CN117920372B - 一种光电镊芯片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光电镊芯片及其制造方法,涉及生物芯片技术领域,包括:下基底和上基底,下基底和上基底之间通过隔离墙进行连接,且两两隔离墙之间为流道结构;下基底由衬底和光电器件组成,且光电器件位于衬底上端,通过光刻显影蚀刻工艺对光电器件进行刻蚀形成具有间隔的光敏器件填充区域后,通过对填充区域进行填充形成绝缘层;通过在玻璃基板镀一层ITO膜形成上基底,上基底与隔离墙通过粘结剂进行连接;本发明光电镊芯片中的微流道材料采用金属代替现有的有机高分子,从而增加了入射光效率,减少入射光功率,提高光电镊芯片导热性,提高光电镊芯片可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及生物芯片技术领域,具体为一种光电镊芯片及其制造方法。
背景技术
基于光电镊技术的微流体装置可以通过图案化的光照在微流道产生非均匀电场,这种非均匀电场可以通过介电泳力(DEP)对微流道中的微纳物体实现操纵,典型的基于光电镊技术的微流体装置(下称微流体装置)包括:可以透光的上电极、下电极、上下电极之间的光敏层和置于光敏层上方的微流道结构以及可以在微流道中流动的中间介质(如细胞培养液),上下电极之间通常施加交流电压,当图案化的光从可以透光的上电极入射,经过中间介质到达光敏层,被照射的光敏层区域电阻率显著下降,光照区域的电压降会主要施加在中间介质上,非光照区域的光敏层电阻率很高,该区域的电压降则主要施加在光敏层上,因此会在中间介质中产生非均匀的电场,这种电场可以在中间介质中的微纳物体(如细胞)上施加介电泳力(DEP),使得该微纳物体可以在微流道中移动。
基于光电镊技术的微流体装置的光响应系数是衡量该装置的指标之一,光响应系数是指光照时在某特定微纳物体上产生的介电泳力与从上电极入射光光强之比,更大的光响应系数的基于光电镊技术的微流体装置可以实现在相同光照下对微纳物体更高效的操纵或者更小光照实现相同的操纵从而减少对微纳物体的损伤(如细胞)。
入射光从上电极通过中间介质入射到光敏层表面时会发生发射,被光敏层反射的光会透过微流道侧壁结构以及被微流道中的液体部分吸收,所以到达光敏层表面的光强会会有40%被吸收,剩下60%被入射到光敏层,从而导致基于光电镊技术的微流体装置的光响应系数会显著降低。
典型的微流体装置上的刚性电极板通过与SU8树脂形成,电极板与树脂微流道键合而形成,流道内部具有多个相互独立的提供液体流动的微通道,各个微流道完全隔离,从而允许中间介质不会泄露,然而由于柔性或者弹性材料本身就具有较大的膨胀系数,较大的光吸收系数,较低的热阻,其构成的微流道结构的密闭性差,可靠性差,光响系数低,散热性差,从而使得光电镊芯片具有入射功率高,导热率低,可靠性低的问题。因此,我们提供了一种光电镊芯片及其制造方法解决以上一个或者多个问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光电镊芯片及其制造方法,以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种光电镊芯片,包括:下基底和上基底,下基底和上基底之间通过隔离墙进行连接,且两两隔离墙之间为流道结构;
下基底由衬底和光电器件组成,且光电器件位于衬底上端,通过光刻显影蚀刻工艺对光电器件进行刻蚀形成具有间隔的光敏器件填充区域后,通过对填充区域进行填充形成绝缘层;
通过在玻璃基板镀一层ITO膜形成上基底,上基底与隔离墙通过粘结剂进行连接。
优选的,下基底内采用PN注入形成光电器件时,会在衬底上方形成第一光电层、第二光电层。
优选的,下基底内采用PIN注入形成光电器件时,会在衬底上方形成光电层一、光电层二、光电层三。
优选的,绝缘层可以采用二氧化硅进行填充后刻蚀。
优选的,绝缘层可以采用氮化硅进行填充后刻蚀。
一种光电镊芯片制造方法,用于制备一种光电镊芯片,包括以下步骤:
S1:在单晶硅上通过外延形成下基底;
S2:在下基底内注入PN、NPN、PIN中任意一种形成光电器件;
S3:在S2中所形成的下基底基础上通过光刻显影蚀刻工艺,形成分离的光敏器件;
S4:通过二氧化硅或者氮化硅对S3中刻蚀出的区域进行填充,构成绝缘层;
S5:通过光刻显影蚀刻工艺,在绝缘层形成需要的开窗的图形;
S6:在S5绝缘层蚀刻形成的开窗图形基础上通过金属铝进行沉积;
S7:在S6的基础上通过光刻显影蚀刻工艺,形成所需要流道结构;
S8:在玻璃基板上真空镀上ITO膜形成上基底;
S9:将S7中金属表面涂敷上粘结剂并与S8中上基底的上电极部件进行键合,从而形成密闭的光电镊芯片。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
由于在现有的技术中,微流道结构的材料包括柔性和/或弹性材料,例如橡胶、塑料、弹性体、硅树脂(例如可光刻的硅树脂或“PPS”)、聚二甲基硅氧烷(“PDMS”)以及模制玻璃、光致抗蚀剂(例如SU8)等的刚性材料,而本发明光电镊芯片中的微流道材料采用金属代替现有的有机高分子,从而增加了入射光效率,减少入射光功率,提高光电镊芯片导热性,提高光电镊芯片可靠性。
附图说明
图1为本发明光电镊行芯片结构示意图;
图2为本发明下基底内采用PN注入结构示意图;
图3为本发明下基底内采用PIN注入结构示意图;
图4为本发明光电器件蚀刻后结构示意图;
图5为本发明通过二氧化硅或者氮化硅填充后绝缘层结构示意图;
图6为本发明蚀刻绝缘层后结构示意图;
图7为本发明蚀刻绝缘层通过金属铝沉积后结构示意图;
图8为本发明流道结构示意图;
图9为本发明上基底结构示意图;
图10为本发明键合形成光电镊行芯片结构示意图;
图11为本发明光电镊光路图。
图中:
1、填充区域;100、衬底;110、玻璃基板;
10、下基底;101、光电器件;102、绝缘层;111、ITO膜;1010、第一光电层;1011、第二光电层;1012、光电层一;1013、光电层二;1014、光电层三;
11、上基底;12、流道结构;13、隔离墙;
2、光线;20、第一光线;21、第二光线;22、第三光线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”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。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“设置有”、“连接”等,应做广义理解,例如“连接”,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,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参阅图1-2所示,一种光电镊芯片包括:下基底10和上基底11,下基底10和上基底11之间通过隔离墙13进行连接,且两两隔离墙13之间为流道结构12;
下基底10由衬底100和光电器件101组成,且光电器件101位于衬底100上端,通过光刻显影蚀刻工艺对光电器件101进行刻蚀形成具有间隔的光敏器件填充区域1后,通过对填充区域1进行填充形成绝缘层102;
通过在玻璃基板110镀一层ITO膜111形成上基底11,上基底11与隔离墙13通过粘结剂进行连接。
参阅图2所示,下基底10内采用PN注入形成光电器件101时,会在衬底100上方形成第一光电层1010、第二光电层1011。
参阅图3所示,下基底10内采用PIN注入形成光电器件101时,会在衬底100上方形成光电层一1012、光电层二1013、光电层三1014。
参阅图5-6所示,绝缘层102可以采用二氧化硅进行填充后刻蚀。
参阅图5-6所示,绝缘层102可以采用氮化硅进行填充后刻蚀。
其中,在单晶硅上通过外延形成低掺杂的下基底10,并在上述基础上形成光敏层,光敏层可以是光电二极管,其结构新增加包括第一光电层1010和第二光电层1011,如果是光电三极管,则新增加光电层一1012、光电层二1013、光电层三1014,将上述晶圆通过光刻显影蚀刻工艺,形成分离的光敏器件,随后沉积绝缘层102,绝缘层102可以是二氧化硅或者氮化硅等,通过光刻显影蚀刻工艺在绝缘层形成需要的开窗的图形后,再一次沉积金属铝,通过的光刻显影蚀刻工艺,形成需要流道,随后在玻璃基板110上真空镀上电极ITO透明导电层,并在其金属表面涂敷上粘结剂与上基底11的上电极部件进行键合,从而形成密闭的光电镊芯片。
其中,光敏层材料由金属材料形成微流道,其表面为采用金属铝,铬,镊及其合金。
一方面,现有的芯片的微流道采用的是有机材料,入射的光50%被吸收并转化为热量,而本发明的流道结构芯片其流道的金属不吸光,光经过侧壁的反射进入光敏层,提高了进入光敏层的光强。
另一方面,人体细胞培养的标准温度为36.5℃±0.5℃,偏离这一温度范围,细胞的正常代谢会受到影响,甚至死亡,培养细胞对低温的耐受力较对高温强,温度上升不超过39℃时,细胞代谢与温度成正比,具体温度范围如下:
1、当人体细胞在39-40℃ 1小时,即能受到一定损伤;
2、当人体细胞在40-41℃ 1小时,细胞会普遍受到损伤;
3、当人体细胞在41-42℃1小时,细胞受到严重损伤,大部分细胞死亡;
4、当人体细胞在43℃以上1小时,细胞全部死亡。
现有的光电镊芯片采用有机材料,有机材料的是高热阻材料,导热系数低,比如,SU8的导热系数为2mk/W ,而铝的导热系数为260mk/W,相差130倍,高导热率对于光电镊芯片的温度控制非常关键,光电镊中温度需要保证在37度下使用。
参阅图11所示,光电镊芯片在接受来自外界的光线2时,一部分第一光线20直射穿过流道结构12直射在光电器件101上,一部分第二光线21被隔离墙13吸收,还有一部分第三光线22经过隔离墙13反射落在在光电器件101上,由于光电镊芯片的微流道内部的培养液含有水,金属离子,有机化合物等,在实际的使用中,通过光电效应产生微小的动力让颗粒进行定向的运动,颗粒运动的速度对于提高光电镊芯片的效率很有必要,金属微流道相比有机微流道,侧壁与液体间有更小的相互作用力。
由于在现有的技术中,微流道结构的材料包括柔性和/或弹性材料,例如橡胶、塑料、弹性体、硅树脂(例如可光刻的硅树脂或“PPS”)、聚二甲基硅氧烷(“PDMS”)以及模制玻璃、光致抗蚀剂(例如SU8)等的刚性材料,而本发明光电镊芯片中的微流道材料采用金属代替现有的有机高分子,从而增加了入射光效率,减少入射光功率,提高光电镊芯片导热性,提高光电镊芯片可靠性。
一种光电镊芯片制造方法,用于制备一种光电镊芯片,包括以下步骤:
S1:参阅图1,在单晶硅上通过外延形成下基底10;
S2:参阅图2-3,在下基底10内注入PN、NPN、PIN中任意一种形成光电器件101;
S3:参阅图4,在S2中所形成的下基底10基础上通过光刻显影蚀刻工艺,形成分离的光敏器件;
S4:参阅图5,通过二氧化硅或者氮化硅对S3中刻蚀出的区域进行填充,构成绝缘层102;
S5:参阅图6,通过光刻显影蚀刻工艺,在绝缘层102形成需要的开窗的图形;
S6:参阅图7,在S5绝缘层102蚀刻形成的开窗图形基础上通过金属铝进行沉积;
S7:参阅图8,在S6的基础上通过光刻显影蚀刻工艺,形成所需要流道结构12;
S8:参阅图9,在玻璃基板110上真空镀上ITO膜111形成上基底11;
S9:参阅图10,将S7中金属表面涂敷上粘结剂并与S8中上基底11的上电极部件进行键合,从而形成密闭的光电镊芯片。
通过上述步骤,在衬底100上形成光敏层,进一步在光敏层形成图形化的绝缘层102,在绝缘层102上通过电铸法形成金属微流道,并进一步与上电极键合,得到金属流导的光电镊芯片。
对于本领域技术人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下,能够以其它的具体形式实现本发明。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (1)
1.一种光电镊芯片的制造方法,其特征在于:
包括以下步骤:
S1:在单晶硅上通过外延形成下基底(10);
S2:在下基底(10)内注入PN、NPN、PIN中任意一种形成光电器件(101);
S3:在S2中所形成的下基底(10)基础上通过光刻显影蚀刻工艺,形成分离的光敏器件;
S4:通过二氧化硅或者氮化硅对S3中刻蚀出的区域进行填充,构成绝缘层(102);
S5:通过光刻显影蚀刻工艺,在绝缘层(102)形成需要的开窗的图形;
S6:在S5绝缘层(102)蚀刻形成的开窗图形基础上通过金属铝进行沉积;
S7:在S6的基础上通过光刻显影蚀刻工艺,形成所需要流道结构(12);
S8:在玻璃基板(110)上真空镀上ITO膜(111)形成上基底(11);
S9:将S7中金属表面涂敷上粘结剂并与S8中上基底(11)的上电极部件进行键合,从而形成密闭的光电镊芯片;
光电镊芯片包括:下基底(10)和上基底(11),下基底(10)和上基底(11)之间通过隔离墙(13)进行连接,且两两隔离墙(13)之间为流道结构(12);
下基底(10)由衬底(100)和光电器件(101)组成,且光电器件(101)位于衬底(100)上端,通过光刻显影蚀刻工艺对光电器件(101)进行刻蚀形成具有间隔的光敏器件填充区域(1)后,通过对填充区域(1)进行填充形成绝缘层(102);
通过在玻璃基板(110)镀一层ITO膜(111)形成上基底(11),上基底(11)与隔离墙(13)通过粘结剂进行连接;
下基底(10)内采用PN注入形成光电器件(101)时,会在衬底(100)上方形成第一光电层(1010)、第二光电层(1011);
下基底(10)内采用PIN注入形成光电器件(101)时,会在衬底(100)上方形成光电层一(1012)、光电层二(1013)、光电层三(1014);
绝缘层(102)采用二氧化硅或氮化硅进行填充后刻蚀。
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