CN117203351A - 一种微孔结构、制备方法及芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种微孔结构、制备方法及芯片，属于生物技术领域，本发明提供的微孔结构，包括基底，以及具有通孔且设置在基底上的支撑结构层；支撑结构层及通孔与基底形成空腔；自上而下，支撑结构层至少包括两个，且远离基底的支撑结构层的通孔孔径小于设置在基底上的支撑结构层的通孔孔径。该种结构，处在顶端的支撑结构层的孔径较小，进而会对膜实现更好的固定效果，增加膜的稳定性；处在基底上的支撑结构层，其孔径相对较大，并且和处在顶部的较小孔径的通孔相通，由此，实现了类似于孔的口径较小，但容积并不小的结构。从根本上解决了膜的稳定性问题，以及开发适配的人工膜材料带来的普通膜的适用性及成本等问题。

Description

一种微孔结构、制备方法及芯片 技术领域
本发明涉及生物技术领域，尤其是涉及一种微孔结构、制备方法及芯片。
背景技术
作为现代分子生物学研究中常用的技术，基因测序技术已经取得了可观的进步，目前的基因测序技术包括第一代Sanger测序技术，第二代高通量测序技术和第三代单分子测序技术。
第三代单分子测序技术又称为单分子基因测序技术，可获得超长的直接测序数据，也可降低基因组装难度并有助于发现个体化的基因变异信息，是公认的未来的先进测序技术之一，第三代测序技术原理，主要分为光学单分子测序和电学单分子测序两大阵营。
其中，电学单分子测序的代表技术为新型纳米孔测序法(nanopore sequencing)，是被业界所认为的最有潜力的测序方案，其核心的测序结构和原理，如图1所示，包括纳米孔蛋白、承载蛋白的膜、施加在膜两侧的电极以及承载膜结构的微孔结构。根据通过微孔的A、T、C、G单个碱基的带电性质不一样，收集电信号的差异，从而实现序列分析。
在该体系下，膜的稳定性对测序的质量和数据产出以及产品的使用场景影响很大，而支撑膜的微孔结构对膜的稳定性又起到了决定性作用。现有技术中，最为常见的微孔结构如图1所示，其结构为简单的圆筒状结构(100)，微孔的有效直径在几微米到几十微米不等，以支撑膜(一般为磷脂双层膜结构)。在实际的测序应用中，为追求增加单个微孔中的数据产出，需要尽量增大微孔的直径(比如大于100微米)，从而实现微孔内试剂容量的增加，但由 于微孔的直径增大，附在磷脂膜的稳定性会迅速降低，从而影响整个测序流程。
针对这一矛盾，现有技术中，有通过对微孔结构进行特殊的设计，比如增加微孔结构的侧壁的比表面积或者复杂的流体辅助结构，或者通过增加表面预处理以及开发适配的复杂的人工膜材料等途径给出一些解决方案。
但是，基于增加微孔结构的侧壁的比表面积的方式，无论是微孔结构的空隙还是实体部分，由于膜是需要覆盖在微孔结构的顶部的，在本质上还是不能解决被支撑的膜，面积较大而存在的不稳定性问题；而开发适配的复杂的人工膜材料，降低了膜(比如，无法使用常见的低成本的磷脂膜材料)的适用性，不可避免是的测序的成本增加。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明提供了一种微孔结构，以解决现有技术中，微孔(反应体系的容纳空间)的容量和膜的稳定性不能同时兼顾的技术问题。
另一方面，本发明还提供了一种基于微孔结构的制备方法，旨在实现微孔结构的制备；再一方面，本发明还提供了一种测序芯片，以实现其推广应用。
一种微孔结构，包括基底，以及；
具有通孔且设置在所述基底上的支撑结构层；
所述支撑结构层及通孔与所述基底形成空腔；
自上而下，所述支撑结构层至少包括两个，且远离所述基底的支撑结构层的通孔孔径小于设置在所述基底上的支撑结构层的通孔孔径。
本发明中的微孔结构，包括设置有通孔(一般是微孔)的支撑结构层以 及基底(一般可含有必要电极)；由此，支撑结构层、通孔以及基底，通过设置关系共同提供可反应的空腔(也即微孔结构)，空腔实际为反应体系的容纳空间。在具体应用的过程中，处在支撑结构层上的膜被固定，在膜上的物质(如被测物)穿过膜或膜上的通道进入到空腔内，随着其结构的不同，引起的电变化也不同，从而实现检测结果分析。
尤为关键的是，在本发明中，自上而下的支撑结构层至少包括两个，且远离基底的支撑结构层的通孔的孔径小于设置在所述基底上的支撑结构层的孔径。该种结构，由于处在顶端的支撑结构层的孔径较小，进而会对膜实现更好的固定效果，增加膜的稳定性；同时，处在基底上的支撑结构层，其孔径相对较大，并且和处在顶部的较小孔径的通孔相通，由此，实现了类似于孔的口径较小，但容积并不小的结构，从根本上解决了膜的稳定性问题以及现有技术中开发适配的复杂的人工膜材料带来的诸如普通膜的适用性、成本等一系列问题。
优选的，自上而下，所述支撑结构层包括三层；处在中间的支撑结构层上的通孔的孔径小于处在最顶端的支撑结构层上的通孔的孔径。
通过该种设计方案，处在中间和最顶端的支撑结构层的孔径均小于设置在基底上的支撑结构层的通孔孔径，三个支撑结构层可形成孔径不同的阶梯孔隙，由于处在最低端的支撑结构层的孔径最大，因此依然保障了空腔的体积(也即反应体系的空间)。
处在中间的支撑结构层的孔径小于最顶层支撑结构层上的通孔的孔径，由此，中间的支撑结构层也对最顶层的支撑结构层起到固定和进一步支撑的作用，进一步保障了最顶层的支撑结构层以及其上设置的膜(进行反应时设置)的稳定性。上述优选的设置方式，进一步从结构上保障了整体反应的稳定性。
优选的，所述通孔的投影形状包括圆形、椭圆形或者多边形的一种或者多种。
圆形一般为最常见的通孔投影形状，一方面原因在于其设置方便，另一方面，其也保障了反应体系的反应空间，当然在一些特殊的应用需求下，通孔的投影还可以是椭圆形或者多边形，甚至还可以是不同形状的组合。
优选的，所述基底上设置有电极，所述电极存在暴露在所述空腔中的部分。
电极是作为电化学反应发生的一个常用部件，其在本方案中，作为优选，可以作为基底的一部分(设置在基底上)，通过暴露在所述空腔中，促使空腔中反应体系电化学反应的发生。
优选的，设置在所述基底上的支撑结构层在垂直于所述基底的方向上的尺寸，大于处在中间的支撑结构层以及处在最顶端的支撑结构层在垂直于所述基底的方向上的尺寸；
和/或；处在中间的支撑结构层在垂直于所述基底的方向上的尺寸小于或者等于处在最顶端的支撑结构层在垂直于所述基底的方向上的尺寸。
在本方案中，由于设置在所述基底上的支撑结构层在垂直于所述基底的方向上的尺寸(或者可以理解为是支撑结构层的厚度)最大，而且其通孔的孔径也是最大的，保障了空腔内的反应空间，且由于其厚度相较其他两者而言较大，因此可对其他层起到更好的支撑作用。
优选的方案中，中间的支撑结构层的通孔孔径最小，从通孔自上而下的角度俯视，中间的支撑结构层存在凸出的部分，该凸出的部分，对最顶部的支撑结构层具有支撑作用，但如果厚度过大，则会影响整个层状结构的稳定性(如可能出现内陷)，由此，优选处在中间的支撑结构层的厚度小于或者等于最顶端的支撑结构层的厚度。
优选的，处在最顶端的支撑结构层的通孔内壁上，设置有多个向所述支撑结构层内部凹陷的凹槽；所述凹槽沿着处在最顶端的支撑结构层的通孔的开口到所述基底的方向延伸。
需要说明的是，凹槽的延伸程度并不应作为本发明的限定，延伸程度可以根据实际的应用情况选择，比如在一些优选的方案中，凹槽可以是贯穿整个处在最顶端的支撑结构层的通孔内壁的延伸方式，在另一些实施方案中，其可以仅仅从开口往下只延伸部分，并不贯穿。
在上述的方案中，从最上端的通孔俯视，在最顶部的支撑结构层向内部凹陷的凹槽结构，实际上形成了梳齿状的结构，其在没有扩大通孔孔径的前提下，通过向内壁凹陷形成凹槽的方式增大了通孔的比表面积，有利于进一步增强膜与支撑结构层结合的稳定性。
凹槽在其深度方向形状，可以是任意形状，如可以是条形的，也可以是不规则的形状，还可以是三角槽、柱形槽以及多边形槽等。
优选的，沿着从所述凹槽的开口到底部的方向，所述凹槽在垂直于所述通孔轴向的投影面积渐增。
上述凹槽的形状，形成了从开口到底部渐渐扩大的结构，由此相应的，在每两个相邻凹槽之间的实心凸起和凹槽则形成了类似相反的形状，这种结构更加利于支撑结构的稳定性，保障膜以及最顶部支撑结构层的稳定性。
更为优选的方案中，通过对通孔的俯视，处在最顶端的支撑结构层上的通孔的内壁边沿上形成了类似的齿状结构(即处在凹槽之间的凸起)；当然根据应用需求的不同，齿的平面拓扑结构可以是多选的，凹槽的形状实际上会影响所形成的齿的形状。齿状结构可以是环形梳齿、三角形梳齿、矩形梳齿；可以是无尖角梳齿形状(例如矩形梳齿)，也可以是有尖角的三角形梳齿。
优选的，所述凹槽均匀布设，所有所述凹槽的底部和开口均呈弧形；所 有所述凹槽的底部弧段共线构成一圆环，所有所述凹槽的开口弧段共线构成的另一圆环，两个所述圆环同轴。
在上述的结构中，凹槽均匀布设，所有所述凹槽的底部和开口的弧段共线形成的同心圆环结构，使得层状支撑结构更具有整体性，也利于膜的稳定性。
优选的，所述基底上还包括衬底和介质层；所述介质层设置在所述支撑结构层和所述衬底之间；当设置有电极时，所述电极设置在所述衬底上，所述衬底和所述电极之间设置有粘附层。
优选的，所述介质层存在将所述电极的边沿包覆的部分。
本方案中，通过对基底进行进一步的限定，包括由衬底、介质层以及可选的粘附层组成，一般而言，衬底上设置有用于处理电极所获取信号的必要的处理电路；所述衬底一般是通过硅基集成电路工艺制备的硅基芯片或玻璃芯片，也可以通过印刷电路板技术来实现的印刷电路板。
粘附层可进一步增加层状结构的稳定性和整体性。在一种实施方案中，处在层状支撑结构和衬底之间的介质层，其可以包覆电极的全部或者部分边沿。
所述支撑结构层的材料包括硅基材料、非硅基材料或硅基材料和非硅基材料的复合材料；
和/或；
电极为具备电化学性能的电极，包括金属电极、氯化银电极、氧化铟锡电极、碳基材料电极或者碳基材料、金属组成的复合电极中的一种；
和/或；
介质层的材料包括硅基材料、非硅基材料或硅基材料和非硅基材料的复合材料；
和/或；
粘附层包括钛、镍、铬或氮化钛材料中的一种或多种。
本发明的另一方面，提供了一种微孔结构的制备方法，包括如下步骤：
制备基底；
通过镀膜、光刻和刻蚀，在所述基底上制成支撑结构层。
优选的，所述支撑结构层，由从靠近所述基底到远离所述基底的先后顺序进行制备；
所述镀膜包括物理气相沉积方法、化学气相沉积方法、液体胶旋涂方法或固体胶膜贴膜方法中的一种；
和/或；
所述刻蚀包括基于等离子的干法刻蚀工艺或基于化学溶液的湿法刻蚀工艺中的一种。
本发明的再一方面，提供了一种芯片，该芯片中包含有上述的微孔结构。
优选的，该芯片中，在同一个基底上，支撑结构层的空腔设置成多个；且所有所述空腔的设置方式包括矩形阵列设置或者菱形阵列设置。
从产品结构集约，整体性以及应用需求的角度出发，支撑结构层形成的空腔结构应该是非常多的，这样即可满足反应及检测要求，因此在优选的方案中，可以在同一个基底上设置多个微孔结构(更具体的，为支撑结构层的空腔)，并且根据需要，多个空腔的设置方式包括矩形阵列设置或者菱形阵列设置。
综上，在发明提供的微孔结构，其通过特殊的空腔结构设置，兼顾了体系的反应空间以及膜的稳定性，实现了类似于孔的口径较小，但容积并不小的结构，从根本上解决了膜的稳定性问题。
另外，通过对支撑结构层的具体优选的设置方式，通过孔径、厚度、形 状等多维度的选择，保证了整个结构的稳定性，进一步对反应体系提供保障。
此外，处于最顶端的支撑结构层的内壁，通过形成特定形状的凹槽，由于内壁比表面积的增大，有利于进一步增强膜与支撑结构层结合的稳定性。
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为现有技术微孔测序结构的示意图；
图2a本发明的微孔结构中，包括三个支撑结构层的一个实施方案的结构断面示意图；
图2b为本发明的微孔结构中，包括三个支撑结构层的一个实施方案的结构平面俯视示意图；
图3a为本发明的微孔结构中，包括三个支撑结构层的另一实施方案的结构平面俯视示意图；
图3b为本发明的微孔结构中，包括三个支撑结构层的又一实施方案的结构平面俯视示意图；
图4a为本发明的芯片的一个实施例中，空腔的设置方式呈矩形阵列的示意图；
图4b为本发明的芯片的另一个实施例中，空腔的设置方式呈菱形阵列的示意图；
图5a、图5b和图5c分别为微孔结构的制备方法的实施例中，不同制备 阶段的示意图；
图6为本发明的一个实施例中，基底的结构示意图。
附图标记：
100、圆筒状结构；
201、基底；202、支撑结构层；203、空腔；
2011、电极；2012、衬底；2013、介质层；
2021、第一结构层；2022、第二结构层；2023、第三结构层；
2031、第一微孔；2032、第二微孔；2033、第三微孔；
301、凹槽；302、第一圆环；303、第二圆环。
具体实施方式
为了使本发明的上述以及其他特征和优点更加清楚，下面结合附图进一步描述本发明。应当理解，本文给出的具体实施例是出于向本领域技术人员解释的目的，仅是示例性的，而非限制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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”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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，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，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，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”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
请参考图2a至图6所示；本发明的其中一个实施方案中，提供了一种微孔结构，该结构包括基底201，以及具有通孔且设置在所述基底201上的支撑结构层202；所述支撑结构层202及通孔与所述基底201形成空腔203；自上而下，所述支撑结构层202至少包括两个，且远离所述基底201的支撑结 构层202上的通孔孔径小于设置在所述基底201上的支撑结构层202的通孔孔径。
在进一步的一些实施方案中，本发明的其他实施方案还可以是在上述实施方案的基础之上所进行的以下一种方案或者多种方案组合的进一步的限定或者增加；例如，自上而下，所述支撑结构层202包括三层；处在中间的支撑结构层202上的通孔的孔径小于处在最顶端的支撑结构层202上的通孔的孔径；或者，所述通孔的投影形状包括圆形、椭圆形或者多边形中的一种或者多种；或者，所述基底201上设置有电极2011，所述电极2011存在暴露在所述空腔203中的部分；或者，设置在所述基底201上的支撑结构层202在垂直于所述基底201的方向上的尺寸，大于处在中间的支撑结构层202以及处在最顶端的支撑结构层202在垂直于所述基底201的方向上的尺寸；或者，处在中间的支撑结构层202在垂直于所述基底201的方向上的尺寸小于或者等于处在最顶端的支撑结构层202在垂直于所述基底201的方向上的尺寸；或者，处在最顶端的支撑结构层202的通孔内壁上，设置有多个向所述支撑结构层202内部凹陷的凹槽301；所述凹槽301沿着处在最顶端的支撑结构层202的通孔的开口到所述基底201的方向延伸；或者，沿着从所述凹槽301的开口到底部的方向，所述凹槽301在垂直于所述通孔轴向的投影面积渐增；或者，所述凹槽301均匀布设，所有所述凹槽301的底部和开口均呈弧形；所有所述凹槽301的底部弧段共线构成一圆环，所有所述凹槽301的开口弧段共线构成的另一圆环，两个所述圆环同轴；或者，所述基底201上还包括衬底2012和介质层2013；所述介质层2013设置在所述支撑结构层202和所述衬底2012之间；当设置有电极2011时，所述电极2011设置在所述衬底2012上，所述衬底2012和所述电极2011之间设置有粘附层；或者，所述介质层2013存在将所述电极2011的边沿包覆的部分；或者，所述支撑 结构层202的材料包括硅基材料、非硅基材料、硅基材料和非硅基材料的复合材料；或者，电极2011为具备电化学性能的电极2011，包括铂电极、金电极、钯电极、银电极和氯化银电极、氧化铟锡电极、碳纳米管电极、石墨烯电极或者碳纳米管与石墨烯、金属组成的复合电极中的一种；或者，介质层2013的材料包括硅基材料、非硅基材料或硅基材料和非硅基材料的复合材料；或者，粘附层包括钛、镍、铬或氮化钛材料中的一种或多种。
在本发明的一个具体实施方案中，微孔结构包括基底201、支撑结构层202；基底201上设置有电极2011(存在暴露于空腔203的部分)，支撑结构层202上设置有通孔，支撑结构层202及通孔与所述基底201形成空腔203；自上而下，所述支撑结构层202包括两个，且远离所述基底201的支撑结构层202上的通孔孔径小于设置在所述基底201上的支撑结构层202的通孔孔径。
在一些实施方案中，所述支撑结构层202包括三层；且处在中间的支撑结构层202上的通孔的孔径小于处在最顶端的支撑结构层202上的通孔的孔径。基底201包含有衬底2012、电极2011和必要的介质层2013；所述介质层2013设置在所述支撑结构层202和所述衬底2012之间；所述电极2011设置在所述衬底2012上，所述衬底2012和所述电极2011之间设置有粘附层。
如图2a所示，为了方便理解，在支撑结构层202包括三层的具体实施方案中，支撑结构层202从自下而上的方向，依次称之为，第一结构层2021、第二结构层2022以及第三结构层2023，对应的，在每个结构层上形成的通孔，对用称之为第一微孔2031，第二微孔2032和第三微孔2033。
更为具体的，比如，自上而下形成的三级通孔中：
第三微孔2033的孔径(d3)为1微米到200微米之间，具体可以为50微米；
第二微孔2032的孔径(d2)为1微米到200微米之间，具体可以为30微米；
第一微孔2031的孔径(d1)为10微米到10毫米之间，具体可以为100微米。
在材料选择方面，在一些实施例中，支撑结构层202的材料包括可交联的有机聚合物材料，如SU8、PDMS及其同类的有机光刻胶材料；也可以选用采用旋涂工艺的湿胶或者贴膜工艺的干胶，优选干胶，有利于保证厚度均匀性和一致性。
除了上述材料，支撑结构层202也可以是硅基介质，如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等，也可以是非硅基介质，如光刻胶等有机物等，也可以是硅基介质和非硅基介质的复合材料。
电极2011为具备电化学性能的电极2011，包括铂电极2011、金电极2011、钯电极2011或石墨烯电极2011中的一种(以铂电极2011作为最优选)；一些其他的实施例中，电极2011还可以是银和氯化银，也可以是氧化铟锡，也可以是碳纳米管或石墨烯，还可以是碳纳米管或石墨烯与金属(如铂、金、钯及银等)的复合电极2011。
衬底2012可以是玻璃片、硅片、集成电路或印刷电路板等，介质层2013可以是非硅基介质，也可以是硅基介质和非硅基介质的复合介质，如SU8(SU8光刻胶)、PDMS(聚二甲基硅氧烷)等有机聚合物材料。粘附层为钛或镍金属材料。
需要说明的是，在一些实施方案中，支撑结构层202中，第一结构层2021、第二结构层2022及三结构层2023可以选择完全一致的材料，在另外一些实施例中，第一结构层2021、第二结构层2022及三结构层2023可以选择不同的材料。
在一些优选的实施例中，所述通孔的投影形状(平面拓扑结构)可以是圆形、椭圆形或者多边形一种或者多种的组合，以圆形作为最优选。
在其中的一些实施方案中，所述基底201上的支撑结构层202在垂直于所述基底201的方向上的尺寸，大于处在中间的支撑结构层202以及处在最顶端的支撑结构层202在垂直于所述基底201的方向上的尺寸；处在中间的支撑结构层202在垂直于所述基底201的方向上的尺寸小于或者等于处在最顶端的支撑结构层202在垂直于所述基底201的方向上的尺寸。
更为具体的，比如，自上而下形成的三级支撑结构层202中：
第三结构层2023的厚度可以是100纳米到10毫米，比如50微米；
第二结构层2022的厚度可以是100纳米到10毫米，比如50微米；
第一结构层2021的厚度可以是1微米到10毫米之间，比如100微米。
设置在所述基底201上的第一结构层2021的厚度最大，而且其通孔的孔径也是最大的，保障了空腔203内的反应空间，且由于其厚度相较其他两者而言较大，因此可对其他结构层起到更好的支撑作用。第二结构层2022的厚度以及通孔孔径最小，从通孔自上而下的角度俯视，第二结构层2022存在凸出的部分，该凸出的部分，对第三结构层2023具有支撑作用，但如果厚度过大，则会影响整个层状结构的稳定性(如可能出现内陷)，由此，优选的，第二结构层2022厚度小于或者等于第三结构层2023的厚度。
请参考图3a和图3b，在其他一些优选的方案中，第三结构层2023的第三微孔2033的内壁上，设置有多个向第三结构层2023内部凹陷的凹槽301；所述凹槽301沿着处在第三微孔2033的开口到所述基底201的方向延伸。同时，沿着从所述凹槽301的开口到底部的方向，进一步的方案中，请参考图3b，所述凹槽301在垂直于所述通孔轴向的投影面积渐增，而在图3a中，凹槽301在垂直于所述通孔轴向的投影面积呈现出渐减或者很微弱的变化趋势， 应理解，凹槽301在垂直于所述通孔轴向的投影面积的变化仅仅是本发明众多实施方式中的一些优选方案，并非对本发明保护范围的限定。
在上述的方案中，从第三微孔2033向下俯视，这种凹槽301结构，实际上形成了梳齿状的结构，其在没有扩大通孔孔径的前提下，通过向内壁凹陷形成凹槽301的方式增大了第三微孔2033的比表面积，有利于进一步增强膜(应用时覆盖到第三微孔2033上面)与第三结构层2023结合的稳定性。
另外，凹槽301的形状，形成了从开口到底部渐渐扩大的结构，由此相应的，在每两个相邻凹槽301之间的实心凸起和凹槽则形成了类似相反的形状，这种结构更具有稳定性，可以保障膜以及最顶部的支撑结构层202的稳定性。
在另外一些实施例中，所述凹槽301均匀布设，所有所述凹槽301的底部和开口均呈弧形；所有所述凹槽301的底部弧段共线构成一圆环，又称第一圆环302(请参考图3a，实际上为一不连续的圆环)，所有所述凹槽301的开口弧段共线构成的另一圆环，又称第二圆环303(请参考图3a，实际上为一不连续的圆环)，第一圆环302和第二圆环303同轴。
均匀布设的凹槽301，所有凹槽301的底部和开口的弧段共线形成的同心圆环结构，使得层状支撑结构更具有整体性，也利于膜的稳定性。更为优选，第一微孔2031，第二微孔2032以及第三微孔2033同轴设置。
更为具体的，每相邻两个凹槽301最底部之间的距离标记为W，从其开口到底部之间的距离，标记为L，其底部的弧两端点之间距离标记为P，从结构稳定性，比表面积的优选以及对膜稳定支撑的角度出发，L在1微米到5毫米之间，比如30微米。P在1微米到100微米之间，比如5微米。W在1微米到100微米之间，比如5微米。
应理解，在图3a和图3b中，所显示的含有凹槽301的锯齿结构实际上 为第三微孔2033及凹槽301共同组成的空心结构。
在本发明的一个实施方案中，提供了一种微孔结构的制备方法，其步骤包括制备基底201；通过镀膜、光刻和刻蚀，在所述基底201上制成支撑结构层202。
在进一步优选的方法中，其包括如下步骤：
101：制备基底201；
该步骤中，首先提供一种基底201其主要包含必要的衬底2012、电极2011和介质层2013等；基底201制备的方法一般是业内所熟知的，本发明不再详细描述。
102：依次通过镀膜、光刻和刻蚀，在所述基底201上制备上第一结构层2021，第二结构层2022以及第三结构层2023。
其中，所述镀膜包括物理气相沉积方法、化学气相沉积方法、液体胶旋涂方法或固体胶膜贴膜方法中的一种；所述刻蚀包括基于等离子的干法刻蚀工艺或基于化学溶液的湿法刻蚀工艺中的一种。
在本步骤中，具体的，在衬底2012上通过镀膜、光刻和刻蚀的方法制备出第一结构层2021如图5a所示。其中第一结构层2021镀膜的方法可包括物理气相沉积方法、化学气相沉积方法、液体胶旋涂方法、固体胶膜贴膜方法等。为保证第一结构层2021的厚度均匀性和一致性，优选采用固体胶膜贴膜方法，固体胶膜优选采用可交联的聚合物光刻胶，比如SU8。而刻蚀第一结构层2021的方法可以基于等离子的干法刻蚀工艺也可以是基于化学溶液的湿法刻蚀工艺，优选采用基于显影液的化学显影刻蚀工艺。
继续通过镀膜、光刻和刻蚀的方法制备出第二结构层2022，如图5b所示。其中第二结构层2022镀膜的方法通常有物理气相沉积方法、化学气相沉积方法、液体胶旋涂方法、固体胶膜贴膜方法等。为保证第一结构层2021 的厚度均匀性和一致性，优选采用固体胶膜贴膜方法，固体胶膜优选采用可交联的聚合物光刻胶，比如SU8。而刻蚀第二结构层2022的方法可以基于等离子的干法刻蚀工艺也可以是基于化学溶液的湿法刻蚀工艺，优选采用基于显影液的化学显影刻蚀工艺。
继续通过镀膜、光刻和刻蚀的方法制备出第三结构层2023，如图5c所示。其中第三结构层2023镀膜的方法通常有物理气相沉积方法、化学气相沉积方法、液体胶旋涂方法、固体胶膜贴膜方法等。为保证第三结构层2023的厚度均匀性和一致性，优选采用固体胶膜贴膜方法，固体胶膜优选采用可交联的聚合物光刻胶，比如SU8。刻蚀第三结构层2023的方法可以基于等离子的干法刻蚀工艺也可以是基于化学溶液的湿法刻蚀工艺，优选采用基于显影液的化学显影刻蚀工艺。
请参考图4a和4b，在本发明的一个实施方案中，提供了一种含有微孔结构的芯片，优选的方案中，同一个基底201上，支撑结构层202的空腔203设置成多个，呈周期性排列；且所有所述空腔203的设置方式包括矩形阵列设置或者菱形阵列设置。图4a和4b中，两种空腔203的排布方式没有根本性差异，主要依据所选用基底201的情况来选用不同的微孔结构的阵列排布方式。在图4a和4b中，应理解，通过空腔203的俯视形状可知，在支撑结构层202中，其实际上展示出了第三微孔2033的孔径(d3)和第二微孔2032的孔径(d2)相同的情况；处在最中心的空心圆实际上代表第三微孔2033的孔径(d3)和第二微孔2032的孔径(d2)；围绕在圆心的灰色部分实际为空心的凹槽301。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (15)

  1. 一种微孔结构，其特征在于，包括基底，以及；
    具有通孔且设置在所述基底上的支撑结构层；
    所述支撑结构层及通孔与所述基底形成空腔；
    自上而下，所述支撑结构层至少包括两个，且远离所述基底的支撑结构层上的通孔孔径小于设置在所述基底上的支撑结构层的通孔孔径。
  2. 根据权利要求1所述的微孔结构，其特征在于，自上而下，所述支撑结构层包括三层；
    处在中间的支撑结构层上的通孔的孔径小于或等于处在最顶端的支撑结构层上的通孔的孔径。
  3. 根据权利要求1所述的微孔结构，其特征在于，所述通孔的投影形状包括圆形、椭圆形或者多边形中的一种或者多种。
  4. 根据权利要求1所述的微孔结构，其特征在于，所述基底上设置有电极，所述电极存在暴露在所述空腔中的部分。
  5. 根据权利要求2所述的微孔结构，其特征在于，设置在所述基底上的支撑结构层在垂直于所述基底的方向上的尺寸，大于处在中间的支撑结构层以及处在最顶端的支撑结构层在垂直于所述基底的方向上的尺寸；
    和/或；
    处在中间的支撑结构层在垂直于所述基底的方向上的尺寸小于或者等于处在最顶端的支撑结构层在垂直于所述基底的方向上的尺寸。
  6. 根据权利要求2所述的微孔结构，其特征在于，处在最顶端的支撑结构层的通孔内壁上，设置有多个向内部凹陷的凹槽；
    所述凹槽沿着处在最顶端的支撑结构层的通孔的开口到所述基底的方向延伸。
  7. 根据权利要求6所述的微孔结构，其特征在于，沿着从所述凹槽的开口到底部的方向，所述凹槽在垂直于所述通孔轴向的投影面积渐增。
  8. 根据权利要求6所述的微孔结构，其特征在于，所述凹槽均匀布设，所有所述凹槽的底部和开口均呈弧形；
    所有所述凹槽的底部弧段共线构成一圆环，所有所述凹槽的开口弧段共线构成的另一圆环，两个所述圆环同轴。
  9. 根据权利要求1-8任一项所述的微孔结构，其特征在于，所述基底上还包括衬底和介质层；
    所述介质层设置在所述支撑结构层和所述衬底之间；
    当设置有电极时，所述电极设置在所述衬底上，所述衬底和所述电极之间设置有粘附层。
  10. 根据权利要求9所述的微孔结构，其特征在于，所述介质层存在将所述电极的边沿包覆的部分。
  11. 根据权利要求9所述的微孔结构，其特征在于，所述支撑结构层的材 料包括硅基材料、非硅基材料或硅基材料和非硅基材料的复合材料；
    和/或；
    电极为具备电化学性能的电极，包括金属电极、氯化银电极、氧化铟锡电极、碳基材料电极或者碳基材料、金属组成的复合电极中的一种；
    和/或；
    介质层的材料包括硅基材料、非硅基材料或硅基材料和非硅基材料的复合材料；
    和/或；
    粘附层包括钛、镍、铬或氮化钛材料中的一种或多种。
  12. 一种微孔结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
    提供基底；
    通过镀膜、光刻和刻蚀，在所述基底上制成支撑结构层。
  13. 根据权利要求12所述的微孔结构的制备方法，其特征在于，所述支撑结构层，由从靠近所述基底到远离所述基底的先后顺序进行制备；
    所述镀膜包括物理气相沉积方法、化学气相沉积方法、液体胶旋涂方法或固体胶膜贴膜方法中的一种；
    和/或；
    所述刻蚀包括基于等离子的干法刻蚀工艺或基于化学溶液的湿法刻蚀工艺中的一种。
  14. 一种芯片，其特征在于，包括如权利要求1-11任一项所述的微孔结构。
  15. 根据权利要求14所述的芯片，其特征在于，同一个基底上，支撑结构层的空腔设置成多个；
    且所有所述空腔的设置方式包括矩形阵列设置或者菱形阵列设置。
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