CN115167572B - 一种集成式微温控器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成式微温控器件及其制备方法。本发明包括底板、盖板和加热线圈。底板上开有形成制冷液流道的沟槽，制冷液流道包括入口、出口汇集流道和双曲线排列的多条分流流道。分流流道由多个特斯拉阀结构的微流道首尾连接构成，两端分别接入口、出口汇集流道，入口、出口汇集流道开口于底板两侧。盖板将沟槽顶面封闭，表面设置有加热线圈。首先在底板上按照设计刻蚀出沟槽，然后对底板和盖板进行表面活化，将底板和盖板键合，最后在盖板上溅射金属薄膜，刻出加热线圈。本发明减小了腔体结构或外界因素带来的紊流影响，提升了制冷效率，将制冷和加热进行了集成，可用于微小空间温度控制。本发明工艺重复性高、稳定性好，易于规模化生成。
Description
技术领域
本发明属于微器件温控领域，涉及一种集成式微温控器件及其制备方法，具体是一种具有特斯拉阀的微温控器件及其制备方法，利用特斯拉阀通入制冷气体，结合表面微加热电极，能够实现高效、便捷的微器件温度控制。
背景技术
随着片上实验室技术(lab on a chip)的发展，在微器件测量及使用中需要对样品进行温度控制。另一方面，一些新型量子探测器件在使用中需要贴近样品表面，由于传感器工作中温度较高，贴近样品表面会对样品造成损坏，导致测量精度无法提升。
由于活体生物样本对温度、磁场等刺激较为敏感，测量过程中如果过于贴近传感器时，传感器所产生的温度及电磁噪声会影响生物样品的活性剂测试结果。传统的微温控结构大多利用半导体热电制冷片(TEC)通过PID系统集成，这种集成方式功能多样，成本较高且需要较为复杂的机械结构和电路控制系统。另外传统的系统在温控过程中会产生较强的磁场信号，会对系统的信号测试造成严重影响。
发明内容
为了解决片上样品难以实现温度控制及保护的问题，本发明提出了一种微温控结构，利用微加工技术，将特斯拉阀的制冷通道与表面加热微电极结构进行集成，其中加热的微电极结构采用蛇形加热管的设计使加热过程所产生的磁场相互抵消，从而避免加热过程所产生磁场对样品测试的影响，从而实现了用于片上测量微温度控制的微型化、集成式、宽控温的器件结构。所提出的结构具有适用范围广、集成度高及耐用性强等特点。
本发明的一个目的是提供一种集成式微温控器件。
本发明的微温控器件包括底板、盖板和加热线圈。
所述的底板和盖板均为石英玻璃板或硅片，为尺寸相同的矩形，边的长度为20～200mm，厚度为1～3mm；底板上开有形成制冷液流道的沟槽，制冷液流道的深度为0.5～2mm；制冷液流道包括深度相同的入口汇集流道、出口汇集流道和多条分流流道，多条分流流道成对称的双曲线排列；所述的分流流道由多个特斯拉阀结构的微流道首尾连接构成，每条分流流道的制冷液流入端接入口汇集流道，制冷液流出端接出口汇集流道；入口汇集流道开口于底板的一侧，形成制冷液入口；出口汇集流道开口于底板的另一侧，形成制冷液出口；所述的盖板设置在底板开有沟槽的一面，盖板的一面将沟槽顶面封闭，形成制冷液流道，另一面设置有加热线圈；所述的加热线圈为蛇形或双螺旋形的金属线，金属线的两端为两个输入电极。
进一步，分流流道中的单个特斯拉阀结构的微流道的长度为2～3mm，宽度为0.1～0.5mm。
进一步，相邻两条分流流道与入口汇集流道或出口汇集流道的交汇点间隔6～10mm，中间最窄处间隔2～4mm。
本发明的另一个目的是提供该集成式微温控器件的制备方法。
步骤(1)选取两块边的长度为20～200mm、厚度为1～3mm的石英玻璃板或硅片，清洗干净，其中一块作为底板，另一块作为盖板；
步骤(2)在底板表面涂覆光刻胶，利用光刻技术按照设计刻出冷液流道形貌，然后在底板表面刻蚀出深度为0.5～2mm的沟槽；
步骤(3)清洗底板，然后使用等离子清洗机在氧气氛围下，对底板具有沟槽的一面以及盖板的一面进行表面活化；
步骤(4)利用阳极键合的方法将表面活化后的底板和盖板键合；
步骤(5)在盖板的一面溅射一层金属薄膜，金属薄膜涂覆光刻胶，利用光刻技术按照设计刻出加热线圈形貌，在盖板上刻出具有两个输入电极的加热线圈。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
相比其他的设计，本发明在结构上进行了优化，把流道优化为了特斯拉阀道段，减小了腔体结构或外界因素带来的紊流影响，制冷效率得到提升，为高精度测量中的低成本耐用温控系统提供了一种设计。特斯拉阀的结构能够被用于减少制冷介质的回流，避免制冷介质回流造成流道滞涩，提高了微温控器件的使用寿命。本发明的微温控器件将制冷和加热进行了集成，能够用于微小空间的温度控制。本发明方法加工工艺重复性高、稳定性好，易于规模化生产。
附图说明
图1为发明的集成式微温控器件的结构示意图；
图2为底板开设形成制冷液流道的沟槽示意图；
图3为单个特斯拉阀结构示意图。
具体实施方式
如图1和2所示，一种集成式微温控器件，包括底板1、盖板2和加热线圈3，图中箭头为制冷介质的流动方向。
底板1和盖板2均为石英玻璃板或硅片，为尺寸相同的矩形，边的长度为20～200mm，厚度为1～3mm。本实施例的底板和盖板采用边长为100mm、厚度为2mm的正方形单晶硅片。
底板1上开有形成制冷液流道的沟槽，深度为0.5～2mm，本实施例的沟槽深度为1mm。制冷液流道包括深度相同的入口汇集流道4、出口汇集流道5和多条分流流道6，多条分流流道成对称的双曲线排列。
分流流道6由多个特斯拉阀结构的微流道首尾连接构成，每条分流流道的制冷液流入端接入口汇集流道4，制冷液流出端接出口汇集流道5。入口汇集流道开口于底板的一侧，形成制冷液入口7；出口汇集流道开口于底板的另一侧，形成制冷液出口8。相邻两条分流流道与入口汇集流道或出口汇集流道的交汇点间隔a为6～10mm，中间最窄处间隔b为2～4mm，本实施例中，a＝9，b＝3.6。
分流流道中的单个特斯拉阀结构如图3所示，图中箭头为制冷介质的流动方向。单个特斯拉阀结构的微流道的长度为2～3mm，宽度为0.1～0.5mm。本实施例中单个特斯拉阀结构长度为2.5mm，宽度为0.4mm。
盖板2设置在底板开有沟槽的一面，盖板的一面将沟槽顶面封闭，形成制冷液流道，另一面设置有加热线圈3。加热线圈3为蛇形或双螺旋形的金属线，金属线的两端为两个输入电极9。本实施例采用蛇形线圈。
具体加工方法是：
步骤(1)选取两块边的长度为100mm、厚度为2mm的单晶硅片，清洗干净，其中一块作为底板，另一块作为盖板；
步骤(2)在底板表面涂覆光刻胶，利用光刻技术按照设计刻出冷液流道形貌，然后在底板表面刻蚀出深度为1mm的沟槽；
步骤(3)清洗底板，然后使用等离子清洗机在氧气氛围下，对底板具有沟槽的一面以及盖板的一面进行表面活化；
步骤(4)利用阳极键合的方法将表面活化后的底板和盖板键合；
步骤(5)在盖板的一面溅射一层金属薄膜，金属薄膜涂覆光刻胶，利用光刻技术按照设计刻出加热线圈形貌，在盖板上刻出具有两个输入电极的加热线圈。
Claims (4)
1.一种集成式微温控器件，包括底板、盖板和加热线圈；其特征在于：
所述的底板和盖板均为石英玻璃板或硅片，为尺寸相同的矩形，边的长度为20～200mm，厚度为1～3mm；底板上开有形成制冷液流道的沟槽，制冷液流道的深度为0.5～2mm；制冷液流道包括深度相同的入口汇集流道、出口汇集流道和多条分流流道，多条分流流道成对称的双曲线排列；所述的分流流道由多个特斯拉阀结构的微流道首尾连接构成，每条分流流道的制冷液流入端接入口汇集流道，制冷液流出端接出口汇集流道；入口汇集流道开口于底板的一侧，形成制冷液入口；出口汇集流道开口于底板的另一侧，形成制冷液出口；所述的盖板设置在底板开有沟槽的一面，盖板的一面将沟槽顶面封闭，形成制冷液流道，另一面设置有加热线圈；所述的加热线圈为蛇形或双螺旋形的金属线，金属线的两端为两个输入电极。
2.如权利要求1所述的一种集成式微温控器件，其特征在于：分流流道中的单个特斯拉阀结构的微流道的长度为2～3mm，宽度为0.1～0.5mm。
3.如权利要求1所述的一种集成式微温控器件，其特征在于：相邻两条分流流道与入口汇集流道或出口汇集流道的交汇点间隔6～10mm，中间最窄处间隔2～4mm。
4.制备如权利要求1、2或3所述的一种集成式微温控器件的方法，其特征在于：
步骤(1)选取两块边的长度为20～200mm、厚度为1～3mm的石英玻璃板或硅片，清洗干净，其中一块作为底板，另一块作为盖板；
步骤(2)在底板表面涂覆光刻胶，利用光刻技术按照设计刻出制冷液流道形貌，然后在底板表面刻蚀出深度为0.5～2mm的沟槽；
步骤(3)清洗底板，然后使用等离子清洗机在氧气氛围下，对底板具有沟槽的一面以及盖板的一面进行表面活化；
步骤(4)利用阳极键合的方法将表面活化后的底板和盖板键合；
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