CN1292240C - 磁力微粒操控器 - Google Patents

Abstract

本发明磁力微粒操控器，涉及利用磁力操控磁珠、细胞、生物分子等微粒的功能器件。它由集成在同一基片正反面的平面微线圈和磁性微尖、磁芯构成。对平面微线圈通以电流，在平面微线圈周围产生应用电磁场，当磁性微粒位于磁性微尖附近时，在磁场力的作用下，微粒被吸附到磁性微尖上，当电流断开后，磁场力消失，微粒将被释放。本发明的制作平面微线圈的方法仅涉及一次光刻胶建模和一次铜电镀过程，加工简便。本发明的操作对象包括磁珠、细胞、生物分子等微粒。它可以单独使用，又可以作为组件集成到微全分析系统中。本发明可完成单个微粒操控、微粒计数、筛选或微粒混合物的分离等功能，应用于细胞生物学、免疫分析、微流体研究、纳米技术等领域。

Description

磁力微粒操控器

技术领域

本发明涉及一种磁力微粒操控器，尤其是利用磁力操控磁珠、细胞、生物分子等微粒的功能器件。

背景技术

微全分析系统也称芯片实验室，它是将样品制备、生化反应和结果检测三个步骤集成在单一器件上，且能执行特定的分析功能。微全分析系统作为高度集成的系统，由许多组件组成，包括微流体沟道、微泵、微阀、微粒操控器等。其中，微粒操控器可以在微流体环境中对磁珠、细胞、生物分子等尺寸由微米到纳米量级的微粒进行操控。

介电电泳、电渗、超声、磁力等物理现象都可以用来操控微粒。这其中，利用磁场作用于磁性微粒，可以对微粒进行分离、固定、计数、筛选，因此，磁力微粒操控的方法有着很好的应用前景。

目前，利用磁力操控微粒的方法多采用永磁体或传统的电磁线圈提供应用磁场，其缺点是整套系统体积庞大，不能与微全分析系统进行集成。Rong等人报道了(IEEE The Sixteenth Annual International Conference onMicro E1ectro Mechanical System，P530-533，January 19-23，2003)一种磁珠\生物细胞筛选器，它由微螺线管线圈、磁性微尖、磁芯、微流体沟道组成，通过微螺线管线圈来提供应用电磁场，能够很好完成沟道内微粒的分离、筛选任务。但是，加工这种微螺线管线圈要经过两次光刻胶建模，两次铜电镀和一次电镀导磁合金的过程，加工工艺复杂，加工成本较高。另外，微螺线管线圈的结构不够紧凑，当其作为组件集成到结构复杂的微全分析系统(例如含有密集微流体沟道的系统)当中去时，会给整个系统的布局，设计带来很大的困难，所以，以微螺线管线圈作为激励线圈的微粒操控装置难以在微全分析系统中广泛应用。

发明内容

为克服现有技术的缺点，本发明提出了一种新型磁力微粒操控器，它采用平面微线圈提供应用磁场，由平面微线圈、磁性微尖和磁芯三部分组成，它们都集成在双面抛光的基片上。其中平面微线圈位于基片背面，磁性微尖位于正对平面微线圈的基片正面，在平面微线圈中央开有连接孔，磁芯穿过连接孔与磁性微尖相连，磁芯的作用是将平面微线圈产生的应用电磁场集中作用于磁性微尖上。平面微线圈的焊盘和引线位于基片背面，平面微线圈通过引线与焊盘相连，外部电源通过焊盘加电流于平面微线圈。

本发明制作加工平面微线圈的方法仅涉及一次光刻胶建模和一次铜电镀过程，相对微螺线管线圈的加工过程来说，工艺简单，加工成本低。其次，由于平面微线圈比微螺线管线圈结构紧凑，因此其作为组件可以更方便地集成到微全分析系统当中去，这在设计微全分析系统时是非常重要的。再有我们采用软磁材料加工磁性微尖，因此可以通过对微线圈电流的开和关产生对磁性微粒的吸附和释放动作，使得对微粒的操控更为灵活。平面微线圈作为激励线圈还具有以下的优点：平面微线圈采用传统的光刻工艺加工，对它的形状、尺寸的设计更为方便灵活；平面微线圈可以与微量样品准确定位，提高操控灵敏度等。

由于磁性微尖具有很高的导磁率，在磁场的作用下，磁力线在微尖处聚集，从而提高微尖部位的磁场梯度和磁场强度。磁性微粒所受的磁力与它所在区域的磁场和大小有关，根据电磁场理论，单个顺磁性微粒所受的磁力大小为：

           F_m＝(m·)B＝Vχ_m(H·)B

其中，F_m是磁场力；m是磁性微粒的磁矩；B是应用磁场磁感应强度；V表示磁性微粒的体积；χ_m是磁化率；H是应用磁场的磁场强度。

根据上面的公式，磁力微粒操控器的工作原理是将平面微线圈产生的应用电磁场集中作用于磁性微尖，再通过磁性微尖和微粒之间的磁力作用来操控微粒。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，其中1为磁芯，2为磁性微尖，3为双面抛光的基片，4为平面微线圈；

图2是平面微线圈结构示意图，其中4为平面微线圈，5为焊盘，6为微线圈引线。

具体实施方式

图1是本发明的具体实施例。本发明的关键结构是平面微线圈和磁性微尖，其中平面微线圈4加工在双面抛光的基片3—如硅片、玻璃片、GaAs片--的背面，磁性微尖2加工在基片3的正面，磁芯1位于平面微线圈4中央，穿过基片3与磁性微尖2相连。磁芯1的作用是将平面微线圈产生的应用电磁场集中作用于磁性微尖2。

本发明磁力微粒操控器的加工过程如下：首先，在基片3的背面通过铜电镀的方法加工出平面微线圈4的焊盘5和引线6，平面微线圈4的焊盘5和引线6的厚度为5-10微米；然后在基片3背面加工出平面微线圈4的SU-8光刻胶模具，通过铜电镀工艺在模具里加工出平面微线圈4，平面微线圈4的厚度为60-100微米；在平面微线圈4中央利用腐蚀工艺加工出连接孔，在其中注入导磁合金(如坡莫合金)形成磁芯1。磁性微尖2的加工过程是这样的：首先在基片3的正面电镀一层约1500埃-2000埃的软磁材料(如NiFe)，然后利用掩模通过传统的光刻技术确定磁性微尖2的位置、形状和尺寸，接着腐蚀掉多余的软磁材料，在磁芯的上面形成磁性微尖2，磁性微尖2尖端的宽度为50纳米-5微米。

可以根据不同的应用情况对本发明的平面微线圈的形状、匝数、宽度、间隔进行方便、灵活的设计，另外，采用上面提到的加工工艺可以大大降低微线圈的电阻，提高应用磁场的执行效率。图2是我们用上述方法加工制成的一种圆形平面微线圈，它有三匝，线圈内径为100微米，线圈宽度为30微米，匝间线圈间隔为30微米。磁芯位于平面微线圈的中心，磁性微尖与突出于基片正面的磁芯相连。磁性微尖与微粒直接作用，磁性微尖的尖端的宽度是根据微粒的粒径大小来设计的，可以是微米量级，也可以是纳米量级，用来操控不同尺寸的磁性微粒。由于采用软磁材料加工磁性微尖，因此可以通过对微线圈电流的开和关产生对磁性微粒的吸附和释放动作，使得对微粒的操控更为灵活。

对本发明的平面微线圈4通以电流，由于电磁感应现象，在平面微线圈4周围产生应用电磁场，在本发明微粒操控器的磁性微尖2处，磁力线密集，磁感应强度和磁场梯度最大。当磁性微粒位于磁性微尖2附近时，在磁场力的作用下，微粒将会吸附到磁性微尖2上，当电流断开后，磁场力消失，微粒将被释放。本发明微粒操控器的操作对象包括磁珠、细胞、生物分子等微粒，对于非磁性微粒，可以通过标记磁性探针的方法使其具有磁性，以便达到操控的目的。

本发明既可以单独使用，又可以作为组件集成到微全分析系统当中去。通过几个这种微粒操控结构的组合，可以完成单个微粒操控、微粒计数、筛选或微粒混合物的分离等功能。这种新型微粒操控器可以应用于细胞生物学、免疫分析、微流体研究、纳米技术等领域。

Claims (6)

1、一种磁力微粒操控器，包括磁场、磁性微尖和磁芯，其特征是它采用平面微线圈[4]提供应用磁场，平面微线圈[4]、磁性微尖[2]和磁芯[1]集成在双面抛光的基片[3]上，平面微线圈[4]位于基片背面，磁性微尖[2]位于正对平面微线圈[4]的基片正面，在平面微线圈[4]中央开有连接孔，磁芯[1]穿过连接孔与磁性微尖[2]相连；平面微线圈[4]的焊盘[5]和引线[6]位于基片背面，平面微线圈[4]通过引线[6]与焊盘[5]相连。

2、根据权利要求1所述的磁力微粒操控器，其特征是所述的基片[3]为硅片、玻璃片或GaAs片。

3、根据权利要求1所述的磁力微粒操控器，其特征是所述的磁性微尖[2]用电镀软磁材料制成，磁性微尖[2]尖端的宽度可以是微米量级或纳米量级。

4、根据权利要求1所述的磁力微粒操控器，其特征是所述的平面微线圈[4]的加工采用SU-8模具铸模和铜电镀组合加工工艺，即先在基片[3]背面加工出平面微线圈[4]的SU-8光刻胶模具，通过铜电镀工艺在模具里加工出平面微线圈[4]，平面微线圈[4]的厚度为60-100微米；平面微线圈[4]的焊盘[5]和微线圈引线[6]也通过电镀的方法加工在基片背面，焊盘[5]和引线[6]的厚度为5-10微米。

5、根据权利要求1所述的磁力微粒操控器，其特征是所述的磁性微尖[2]是在基片[3]的正面电镀一层约1500埃-2000埃的软磁材料，然后利用掩模通过传统的光刻技术确定磁性微尖[2]的位置、形状和尺寸，接着腐蚀掉多余的软磁材料，在磁芯[1]的上面形成磁性微尖[2]。

6、根据权利要求1所述的磁力微粒操控器，其特征是所述的磁芯[1]是在平面微线圈[4]中央利用腐蚀工艺加工出连接孔，在孔中注入导磁合金形成。