粘合槽(21)外边缘的地方形成用于容置多余紫外光固化胶粘剂的台阶。
3.根据权利要求1所述的一种真空光感键合微流控生物芯片的封装方法，其特征在于：所述的第一导流导气孔(22)和第二导流导气孔(23)连通到矩形的盖板粘合槽(21)相邻的两角处。
4.根据权利要求1所述的一种真空光感键合微流控生物芯片的封装方法，其特征在于：所述的石英盖板(2)顶面中央开设有检测孔(24)，检测孔(24)下端穿过石英盖板(2)贯穿连通到微纳通道结构区(4)；在所述的微流控结构区(4)通过通过生物手段制作获得微流控生物芯片。
5.根据权利要求1所述的一种真空光感键合微流控生物芯片的封装方法，其特征在于：所述石英盖板(2)采用但不局限于石英片，也可以是打磨抛光处理的肖特玻璃、纳钙玻璃等其它玻璃片，还可以是塑料。
6.根据权利要求1所述的一种真空光感键合微流控生物芯片的封装方法，其特征在于：所述紫外光固化胶粘剂，由主体树脂氨基甲酸脂—丙烯酸酯，光引发剂乙酰苯，光敏剂二苯甲酮和助剂(增塑剂、硅偶联剂)构成。
7.根据权利要求1所述的一种真空光感键合微流控生物芯片的封装方法，其特征在于：紫外光固化胶粘剂进行紫外曝光时，使用波长365nm，UV强度100mw/c㎡的长波黑斑效应紫外线，灯泡功率为100W/cm弧长的光源曝光30秒。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20201113

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