CN117706869B - 基于两步原位光刻实现微流控芯片键合的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微流控生物芯片技术领域，更具体的说是基于两步原位光刻实现微流控芯片键合的方法；方法为：将光刻胶通过流道掩膜版进行光刻制备成光刻胶流道层；将紫外光敏胶对准并压紧在光刻胶流道层上，继续使用与S1相同位置进行光刻；将紫外胶流道层和光刻胶流道层粘合放入显影液中显影，实现初步键合；固化后，放置室温后即可完成键合；本发明的有益效果为解决键合使用环境要求高、成本高、限制微流控芯片的使用范围、容易造成流道阻塞等问题；因此需要一种操作简便、成本低廉且具有良好的流道特性的微流控芯片的键合方式。
Description
技术领域
本发明涉及微流控生物芯片领域，更具体的说是基于两步原位光刻实现微流控芯片键合的方法。
背景技术
微流控芯片为微流控技术提供了优良的流道环境，具有小型化、集成化等特性，广泛应用于细胞分选、环境检测以及医疗临床等领域；微流控芯片一般是由上下两块基板和中间的流道层组成，其流道层使用的材料种类丰富，包括玻璃、聚二甲基硅氧烷PDMS、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、光刻胶等。通过一系列的工艺，将基板与流道层键合，保证芯片流道的密闭性，是制备微流控芯片非常重要的一步。针对材料选择不同的键合方式，会得到不同的键合效果。
目前微流控芯片的键合手段主要有直接键合、阳极键合、粘结键合等，对于PDMS流道的键合，一般使用直接键合对其表面改性处理，但PDMS的疏水特性导致了其极低的表面张力，如果没有额外的泵送系统，溶液很难填充；阳极键合需要额外的键合设备，价格昂贵，且只能局限于玻璃、硅等材料的键合，此外这种方法需要在高温下进行，可能会造成微流控芯片其他材料的损伤；粘结键合则是通过粘结剂实现键合，成本较低。粘结剂大致分为两种，一是粘结胶带，但无法和基板面实现通孔流道，限制了微流控芯片的使用范围，并且胶带还会污染流道中样品，导致芯片失效；二是液态的粘黏剂，如紫外光敏胶，在过往使用紫外胶键合中发现，流道会发生溢胶从而导致阻塞。类似于专利号为CN202310391678.6的一种芯片键合方法、结构及存储器，键合方法包括：基板的一侧表面设置有多个焊盘，在基板具有焊盘的一侧表面形成第一反射层，第一反射层的厚度低于每一焊盘的厚度，并在每一焊盘上表面形成光固化导电层；芯片的一侧表面设置有多个焊脚，在芯片具有焊脚的一侧表面形成第二反射层，第二反射层的厚度低于每一焊脚的厚度，并在每一焊脚下表面形成导电层；将芯片具有导电层的一侧与基板具有光固化层的一侧压合，使芯片与基板之间有间隙，紫外光源的光照射间隙内，紫外光源的光直接或经第一、第二反射层反射后照射到光固化导电层，以使光固化导电层固化，从而固化芯片内侧不易固化到的光固化导电层，使芯片内侧不易固化到的光固化导电层固化。
因此，现有的键合手段存在键合使用环境要求高、成本高、限制微流控芯片的使用范围、容易造成流道阻塞等问题；因此需要一种操作简便、成本低廉且具有良好的流道特性的微流控芯片的键合方式。
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，键合使用环境要求高、成本高、限制微流控芯片的使用范围、容易造成流道阻塞等问题；因此需要一种操作简便、成本低廉且具有良好的流道特性的微流控芯片的键合方式。
为此，采用的技术方案是，本发明的基于两步原位光刻实现微流控芯片键合的方法，包括以下步骤，
S1：将光刻胶通过光刻制备成指定样式的光刻胶流道层；
S2：将紫外光敏胶对准并压紧在光刻胶流道层上，继续使用S1原位置进行光刻；将紫外胶流道层和光刻胶流道层粘合放入显影液中显影，实现初步键合；固化后，放置室温后即可使用。
优选的，所述的S1包括，
S11：将定量的光刻胶涂抹于玻璃基板上，在一定的转速下获得指定厚度的胶层并放置在热板上烘烤；
S12：将软烘后的光刻胶放置在光刻机托盘上，选择对应的流道掩膜版并进行光刻；
S13：光刻之后对其后烘并显影，最后在烘箱中做坚膜处理，获得了光刻胶流道层。
优选的，所述的S2包括，
S21：将紫外光敏胶旋涂在激光打孔后的玻璃片上，将其流道口对准并压紧在光刻胶流道层的光刻胶流道上；
S22：将带有紫外光敏胶的光刻胶流道层放置在S12光刻机托盘上相同的位置，继续使用相同的流道掩膜版原位进行光刻；
S23：光刻完毕后，紫外胶流道层和光刻胶流道层会有一个初步的粘合；组装成微流控芯片；
S24：将两步光刻好的微流控芯片整体放入显影液中显影，由于玻璃上顶板具有流道注液孔，显影液会从注液孔进入并逐步去除流道中未聚合的紫外光敏胶；
S25：显影结束后，实现初步键合；再利用紫外灯照射进行完全固化以增强键合能力，之后再将芯片放置在烘箱中老化紫外光敏胶，老化完成后取出，放置室温后即可使用，完成键合。
优选的，所述的S24的显影时间为5分钟-10分钟。
优选的，所述的紫外胶流道层的厚度要小于光刻胶流道层的厚度；微流控芯片的流道深度是紫外胶流道层和光刻胶流道层厚度之和。
优选的，所述的显影液为乙醇、丙酮、正丙醇中的一种。
优选的，所述的紫外光敏胶为紫外固化光学胶NOA61。
优选的，所述的S25的照射时间为10分钟-10小时。
优选的，所述的S25的老化时间为2小时-12小时。
优选的，所述的微流控芯片包括玻璃上顶板、紫外胶流道层、光刻胶流道层、光电导涂层和玻璃下底板，光电导涂层设置在玻璃下底板的上表面，紫外胶流道层和光刻胶流道层的中间位置均是光刻留下的设定图案；紫外胶流道层用于粘合光刻胶流道层和玻璃上顶板，形成通孔微流道；光刻胶流道层设置在光电导涂层上。
本发明的有益效果为：
1、仅通过一套掩膜版进行两步光刻，在两次显影后制备通微流道，无需额外的键合设备；
2、原位两次光刻，操作简单，不需要二次对准，定位装置简便；
3、多余的胶在后续显影的过程中都会清洗，能有效解决粘结胶阻塞通道的现象；
4、适用的键合材料范围广，对PDMS、PMMA、玻璃、硅片、金属片等都有同等的键合效果；
5、能够在一定程度上弥补首层光刻胶流道旋涂时高度的不均匀性，提高微流控芯片流道层的密封性。
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本申请文件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是本发明的微流控芯片的结构示意图；
图2是本发明的两步原位光刻方法来实现微流控芯片键合的图像示意图；
图3是本发明两步原位光刻方法来实现微流控芯片键合的示意图一；
图4是本发明两步原位光刻方法来实现微流控芯片键合的示意图二；
图5是本发明两步原位光刻方法来实现微流控芯片键合的示意图三；
图6是本发明两步原位光刻方法来实现微流控芯片键合的示意图四。
图中：玻璃上顶板1；紫外胶流道层2；光刻胶流道层3；光电导涂层4；玻璃下底板5。
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1—图6所示，基于两步原位光刻实现微流控芯片键合的方法，包括以下步骤，
S1：将光刻胶通过光刻制备成指定样式的光刻胶流道层3；
S2：将紫外光敏胶对准并压紧在光刻胶流道层3上，继续使用S1原位置进行光刻；将紫外胶流道层2和光刻胶流道层3粘合放入显影液中显影，实现初步键合；固化后，放置室温后即可使用。
本实施例的工作原理和有益效果为：本发明仅通过一套掩膜版分别光刻胶流道层3（包括但不限于SU-8）和紫外胶流道层2（包括但不限于紫外光敏胶NOA61），在两次显影后制备通孔微流道，无需额外的键合设备；原位两次光刻，操作简单，不需要二次对准；多余的胶在后续显影的过程中都会清洗，能有效解决粘结胶溢出阻塞微通道的现象；适用的键合材料范围广，对PDMS、硅片、PMMA、金属片、玻璃等都有同等的键合效果。
具体实施方式二：
如图2—图6所示，基于两步原位光刻实现微流控芯片键合的方法，所述的S1包括，
S11：将定量的光刻胶涂抹于玻璃基板上，在一定的转速下获得指定厚度的胶层并放置在热板上烘烤；
S12：将软烘后的光刻胶放置在光刻机托盘上，选择对应的流道掩膜版并进行光刻；
S13：光刻之后对其后烘并显影，最后在烘箱中做坚膜处理，获得了光刻胶流道层3。
具体实施方式三：
如图2—图6所示，基于两步原位光刻实现微流控芯片键合的方法，所述的S2包括，
S21：将紫外光敏胶旋涂在激光打孔后的玻璃片上，将其流道口对准并压紧在光刻胶流道层3的光刻胶流道上；
S22：将带有紫外光敏胶的光刻胶流道层3放置在S12光刻机托盘上相同的位置，继续使用相同的流道掩膜版原位进行光刻；
S23：光刻完毕后，紫外胶流道层2和光刻胶流道层3会有一个初步的粘合；组装成微流控芯片；
S24：将两步光刻好的微流控芯片整体放入显影液中显影，由于玻璃上顶板1具有流道注液孔，显影液会从注液孔进入并逐步去除流道中未聚合的紫外光敏胶；
S25：显影结束后，实现初步键合；再利用紫外灯照射进行完全固化以增强键合能力，之后再将芯片放置在烘箱中老化紫外光敏胶，老化完成后取出，放置室温后即可使用，完成键合。
本实施例的工作原理和有益效果为：将紫外光敏胶旋涂在激光打孔后的玻璃片上，将其流道口对准并压紧在光刻胶流道层3的光刻胶流道上，将带有紫外光敏胶的光刻胶流道层3放置在S12光刻机托盘上相同的位置，继续使用相同的流道掩膜版原位进行光刻（此外利用托盘上的定位孔可以直接定位）；光刻完毕后，紫外胶流道层2和光刻胶流道层3会有一个初步的粘合；组装成微流控芯片；将两步光刻好的微流控芯片整体放入显影液中显影，由于玻璃上顶板1具有流道注液孔，显影液会从注液孔进入并逐步去除流道中未聚合的紫外光敏胶，显影时间为5分钟-10分钟；显影结束后，实现初步键合；再利用紫外灯照射进行完全固化以增强键合能力，之后再将芯片放置在烘箱中老化紫外光敏胶，老化完成后取出，放置室温后即可使用，完成键合；
整体微流控芯片的流道深度是紫外胶流道层2和光刻胶流道层3厚度之和；
值得注意的是，由于本发明中所使用的光敏胶粘度相比于本发明中所使用的光刻胶较小，紫外胶流道层2的厚度要远小于光刻胶流道层3的厚度，并不会影响芯片的流道性能，相反，由于紫外光敏胶的亲水特性，在流道入口处更利于溶液进入，提升了流道的入口处性能；
当芯片初步键合完之后，利用紫外灯照射进行完全固化以增强键合能力、提高芯片性能。如图2所示，实验中使用的紫外光来源于紫外灯箱，将芯片放置在紫外灯箱上方，照射时间根据紫外光敏胶的特性从10分钟到10小时不等。由于紫外光敏胶的弹性模量较小，照射期间可以使用重物压住，更好地填补接缝处的间隙；之后将芯片放置在烘箱中老化紫外光敏胶，老化时间为2小时至12小时不等。老化完成后取出，放置室温后即可使用。
具体实施方式四：
如图2—图6所示，基于两步原位光刻实现微流控芯片键合的方法，所述的显影液为乙醇、丙酮、正丙醇中的一种；所述的紫外光敏胶为紫外固化光学胶NOA61
本实施例的工作原理和有益效果为：本发明中实现包括但不限于玻璃、光刻胶、PDMS、PMMA、金属片、硅片相互之间的键合；
本发明中的光刻胶包括但不限于SU-8 (Microchem SU-8)；
本发明中的紫外光敏胶包括但不限于紫外固化光学胶NOA61 (Norland)；
本发明中紫外光学胶NOA61 (Norland)的显影液包括但不限于乙醇、丙酮、正丙醇；
本发明中的紫外光学胶NOA61的光照完全固化时间包括但不限于2小时；
本发明光刻胶流道层3的厚度包括但不限于30-50微米。
具体实施方式五：
如图1所示，基于两步原位光刻实现微流控芯片键合的方法，所述的微流控芯片包括玻璃上顶板1、紫外胶流道层2、光刻胶流道层3、光电导涂层4和玻璃下底板5，光电导涂层4设置在玻璃下底板5的上表面，紫外胶流道层2和光刻胶流道层3的中间位置均是光刻留下的设定图案；紫外胶流道层2用于粘合光刻胶流道层3和玻璃上顶板1，形成通孔微流道；光刻胶流道层3设置在光电导涂层4上。
本实施例的工作原理和有益效果为：仅通过一套掩膜版进行两步光刻，在两次显影后制备通微流道，无需额外的键合设备；原位两次光刻，操作简单，不需要二次对准，定位装置简便；多余的胶在后续显影的过程中都会清洗，能有效解决粘结胶阻塞通道的现象；适用的键合材料范围广，对PDMS、PMMA、玻璃、硅片、金属片等都有同等的键合效果；能够在一定程度上弥补首层光刻胶流道旋涂时高度的不均匀性，提高微流控芯片流道层的密封性。
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 (8)
1.基于两步原位光刻实现微流控芯片键合的方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1：将光刻胶通过流道掩膜版进行光刻制备成光刻胶流道层（3）；
S2：将紫外光敏胶对准并压紧在光刻胶流道层（3）上，继续使用与S1相同位置进行光刻；将紫外胶流道层（2）和光刻胶流道层（3）粘合放入显影液中显影，实现初步键合；固化后，放置室温后即可完成键合；
S1包括，
S11：将光刻胶涂抹于玻璃基板上，在驱动旋转下获得指定厚度的胶层并放置在热板上软烘；
S12：将软烘后的光刻胶放置在光刻机托盘上，选择对应的流道掩膜版并进行光刻；
S13：光刻之后对其后烘并显影，最后在烘箱中做坚膜处理，获得了光刻胶流道层（3）；
S2包括，
S21：将紫外光敏胶旋涂在激光打孔后的玻璃片上，将其流道口对准并压紧在光刻胶流道层（3）的光刻胶流道上；
S22：将带有紫外光敏胶的光刻胶流道层（3）放置在S12光刻机托盘上相同的位置，继续使用S12的流道掩膜版原位进行光刻；
S23：光刻完毕后，紫外胶流道层（2）和光刻胶流道层（3）会有一个初步的粘合；组装成微流控芯片；
S24：将两步光刻好的微流控芯片整体放入显影液中显影，由于玻璃上顶板（1）具有流道注液孔，显影液会从注液孔进入并逐步去除流道中未聚合的紫外光敏胶；
S25：显影结束后，实现初步键合；再利用紫外灯照射进行完全固化，之后再将芯片放置在烘箱中老化紫外光敏胶，老化完成后取出，放置室温后，完成键合。
2.根据权利要求1所述的基于两步原位光刻实现微流控芯片键合的方法，其特征在于：所述的S24的显影时间为5分钟-10分钟。
3.根据权利要求1所述的基于两步原位光刻实现微流控芯片键合的方法，其特征在于：所述的紫外胶流道层（2）的厚度要小于光刻胶流道层（3）的厚度；微流控芯片的流道深度是紫外胶流道层（2）和光刻胶流道层（3）厚度之和。
4.根据权利要求1所述的基于两步原位光刻实现微流控芯片键合的方法，其特征在于：所述的显影液为乙醇、丙酮、正丙醇中的一种。
5.根据权利要求3所述的基于两步原位光刻实现微流控芯片键合的方法，其特征在于：所述的紫外光敏胶为紫外固化光学胶NOA61。
6.根据权利要求1所述的基于两步原位光刻实现微流控芯片键合的方法，其特征在于：所述的S25的照射时间为10分钟-10小时。
7.根据权利要求1所述的基于两步原位光刻实现微流控芯片键合的方法，其特征在于：所述的S25的老化时间为2小时-12小时。
8.根据权利要求1所述的基于两步原位光刻实现微流控芯片键合的方法，其特征在于：所述的微流控芯片包括玻璃上顶板（1）、紫外胶流道层（2）、光刻胶流道层（3）、光电导涂层（4）和玻璃下底板（5），光电导涂层（4）设置在玻璃下底板（5）的上表面，紫外胶流道层（2）和光刻胶流道层（3）的中间位置均是光刻留下的设定图案；紫外胶流道层（2）用于粘合光刻胶流道层（3）和玻璃上顶板（1），形成通孔微流道；光刻胶流道层（3）设置在光电导涂层（4）上。
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