CN112169851B

CN112169851B - 一种微流道入口盖板及其制备和使用方法

Info

Publication number: CN112169851B
Application number: CN202011090925.1A
Authority: CN
Inventors: 王鑫; 杨海博; 王启东
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2020-10-13
Filing date: 2020-10-13
Publication date: 2022-03-29
Anticipated expiration: 2040-10-13
Also published as: CN112169851A

Abstract

本发明公开了一种微流道入口盖板及其制备和使用方法，属于微纳加工技术领域，解决了现有技术中微流道尺寸无法实现更小尺寸的微流道、存在软管脱落的风险的问题。本发明微流道入口盖板包括盖板单元和连接管；盖板单元上设置有阶梯孔，阶梯孔由顶部大孔和底部小孔构成，顶部大孔和底部小孔为同轴设置；连接管外径小于顶部大孔内径，连接管内径大于底部小孔内径，连接管设置在盖板单元顶部大孔中，连接管底部与底部小孔上表面接触并固定。本发明适用于向微流控芯片的输送液体。

Description

一种微流道入口盖板及其制备和使用方法

技术领域

本发明属于微纳加工技术领域，特别涉及一种微流道入口盖板及其制备和使用方法。

背景技术

微流控芯片是集成电路芯片技术在生物化学领域的延伸和推广，是生物化学分析与实验的微型化。传统的生物或化学实验装置是烧杯、烧瓶与连通管的组合，还包括注液、输液与检测系统；而微流控芯片将这些系统都微缩到一个微米级或者毫米级大小的平面基底上。使用微流控芯片的好处有：减少制造、使用和处理的费用；减少分析时间；减少试剂和分析物的使用量；减少有害产物的产量；增强便携性；解决了有些研究在大尺度装备中很难甚至无法进行的问题。

现有的微流控芯片通过将软管直接粘合在微流道入口的方案，来实现向微流控芯片中输送液体；通常情况下将软管插入微流道入口，然后使用粘合胶将其粘合固定。

现有的微流控芯片由于采用直接将软管粘合在微流道入口的方案，其微流道尺寸受控于软管尺寸的影响而无法实现更小尺寸的微流道；并且软管通过粘合胶直接粘合在入口处，存在连接强度不高的特点，在管压较高的情况下，存在软管脱落的风险。

发明内容

鉴于以上分析，本发明旨在提供一种微流道入口盖板及其制备和使用方法，用以解决现有技术中微流道尺寸无法实现更小尺寸的微流道、存在软管脱落的风险等问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种微流道入口盖板，包括盖板单元和连接管；

盖板单元上设置有阶梯孔，阶梯孔由顶部大孔和底部小孔构成，顶部大孔和底部小孔为同轴设置；

连接管外径小于顶部大孔内径，连接管内径大于底部小孔内径，连接管设置在盖板单元顶部大孔中，连接管底部与底部小孔上表面接触并固定。

在一种可能的设计中，盖板单元为硅盖板，通过刻蚀硅晶圆获得；连接管为不锈钢管。

在一种可能的设计中，顶部大孔的深度为400～600um，孔径为500～1000um。

在一种可能的设计中，底部小孔的深度为100～300um，孔径为100～300um。

在一种可能的设计中，连接管高度大于顶部大孔深度。

另一方面，本发明还提供了一种微流道入口盖板的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.光刻：在晶圆表面旋涂光刻胶，进行光刻，定义顶部大孔开孔图形和位置；

步骤2.顶部刻蚀：刻蚀出顶部大孔，将顶部的光刻胶去除；

步骤3.临时键合：使用临时键合胶将玻璃载片与晶圆顶部进行临时键合，然后将其倒置；

步骤4.二次光刻：在倒置后的晶圆表面旋涂光刻胶，进行光刻，定义底部小孔开孔图形和位置；

步骤5.底部刻蚀：将刻蚀深度控制在刚好刻穿底部；

步骤6.去胶：去除晶圆顶部临时键合胶和底部光刻胶；

步骤7.划片：使用划片机，切割出每一个盖板单元；

步骤8.将连接管固定在顶部大孔内，制得微流道入口盖板。

在一种可能的设计中，步骤2中，采用BOSCH工艺进行等离子体刻蚀，刻蚀出顶部大孔。

在一种可能的设计中，步骤8中，在显微镜下，将连接管插入到顶部大孔中，然后在连接管四周沿顶部大孔的边缘处填充粘合胶，最后将其置入紫外光环境下进行固化。

在一种可能的设计中，固化时间为10-60s。

本发明还提供了一种微流道入口盖板的使用方法，包括以下步骤：

步骤1.将微流道入口盖板与微流控芯片入口进行对准放置；

步骤2.在微流道入口盖板底部四周填充粘合胶使微流道入口盖板固定在微流控芯片入口处；

步骤3.将软管套在连接管上，便可实现向微流控芯片中输送液体。

与现有技术相比，本发明至少能实现以下技术效果之一：

1)本发明通过微流道入口盖板来实现外界软管与微流控芯片的连接，因此只需要将微流道的入口直径与底部小孔直径一致或稍大于底部小孔直径即可，无需根据软管直径扩大微流道入口，不锈钢管外径与软管内径相匹配即可，流道尺寸视用户需求而定；其次不需要考虑较大的厚度保证软管与微流控芯片入口处的连接强度，因此可以实现更薄的微流控芯片。

2)本发明避免了外界软管与微流控芯片入口的直接粘合连接，采用将微流道入口盖板粘合在微流控芯片入口处的方式，该方式提供了更大的粘合面积；其次微流道入口盖板顶部大孔为不锈钢管的连接提供了更大的厚度和边缘填胶区域，以保证更高的连接强度；因此，外界硅胶软管与微流控芯片的连接强度更高，即便在较高的管压之下仍可安全运行。

3)盖板单元上的顶部大孔和底部小孔均通过BOSCH工艺进行等离子体刻蚀，保证了顶部大孔和底部小孔不同深度直径的一致性，防止随着刻蚀深度的增加顶部大孔和底部小孔产生较大改变，从而影响微流道入口盖板的使用效果。

4)本发明连接管与盖板单元采用UV胶(即紫外光固化胶)进行连接，粘结性能好，固化时间短，极大的提高了工作效率。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件。

图1是微流道入口盖板结构示意图；

图2是微流道入口盖板结构剖视图；

图3是盖板单元剖视图；

图4是微流道入口盖板使用状态示意图；

图5是微流道入口盖板制备方法流程图。

附图标记：

1-盖板单元；2-顶部大孔；3-底部小孔；4-连接管；5-粘合胶填充区域；6-微流控芯片；7-微流控芯片入口处；8-临时键合胶；9-玻璃载片。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。

一种微流道入口盖板，如图1-图3所示，包括盖板单元1和连接管4。盖板单元1上设置有阶梯孔，实现盖板单元1顶部和底部之间的通孔连接；阶梯孔由顶部大孔2和底部小孔3构成，顶部大孔2和底部小孔3为同轴设置；连接管4外径小于顶部大孔2内径，连接管4内径大于底部小孔3内径，连接管4设置在盖板单元1顶部大孔2中，连接管4底部与底部小孔3上表面接触并固定。为了保证液体输入效果，防止漏液，微流道入口盖板俯视时，底部小孔3处于连接管4的孔内。

示例性的，盖板单元1为硅盖板，通过刻蚀硅晶圆获得；连接管4为不锈钢管。

顶部大孔2的深度为400～600um，孔径为500～1000um，底部小孔3的深度为100～300um，孔径为100～300um。顶部大孔2深度大于底部小孔3深度，顶部大孔2深度太小会造成连接管4固定稳定性差；深度过大则会造成刻蚀时顶部大孔2的孔径上下不一致，影响使用，也会影响底部小孔3的刻蚀。示例性的，顶部大孔2的深度为500um，孔径为600um，底部小孔3的深度为200um，孔径为200um。

连接管4高度大于顶部大孔2深度，示例性的，连接管4高度为10～20mm，优选的为15mm。连接管4插入顶部大孔2的部分与顶部大孔2形成粘合胶填充区域5，填充粘合胶以使不锈钢管固定。具体的，在显微镜下，将连接管4插入到顶部大孔2中，然后在连接管4四周沿顶部大孔2的边缘处填充粘合胶，最后将其置入紫外光环境下进行固化，固化时间10-60s不等。示例性的，粘合胶为UV胶。连接管4高于顶部大孔2的部分用于连接软管。

微流道入口盖板的使用方法如图4所示：

首先，将微流道入口盖板与微流控芯片入口7进行对准放置；

然后，在微流道入口盖板底部四周填充粘合胶使其固定在微流控芯片入口处7；

最后，将软管套在连接管4上，便可实现向微流控芯片6中输送液体。

示例性的，软管为硅胶软管，内径与连接管4外径大致相同或硅胶软管内径相较于连接管4外径稍小，以保证软管与连接管4具有更高的连接强度。

本发明通过微流道入口盖板来实现外界软管与微流控芯片6的连接，因此只需要将微流控芯片入口7直径与底部小孔3直径设置为一致或稍大于底部小孔3直径即可，无需根据软管直径扩大微流控芯片入口7，连接管4外径与软管内径相匹配即可，流道尺寸视用户需求而定；其次不需要考虑较大的厚度来保证软管与微流控芯片入口7处的连接强度，因此可以实现更薄的微流控芯片。

本发明避免了外界软管与微流控芯片入口7的直接粘合连接，采用将微流道入口盖板粘合在微流控芯片入口7处的方式，该方式提供了更大的粘合面积；其次微流道入口盖板顶部大孔2为连接管4的连接提供了更大的厚度和边缘填胶区域，以保证更高的连接强度；因此，外界硅胶软管与微流控芯片6的连接强度更高，即便在较高的管压之下仍可安全运行。

一种微流道入口盖板的制备方法，如图5所示，包括以下步骤：

步骤1.光刻：在晶圆表面旋涂光刻胶，进行光刻，定义顶部大孔2开孔图形和位置，其中光刻胶作为刻蚀掩膜。

步骤2.顶部刻蚀：采用BOSCH工艺进行等离子体刻蚀，刻蚀出顶部大孔2。

刻蚀出顶部大孔2后，将晶圆浸泡在有机溶剂内，将顶部的光刻胶去除。

步骤3.临时键合：使用临时键合胶将玻璃载片与晶圆顶部进行临时键合，然后将其倒置。

步骤4.二次光刻：在倒置后的晶圆表面旋涂光刻胶，进行光刻，定义底部小孔3开孔图形和位置；其中光刻胶作为刻蚀掩膜。

步骤5.底部刻蚀；采用BOSCH工艺进行等离子体刻蚀。

步骤6.去胶：利用整体浸泡方式，使用有机溶剂去除晶圆顶部临时键合胶和底部光刻胶。

步骤7.划片；使用划片机，切割出每一个盖板单元。

在一个晶圆上可刻蚀多个配套的顶部大孔2和底部小孔3，经过划片制成多个盖板单元。

步骤8.将连接管4固定在顶部大孔2内：在显微镜下，将连接管4插入到顶部大孔2中，然后在连接管4四周沿顶部大孔2的边缘处填充粘合胶，将其置入紫外光环境下进行固化，固化时间10-60s不等。

本发明连接管4与盖板单元1采用UV胶(即紫外光固化胶)进行连接，粘结性能好，固化时间短，极大的提高了工作效率。示例性的，步骤8中的粘合胶可以是TN231 UV胶。

盖板单元1上的顶部大孔2和底部小孔3均通过BOSCH工艺进行等离子体刻蚀，保证了顶部大孔2和底部小孔3不同深度直径的一致性，防止随着刻蚀深度的增加顶部大孔2和底部小孔3产生较大改变，从而影响微流道入口盖板的使用效果。

实施例1

一种微流道入口盖板，包括盖板单元1和连接管4。盖板单元1为硅盖板，盖板单元1整体厚度为700um。连接管4为不锈钢管，不锈钢管内径为300um，外径为500um，高度为15mm。

盖板单元1上设置有阶梯孔，阶梯孔由顶部大孔2和底部小孔3构成，顶部大孔2和底部小孔3为同轴设置。顶部大孔2的深度为500um，孔径为600um，底部小孔3的深度为200um，孔径为200um。

连接管4设置在盖板单元1顶部大孔2中，连接管4底部与底部小孔3上表面接触并固定。

实施例2

一种微流道入口盖板的制备方法，包括以下步骤：

采用700um厚度的硅晶圆制备硅盖板，连接管4采用内径0.3mm外径为0.5mm的不锈钢管。

步骤1.在硅晶圆表面旋涂10um厚度的光刻胶，进行光刻，开孔孔径为600um；

步骤2.采用深硅刻蚀BOSCH工艺对硅晶圆顶部进行等离子体刻蚀，刻蚀深度为500um左右；

步骤3.使用临时键合胶将玻璃载片与硅晶圆顶部进行临时键合，然后将其倒置；

步骤4.在倒置后的硅晶圆表面旋涂10um厚度的光刻胶，进行光刻，定义底部小孔3开孔图形和位置；其中光刻胶作为刻蚀掩膜；底部小孔3开孔孔径为200um；

步骤5.采用深硅刻蚀BOSCH工艺进行等离子体刻蚀，将刻蚀深度控制在刚好刻穿底部；

步骤6.将硅晶圆整体浸泡在有机溶剂中，浸泡5～6h，去除硅晶圆顶部临时键合胶和底部光刻胶。

步骤7.使用划片机，切割出每一个盖板单元。

步骤8.将不锈钢管连接在顶部大孔2内：在显微镜下，将不锈钢管插入到顶部大孔2中，然后在不锈钢管四周沿盖板大孔的边缘处填充粘合胶，最后将其置入紫外光环境下进行固化，固化时间30s。

在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims

1.一种微流道入口盖板的制备方法，其特征在于，用该方法制备的微流道入口盖板包括盖板单元和连接管；盖板单元上设置有阶梯孔，阶梯孔由顶部大孔和底部小孔构成，顶部大孔和底部小孔为同轴设置；连接管外径小于顶部大孔内径，连接管内径大于底部小孔内径；连接管设置在盖板单元顶部大孔中，连接管底部与底部小孔上表面接触并固定；

制备方法包括以下步骤：

步骤2.顶部刻蚀：刻蚀出顶部大孔，将顶部的光刻胶去除；

步骤5.底部刻蚀：将刻蚀深度控制在刚好刻穿底部；

步骤6.去胶：去除晶圆顶部临时键合胶和底部光刻胶；

步骤7.划片：使用划片机，切割出每一个盖板单元；

步骤8.将连接管固定在顶部大孔内，制得微流道入口盖板。

2.根据权利要求1所述的微流道入口盖板的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，采用BOSCH工艺进行等离子体刻蚀，刻蚀出顶部大孔。

3.根据权利要求1所述的微流道入口盖板的制备方法，其特征在于，所述步骤8中，在显微镜下，将连接管插入到顶部大孔中，然后在连接管四周沿顶部大孔的边缘处填充粘合胶，最后将其置入紫外光环境下进行固化。

4.根据权利要求3所述的微流道入口盖板的制备方法，其特征在于，固化时间为10-60s。

5.根据权利要求1所述的微流道入口盖板的制备方法，其特征在于，所述盖板单元为硅盖板，通过刻蚀硅晶圆获得；所述连接管为不锈钢管。

6.根据权利要求1所述的微流道入口盖板的制备方法，其特征在于，所述顶部大孔的深度为400～600um，内径为500～1000um。

7.根据权利要求1、5或6任一所述的微流道入口盖板的制备方法，其特征在于，所述底部小孔的深度为100～300um，内径为100～300um。

8.根据权利要求1、5或6任一所述的微流道入口盖板的制备方法，其特征在于，所述连接管高度大于顶部大孔深度。

9.一种微流道入口盖板的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.将权利要求5-8任一项所述的微流道入口盖板与微流控芯片入口进行对准放置；

步骤2.在微流道入口盖板底部四周填充粘合胶使所述微流道入口盖板固定在微流控芯片入口处；

步骤3.将软管套在连接管上，用于向微流控芯片中输送液体。