CN116920975A - 一种阳极键合的光电镊芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物芯片领域，更具体的说是一种阳极键合的光电镊芯片，包括流道顶部ITO层、玻璃透光层、流道层、光电薄膜层和下极板层；玻璃层、流道层、光电薄膜层和下极板层组成包封液体的密封立方体结构；优选的，所述流道层设置在玻璃透光层内，流道层是通过在玻璃透光层上刻蚀加工制成；优选的，所述光电薄膜层的材质是光电薄膜材料；优选的，所述光电薄膜层可以是一种NPN型光电晶体管；本发明的有益效果为通过刻蚀技术制造的光电镊流道图案，并且实现了微流道与上极板的集成，使键合步骤仅需要一步，减少了传统光电镊芯片需要两步键合的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及生物芯片领域，更具体的说是一种阳极键合的光电镊芯片。
背景技术
光电镊技术是一种通过光质介电泳力实现微尺度物体操作的技术，结合了微流控操作技术，光电镊技术可在电场流场复杂环境作用下对微粒进行高通量、高特异性的精准操作，该技术在细胞操作，微粒组装等领域有着重要应用；目前使用的微流控装置多是采用模具浇注PDMS(聚二甲基硅氧烷)的制作工艺，而该工艺无法形成通孔结构，使通过投影光的光强减弱，以及对微流控装置内部电场产生影响，使得光致介电泳力无法产生，因此在光电镊微流控装置中，需要制作通孔结构避免对光致介电泳力的影响；阳极键合又称静电键合或者场助键合，这种方法可将玻璃与金属、合金或者半导体材料键合在一起。在微机电技术领域中，主要是玻璃与硅材料的表面键合工艺；现有的光电镊芯片，多采用PDMS浇筑法并结合螯合剂，浇筑出所需的微流道图案，先与光电薄膜基底或者ITO基底等离子键合，然后使用螯合剂去除微流道顶部PDMS后得到通孔微流道结构，再与另一片基底等离子键合后作为光电镊微流控装置使用；
例如专利号CN201710258290.3 基于电路的光电镊子可以包括介电泳(DEP)电极，其可以通过控制被引导到感光元件上的光束而激活和停用，该感光元件被布置在与DEP电极隔开的位置上。感光元件可以是光电二极管，其可以使将DEP电极连接到功率电极的开关机构在截止状态和导通状态之间切换；
因此，现有的技术方案中存在缺点，基于PDMS材料的性质，其浇筑的微流道成型过程要求工艺时间较久，需要长时间的热处理稳定固化PDMS结构，且成本高。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中，浇筑的微流道成型过程要求工艺时间久，需要长时间的热处理稳定固化PDMS结构，且成本高的问题。
为此，采用的技术方案是，本发明的一种阳极键合的光电镊芯片，包括流道顶部ITO层、玻璃透光层、流道层、光电薄膜层和下极板层；玻璃层、流道层、光电薄膜层和下极板层组成包封液体的密封立方体结构。
优选的，所述流道层设置在玻璃透光层内，流道层是通过在玻璃透光层上刻蚀加工制成。
优选的，所述光电薄膜层的材质是光电薄膜材料。
优选的，所述光电薄膜层是一种NPN型光电晶体管，NPN型光电晶体管的基极是悬空的，在NPN型光电晶体管内的集电极和发射极之间施加电压。
优选的，所述的下极板层的材质为导电材料。
优选的，将预先设计好的流道图案输入激光刻蚀仪器中，设置刻蚀材料与刻蚀深度，放入玻璃透光层，通过激光刻蚀机在玻璃透光层上刻蚀出流道图案的流道层；
优选的，将刻蚀好玻璃透光层和流道层放入磁控溅射仪器中，放入氧化铟锡靶材，在流道层底层镀一层流道顶部ITO层。
优选的，玻璃透光层、流道层和下极板层自上至下依次设置添加至阳极键合装置内。
优选的，阳极键合装置包括电源、加热板、阳极头和密闭的真空键合腔体，加热板和阳极头均由导热导电材料制成，电源的两极分别与加热板和阳极头相连，密闭的真空键合腔体为键合过程提供真空环境。
优选的，将玻璃透光层与下极板层贴合放在加热板上，将阳极头压在玻璃透光层上表面，将加热板与电源正极相连，阳极头与电源负极相连，通过阳极头给下极板层和流道层之间施加压力与温度，温度在300-450℃之间，启动电源，电压在800V-1600V之间，记录键合电流变化值，当电流降为0mA时，关闭电源和温度开光，降低压力为0，将键合完的下极板层与玻璃透光层在加热板上冷却至室温后取出；
通过显微镜观察光电薄膜层与流道层的键合效果；
通过氦质谱检漏仪检测光电薄膜层与流道层的键合气密性。
本发明的有益效果为：
1、通过刻蚀技术制造的光电镊流道图案，并且实现了微流道与上极板的集成，使键合步骤仅需要一步，减少了传统光电镊芯片需要两步键合的缺点（流道层与上极板的键合，流道层与下极板的键合）。
2、阳极键合实现光电镊芯片键合的方案，该方案制造的光电镊芯片洁净度较高，可以实现低成本，高效率，同时键合强度高，键合效果优良。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地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、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是传统PDMS通孔方法制造的光电镊芯片示意图，从上往下第一层为ITO玻璃上极板，第二层为通孔PDMS通孔微流道,第三层为光电薄膜的导电基底；
图2是本发明的电镊芯片的三维示意图；
图3是本发明的光电镊芯片的剖面示意图；
图4是本发明的未刻蚀的玻璃透光层；
图5是本发明的刻蚀后的玻璃透光层与流道层；
图6是本发明的阳极键合装置与阳极键合过程；
图7是本发明的阳极键合光电镊芯片制作流程；
图8是本发明的刻蚀出的典型流道图案整体示意图；
图9是本发明的刻蚀出的典型流道图案放大后的单个微结构示意图。
图中：玻璃透光层202；流道层203；光电薄膜层204；下极板层205；电源302；加热板304；阳极头301；密闭的真空键合腔体306。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中间”、“顶”、“底”、“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申请和简化描述，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申请的限制。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
另外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
具体实施方式一：
如图3—图5所示，一种阳极键合的光电镊芯片，包括流道顶部ITO层201、玻璃透光层202、流道层203、光电薄膜层204和下极板层205；玻璃层202、流道层203、光电薄膜层204和下极板层205组成包封液体的密封立方体结构；所述流道层203设置在玻璃透光层202内，流道层203是通过在玻璃透光层202上刻蚀加工制成。
具体实施方式二：
如图3—图5所示，一种阳极键合的光电镊芯片，光电薄膜层204可以是氢化非晶硅、硫化镉、酞菁氧钛等光电薄膜材料。
具体实施方式三：
如图3—图5所示，一种阳极键合的光电镊芯片，光电薄膜层204可以是一种NPN型光电晶体管NPN型光电晶体管的基极是悬空的，在NPN型光电晶体管内的集电极和发射极之间施加电压。
具体实施方式四：
如图3—图9所示，一种阳极键合的光电镊芯片，将预先设计好的流道图案输入激光刻蚀仪器中，设置刻蚀材料与刻蚀深度，放入玻璃透光层202，通过激光刻蚀机在玻璃透光层202上刻蚀出流道图案的流道层203。
具体实施方式五：
如图3—图9所示，一种阳极键合的光电镊芯片，下极板层205可替换为金属层等导电材料，所述金属层可以是，金、银、铝其中一种或不同比例合金。
具体实施方式六：
如图3—图9所示，一种阳极键合的光电镊芯片，将刻蚀好玻璃透光层202和流道层203放入磁控溅射仪器中，放入氧化铟锡靶材，在流道层203底层镀一层流道顶部ITO层201。
具体实施方式七：
如图3和图6所示，一种阳极键合的光电镊芯片，玻璃透光层202、流道层203和下极板层205自上至下依次设置添加至阳极键合装置内；阳极键合装置包括电源302、加热板304、阳极头301和密闭的真空键合腔体306，加热板304和阳极头301均由导热导电材料制成，电源302的两极分别与加热板304和阳极头301相连，密闭的真空键合腔体306为键合过程提供真空环境；将玻璃透光层202与下极板层205贴合放在加热板304上，将阳极头301压在玻璃透光层202上表面，将加热板304与电源302正极相连，阳极头301与电源302负极相连，通过阳极头301给下极板层205和流道层203之间施加压力与温度，温度在300-450℃之间，启动电源302，电压在800V-1600V之间，记录键合电流变化值，当电流降为0mA时，关闭电源和温度开光，降低压力为0，将键合完的下极板层205与玻璃透光层202在加热板304上冷却至室温后取出；
通过显微镜观察光电薄膜层204与流道层203的键合效果；
通过氦质谱检漏仪检测光电薄膜层204与流道层203的键合气密。
本发明的加工工艺流程为：1清洁玻璃透光层202：使用清洗试剂清洁玻璃透光层202，然后预烘玻璃透光层202。2刻蚀流道图案：将预先设计好的流道图案见图7输入激光刻蚀仪器中，设置刻蚀材料与刻蚀深度，放入玻璃透光层202，启动激光刻蚀机，等待刻蚀出微流道图案。3溅射ITO层：将刻蚀好的玻璃透光层202与流道层203放入磁控溅射仪器中，放入氧化铟锡靶材，在微流道底层镀一层200nm厚的流道顶部ITO层201。4阳极键合流道层203与下极板层205：键合前先将流道层203顶部与下极板层205、光电薄膜层204依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，然后用氮气枪吹干，确保流道层203与光电薄膜层204表面洁净，然后将玻璃透光层202与下极板层205贴合放在加热板304上，玻璃透光层202在上，流道层203与下极板层205接触，下极板层205在下，然后将阳极头301压在玻璃透光层202上表面，将加热板304与电源302正极相连，阳极头301与电源302负极相连，给下极板层205和流道层203之间施加合适的压力与温度，温度在300-450℃之间，将玻璃透光层202与下极板层205预热几分钟，然后启动电源302，电压在800V-1600V之间，记录键合电流变化值，当电流降为0mA时，关闭电源和温度开光，降低压力为0，等键合完的下极板层205与玻璃透光层202在加热板304上冷却至室温后取出。用显微镜观察光电薄膜层204与流道层203的键合效果，用氦质谱检漏仪检测光电薄膜层204与流道层203的键合气密性，即完成键合，得到光电镊芯片；
流道层203和光电薄膜层204能够进行阳极键合的原理是，键合过程中，流道层203玻璃中的钠离子Na+远离界面，形成钠离子Na+耗尽层，氧离子O2-靠近界面，而流道层203中的硅离子Si2+靠近界面，氧离子O2-和硅离子Si2+在界面处形成硅氧键，从而实现了流道层203和光电薄膜层204的紧密结合；
刻蚀流道层部分可使用其他干法刻蚀技术实现如气相刻蚀和等离子体刻蚀实现；
阳极键合装置包括电源302，加热板304，阳极头301、密闭的真空键合腔体306。其中，加热板304和阳极头301均由导热导电材料制成，电源302的两极分别与加热板304和阳极头301相连，用于提供电压，并且电源302的量程为1600V；加热板304作为键合载物台，并在键合过程中对位于其上的膜层进行加热；阳极头301输出电压，并给样品施加一定的压力；密闭的真空键合腔体306为键合过程提供了真空环境；
本发明通过激光刻蚀与阳极键合方式制造带流道结构的光电镊芯片，该方法制造的光电镊芯片：1.键合强度高，不易出现微流体操作过程中漏液，泄压导致流场不稳定，无法操作的现象2.成型精度高：本发明制作的光电镊芯片，微结构成型尺寸精准，可实现几十微米流道结构的精准制造3.保质期长：该方法制造的微流道可实现6个月的性能不变。
上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种阳极键合的光电镊芯片，其特征在于：包括流道顶部ITO层（201）、玻璃透光层（202）、流道层（203）、光电薄膜层（204）和下极板层（205）；流道层（203）设置在玻璃透光层（202）上，流道层（203）（202）通过光电薄膜层（204）连接在下极板层（205）上，玻璃透光层（202）通过流道层（203）和光电薄膜层（204）与下极板层（205）形成密封液体的立方体结构。
2.根据权利要求1所述的一种阳极键合的光电镊芯片，其特征在于：所述流道层（203）设置在玻璃透光层（202）内，流道层（203）是通过在玻璃透光层（202）上刻蚀加工制成。
3.根据权利要求1所述的一种阳极键合的光电镊芯片，其特征在于：所述光电薄膜层（204）的材质是光电薄膜材料。
4.根据权利要求1所述的一种阳极键合的光电镊芯片，其特征在于：所述光电薄膜层（204）是一种NPN型光电晶体管，NPN型光电晶体管的基极是悬空的，在NPN型光电晶体管内的集电极和发射极之间施加电压。
5.根据权利要求1所述的一种阳极键合的光电镊芯片，其特征在于：所述的下极板层（205）的材质为导电材料。
6.根据权利要求2所述的一种阳极键合的光电镊芯片，其特征在于：将预先设计好的流道图案输入激光刻蚀仪器中，设置刻蚀材料与刻蚀深度，放入玻璃透光层（202），通过激光刻蚀机在玻璃透光层（202）上刻蚀出流道图案的流道层（203）。
7.根据权利要求6所述的一种阳极键合的光电镊芯片，其特征在于：将刻蚀好玻璃透光层（202）和流道层（203）放入磁控溅射仪器中，放入氧化铟锡靶材，在流道层（203）底层镀一层流道顶部ITO层（201）。
8.根据权利要求7所述的一种阳极键合的光电镊芯片，其特征在于：玻璃透光层（202）、流道层（203）和下极板层（205）自上至下依次设置添加至阳极键合装置内。
9.根据权利要求8所述的一种阳极键合的光电镊芯片，其特征在于：阳极键合装置包括电源（302）、加热板（304）、阳极头（301）和密闭的真空键合腔体（306），加热板（304）和阳极头（301）均由导热导电材料制成，电源（302）的两极分别与加热板（304）和阳极头（301）相连，密闭的真空键合腔体（306）为键合过程提供真空环境。
10.根据权利要求9所述的一种阳极键合的光电镊芯片，其特征在于：将玻璃透光层（202）与下极板层（205）贴合放在加热板（304）上，将阳极头（301）压在玻璃透光层（202）上表面，将加热板（304）与电源（302）正极相连，阳极头（301）与电源（302）负极相连，通过阳极头（301）给下极板层（205）和流道层（203）之间施加压力与温度，温度在300-450℃之间，启动电源（302），电压在800V-1600V之间，记录键合电流变化值，当电流降为0mA时，关闭电源和温度开光，降低压力为0，将键合完的下极板层（205）与玻璃透光层（202）在加热板（304）上冷却至室温后取出；
通过显微镜观察光电薄膜层（204）与流道层（203）的键合效果；
通过氦质谱检漏仪检测光电薄膜层（204）与流道层（203）的键合气密性。
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