CN205194658U - 芯片实验室系统 - Google Patents

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Abstract

一种芯片实验室系统包括芯片，该芯片具有流体端口并且该芯片在该流体端口周围的至少一个区域中由模制材料二次成型，并且该芯片具有远离该芯片延伸的模制材料，远离该芯片延伸的模制材料在位于该芯片的至少一部分之上的第一表面中具有与该芯片的流体端口连通的流体通道。该芯片具有特殊的设计特征以确保牢固的集成和无泄漏的流体连接。

Description

芯片实验室系统
技术领域
本实用新型涉及一种异构芯片系统(heterogeneouschipsystem)，其包括集成在模制零件中的预制的第一芯片，该模制零件通常由与第一芯片的材料不同的材料制成，芯片系统具有流体通道或流体管道，其中，第一芯片和模制零件的流体通道或流体管道彼此流体连通。描述了一种用于在单一操作中制造异构芯片系统的方法。
本实用新型中的第一芯片可由多种材料制成。该第一芯片可以是单层或多层硅芯片、粘结的硅-硅芯片、硅-玻璃芯片、玻璃-玻璃芯片、金属芯片、聚合物芯片，等等。该第一芯片可以是有源的或无源的，且其包含流体通道。本实用新型中的模制零件通常由聚合物材料模制。该模制零件可以是有源的或无源的，且其包含流体通道。
本实用新型中的芯片系统涉及模制零件与一个或多个芯片的组合系统，该芯片(或多个芯片)嵌在模制零件中。在一个具体实施例中，该芯片系统可以是芯片实验室系统。
背景技术
芯片实验室系统可由多种材料实现，这些材料诸如为聚合物(硬聚合物或软聚合物、热塑性聚合物或热固性聚合物)、纸、玻璃以及硅基材料。选择的材料取决于应用需求、功能、价格、可处置性、生物相容性、物理特性，等等，并通常是给定材料的优点和缺点之间的取舍。热塑性聚合物非常适于通过注射成型而大量制造低成本的芯片实验室系统，但与例如硅基微加工技术相比，几何结构定义(例如宽高比)和功能可能受限。无法适当地用聚合物来实现的功能或用其他材料来更好地实现的功能包括：例如，特殊的光学特性(氮化硅波导、用于表面等离子体共振的金，用于高光学质量的玻璃)、特殊的生物功能性(非特定吸附、可湿性、起作用的表面化学)、致动功能(气动PDMS阀、硅微型泵、毛细泵和阀)、传感功能(光子生物传感器、基于荧光的化验、悬臂传感器、电化学传感器、基于(磁性的和非磁性的)纳米棒和纳米颗粒的阵列、生物化学化验)和热控制。
为了产生功能强、低成本的芯片实验室系统，应该组合不同的材料和不同的制造技术。
目前，通过用多种装配方法(例如粘合剂结合、焊接、机械装配(压力和垫圈)、扣合系统以及多种所谓的即插即用平台，其以由于互相连接而引起的增加的死体积的代价而提供标准化的装配多部件系统的方式)连接多种微流体部件以形成由更简单的子部件构成的系统，来避免或实现将多种部件集成在一个芯片实验室系统中。除了旨在将几个部件在系统机构中连接在一起的这些互连技术以外，已经发展出用于封装微流体芯片实验室部件并使芯片与世界相接的多种方法和系统。这些通常需要手动装配，且通常涉及将芯片封装在一些载体基片或芯片框架内(该芯片框架包含垫圈和外部流体连接件)，或者将流体连接件直接夹在或粘合在芯片上。
本实用新型的目的在于提供一种在部件之间提供流体连接的同时将多种部件/芯片在一个制造步骤中直接集成在异构芯片实验室系统中的方法。
实用新型内容
本实用新型提供了一种用于制造芯片实验室系统的方法，其中，所述方法包括：提供包括第一模制零件和第二模制零件的模具，所述第一模制零件和所述第二模制零件中的至少一个具有定位装置，所述定位装置适于将芯片容纳并定位成搁置在第一支撑结构上，并且，所述第一模制零件和所述第二模制零件适于彼此连接以形成一腔体，在所述腔体中容纳有所述定位装置和所述第一支撑结构，将所述芯片容纳在所述定位装置中，通过将所述第一模制零件和所述第二模制零件连接来形成所述腔体，通过所述芯片的流体端口将所述芯片固定成搁置在所述第一支撑结构上，从而使所述第一支撑结构掩盖所述流体端口，将模制材料引入所述腔体中，以对所述芯片的至少一部分和所述腔体的远离所述芯片延伸的一定体积二次成型，使所述第一模制零件和所述第二模制零件分离，从所述模具中提取由邻近于所述流体端口的被所述第一支撑结构掩盖的区域且远离所述芯片延伸的区域中的所述模制材料二次成型的芯片，其中，在第一表面中具有由所述第一支撑结构形成的流体通道。
进一步地，所述方法还包括，向所述第一表面应用盖子(500)，以覆盖所述流体通道的至少一部分，从而形成与所述芯片的流体端口连通的流体管道。
进一步地，所述方法还包括，在所述第一模制零件与所述第二模制零件中的至少一个中，提供固定装置以用于将所述芯片固定在所述定位装置中。
进一步地，所述芯片是硅芯片。
本实用新型提供一种芯片实验室系统，所述芯片实验室系统包括芯片，所述芯片具有流体端口并且所述芯片在所述流体端口周围的至少一个区域中由模制材料二次成型，并且所述芯片具有远离所述芯片延伸的模制材料，远离所述芯片延伸的所述模制材料在位于所述芯片的至少一部分之上的第一表面中具有与所述芯片的流体端口连通的流体通道。
进一步地，所述芯片实验室系统包括盖子，所述盖子应用于所述第一表面，以覆盖所述流体通道的至少一部分，从而形成流体管道，并且所述盖子在所述第一表面的围绕所述流体端口的一部分上延伸，以使所述流体管道与所述流体端口连通。
进一步地，所述芯片沿着所述芯片的侧边具有壁架，并且所述壁架由所述模制材料二次成型，以用于固定所述芯片。
进一步地，所述芯片的围绕所述流体端口的区域包括一个或多个沟槽、包括粗糙表面、或包括经过处理的表面，以用于增强所述芯片的围绕所述流体端口的区域上的模制材料与所述芯片的粘合。
进一步地，所述芯片是硅芯片。
附图说明
在下文中，将参考附图通过实例描述本实用新型，附图中：
图1是示出了第一模具半部100的局部立体图，其具有用于对第一芯片进行定位和支撑并将其保持在位的结构以及用于在模制零件中形成通道的结构；
图2是示出了第一模具半部100的局部立体图，其具有插入的第一芯片300；
图3是第一模具半部100和第二模具半部200的在图2的平面AA'中形成的横截面的剖视图，其示出了通过第一模具半部中的结构并通过第二模具半部的夹紧力而保持在位的第一芯片300。在这个图中，关闭模具以形成待由聚合物材料填充的腔体；
图4是根据本实用新型的异构芯片系统(即，第一芯片300集成在模制零件400中、从第一芯片作为插入件的插入模制过程产生、具有通过结构120而形成在该第一芯片中的通道420)的在图2的平面AA'中形成的截面的剖视图。该芯片系统通常在辅助处理中层压有箔片或板500，关闭芯片系统中的通道420以形成管道(除了用于将芯片系统中的流体管道与外部装置连接的一些流体端口410以外)。一些其他区域也可能不被层压，例如用于与第一芯片电连接的区域，诸如，由于通过图1中的中央支撑结构130提供的掩盖效应(masking)而未二次成型的中央区域；
图5a是根据本实用新型的芯片系统的剖视图，其与图4的剖视图类似，但在此图示中，第一芯片具有壁架330，模制材料伸到壁架中并填充壁架；图5b是第一芯片的立体图，其具有如图5a的图示所示的壁架330；
图6a是根据本实用新型的芯片系统的剖视图，其与图4和图5a的剖视图类似，对应于图2所示的平面AA'，但第一芯片在其流体端口周围具有沟槽340，并且第一芯片具有延伸进入沟槽中且对沟槽进行填充的模制材料；以及
图6b是第一芯片的立体图，其具有壁架并在流体端口周围具有沟槽340，如图6a所示。
具体实施方式
根据本实用新型，预制的第一芯片在插入模制过程中被集成在模制零件中。模具构造为使得在第一芯片和模制零件之间建立流体连接。第一芯片具有特殊的设计特征以确保牢固的集成和无泄漏的流体连接。
第一芯片(其可由多种材料制成，例如，单层或多层硅片、粘结的硅-硅芯片、硅-玻璃芯片、玻璃-玻璃芯片、金属芯片、聚合物芯片)定位并固定在模具中，这可手动地进行(例如用于小规模生产或原型生产)或借助于机器人或其他形式的供给系统进行。在将第一芯片定位并固定在模具中之后，关闭模具，从而在第一芯片周围形成腔体，并且该腔体填充有模制材料，例如在自动注射成型过程中注射的聚合物熔体。通过流动的模制材料使第一芯片被局部二次成型(overmould)，以获得芯片系统的成品，其包括内部集成有第一芯片的模制零件。
模具
本实用新型的模具具有用于在模制过程中定位芯片并将其保持在位的结构和特征，以及用于在第一芯片与模制零件之间形成流体连接的结构。该模具通常具有至少两个部分，如图3所示，为两个模具半部100和200，并且，其通常用钢或其他合适的金属材料或其他耐热材料进行机加工。
可通过第一模具半部100中的框架结构110以及由第二模具半部200的夹紧元件提供且通过关闭两个模具半部而引入的夹紧力，将第一芯片保持在位，如图1至图3所示。
插入第一芯片可导致框架结构110的接触模具表面的磨损。因此，可能必须用耐磨涂层(例如，TiN的涂层)来涂覆这种框架结构的接触面。此外，框架结构的外角应具有足够大的半径，以便不会在模制零件中形成龟裂。
除了这种用于将第一芯片保持在模具中的框架结构以外，可在模具关闭之前用真空将第一芯片保持在位(例如，经由与所插入的芯片接触的框架结构110的表面中的真空端口140)。通过真空解决方案，框架结构不需要非常高，从而使得更容易插入芯片并减少可能的磨损问题。
在大多数模制过程/机器中，模具的打开和关闭运动是水平的。对于嵌件模塑(insertmoulding)而言，有时使用竖直模制机。在第一芯片插入底部模具半部的情况下(即，具有如图3所示的定向)的竖直模制机将易于(在模具关闭之前)将第一芯片插入模具中并将其保持在位的工序。
为了确保模制过程中在第一芯片上施加轻柔而足够的夹紧力(即，图3中的竖直力)，第二模具半部200可具有对所插入的第一芯片300的厚度的变化进行补偿的元件210，从而限制最大的夹紧所引起的机械应力以及第一芯片的可能的损坏。这个补偿元件210相对于第二模具半部表面220的位置也是可调节的。补偿元件210的尺寸和位置适应为使得该补偿元件与其平面垂直地压靠第一芯片300，这具有足够的力来避免模制材料流入第一芯片的需要暴露于模制成品上的区域，并且避免第一芯片的流动所引起的运动或变形，同时不损坏或破坏第一芯片。
补偿元件210的一个简单的实施例可以是涂有聚合物或橡胶(例如，具有高耐热性和在脱模过程中具有从模制零件良好脱模性的特氟龙或氟橡胶)的钢模具插入件。补偿元件210的另一实施例可控制第一芯片300上的夹紧力，并且通过在每个模制周期中沿着夹紧轴线调节补偿元件的位置，来保持夹紧力恒定(在所有模具周期中)。可通过弹簧作用或通过与力测量结合的(电动的、气动的、液压的)致动装置来进行位置调节。
第一模具半部100具有结构120，该结构在模制过程中覆盖并保护第一芯片上的流体端口310。因此，这些结构120在芯片系统的第一芯片与模制零件之间形成流体界面，并且这些结构还在模制零件400中形成流体通道420。
第一模具半部100可具有结构130、110，该结构覆盖并保护第一芯片300上的电互连件或垫片。
因此，总而言之，通过第一模具半部中的适当结构120，可在模制过程中直接实现该系统的第一芯片300与模制零件400之间的流体连接。另外，第一芯片上的电连接点或其他连接点在通过适当设计的模具结构110、130模制的过程中可不接触模制材料。
方法和材料
对于及时现场护理市场而言，通常已经开发出针对商业用途的芯片实验室系统，其意味着一次性的、低成本的装置。目前，制造这种系统的主流技术是使用热塑性聚合物材料(通常是透明的无定形聚合物，例如PMMA、COC、COP、PC或PS)注射成型。热塑性材料的注射成型可提供低单位成本。
用于制造异构芯片实验室系统的本实用新型非常适于通过热塑性聚合物材料进行的注射成型。
然而，本实用新型不限于热塑性材料的注射成型(包括特殊的注射成型工艺，例如注射压缩成型)。本实用新型还适于其他材料的成型，这些材料例如为热固性聚合物(例如硅橡胶或聚氨酯)、金属粉末和陶瓷粉末。此外，本实用新型还适于涉及流动材料的其他制造工艺(通过多种材料进行)，例如压缩成型、转移成型、真空铸造、热模压印、热成型、微压印/纳米压印、涉及紫外线固化的多种工艺，以及挤压处理和涂覆。
本实用新型基本上独立于模制材料的选择，而主要基于给定的芯片实验室系统的规格来选择模制材料。然而，其次，对于给定的第一芯片(材料和几何形状)而言，一些模制材料(类型和等级)在第一芯片与模制零件之间获得可靠且无泄漏的流体连接的方面可具有一定的优点。
在芯片与模制零件之间实现良好的粘合方面，可在对于给定的芯片材料具有已证明的粘合性能的可用材料中选择模制材料。这可以是例如与芯片的表面形成氢键或甚至共价化学键的聚合物模制材料。
为了减小模制零件400中的热和流动引起的应力，可能需要优化模制条件。所插入的第一芯片300的预加热可能是有利的。模具壁部的待在所插入的第一芯片300的下方填充的相当薄的部分的区域中的有源或无源局部加热有助于填充这个部分、减小焊缝线的严重度、并减小模制零件中的应力。其一个简单的实现方式可以是，通过在模具壁部中使用耐热聚合物材料来进行无源局部加热，从而局部减小流动的模制材料的固化速度。
当考虑无定形透明热塑性聚合物材料的注射成型时，可通过选择具有最合适的粘度(分子量分布)的材料来优化本实用新型的芯片实验室系统的性能。通常，在优化模制试验中可使用同一聚合物族中但具有不同粘度的三种材料。具有低粘度的材料在填充所插入的芯片与模具壁部之间的通常较薄部分的方面是有利的。另一方面，对于具有足够的耐龟裂形成性(由于几何形状/刻槽影响以及由于处理引起的残余应力而形成龟裂)的材料而言，粘度(并由此，分子量)应高于一定水平。还知道的是，一些无定形透明聚合物材料(例如聚碳酸酯)比其他材料更耐龟裂形成。最后，无定形聚合物在固化时具有相对较小的收缩率，这对于此嵌件模塑工艺来说是一个优点。
(所插入的)第一芯片的特征
为了在第一芯片300与模制零件400之间提供无泄漏的流体连接并且避免长期失效(例如第一芯片与模制零件之间的分层)，在第一芯片与模制零件之间必须具有适当的粘合。这可通过化学方式和/或通过机械方式来确保。
如果第一芯片由硅制成，那么硅芯片的真空脱水足以提供适当的粘合。在其他情况中，第一芯片可能需要在模制之前进行表面处理，或者可对聚合物增加偶联剂。(注意，用于注射成型的许多聚合物具有添加剂以易于从模具脱模。这可能妨碍聚合物与第一芯片之间的粘合)。改进无机材料(第一芯片中的典型材料)与有机聚合物之间的粘合的一种常用方式是，使用对所选择的聚合物或一类聚合物提供良好的键(不用必须是共价键)的硅烷分子来执行无机表面的硅烷表面处理。可通过湿法化学或更节省成本地在等离子体引起的处理中执行硅烷处理。模内等离子体处理(也会使表面粗糙)或仅等离子体清洗也是替代方案。
然而，化学表面处理对该过程增加了复杂性和成本。存在其他方式来避免第一芯片与模制零件之间的界面中的泄露。
可在第一芯片300上的流体端口310周围加工出沟槽/凹槽340，如图6a和图6b所示。这些沟槽/凹槽可用作机械垫圈；在模制过程中，模制材料被迫进入沟槽中，以在流体端口310周围产生液密的密封。在端口周围可具有一个或几个沟槽。如果第一芯片由硅制成，那么通过适当的硅微加工处理可制造具有负模锻斜度的沟槽，从而将聚合物牢固地机械锚固在硅芯片(沟槽)上。甚至更简单地，在第一芯片的表面区域流体入口上引入粗糙度或随机几何结构也有助于形成不泄漏的连接。
沟槽和其他几何结构可实现为第一芯片制造过程的组成部分，或实现为第一芯片制造过程的最终步骤。可通过多种微加工方法(例如湿法或干法蚀刻、切片、激光消融，等等)来实现该结构。
为了确保牢固的机械集成，并为了防止由于固化时模制材料的收缩而将插入的第一芯片300从支撑部110、120、130推出，可对第一芯片引入额外的保持结构。这些结构可实现为第一芯片中的凹槽，或实现为第一芯片的顶表面周围的壁架330，如图5a、图5b、图6a和图6b所示。如果第一芯片是硅芯片或硅-玻璃芯片，那么可通过两步晶圆切片工艺来实现这种壁架。
当完成模制处理时，将第一芯片集成在模制零件中。在图3至图5所示的实现方式中，第一芯片300可具有用硅微加工成的通道，并具有朝向第二模具半部200中的补偿元件210的透明玻璃盖。因此，玻璃盖在模制之后将与模制零件400的表面平齐。这样，确保了对第一芯片内的通道非常好地光学接入。这种接入在必须具有芯片功能的成像或光学读出的应用中很重要。在光学接入并非必要的情况下，第一芯片300的顶表面可浸在模制零件400的体积中。
第一芯片300可包含多种无源结构或有源结构或二者的组合。具体地，第一芯片可包含通道、腔室、过滤器、计量结构、混合结构、颗粒陷阱、杆阵列、三维结构。第一芯片可具有有源元件，例如泵、阀、加热元件、压力传感器、温度传感器、加速计、质量流量计，或任何类型的微电机的、微光电机的、生物微电机的，或其他类型的传感器或致动器。其可以是化学传感器、生物传感器(特别是光学的、机械的、电化学的、声学的，或光子的生物传感器)以及能量收集装置，或者生物反应器或化学反应器。第一芯片可包含纳米结构和纳米颗粒以及预存的化学品。第一芯片还可包含生物功能和生物活性区域以及化学改性区域，例如用于后续生物功能的定位点。
辅助处理
还可对通过本实用新型制造的模制零件执行对模制芯片实验室系统建立的辅助处理步骤，例如模制通道的化学表面处理。
最终制造步骤通常是密封(打开的)模制通道420。实现此操作的传统方式是例如通过粘合或焊接来应用箔片或板500。
参考标号的描述：
100：第一模具半部
110：用于将插入的第一芯片保持在位的框架结构
120：在模制零件中形成通道并在芯片与模制零件之间形成流体连接的结构
130：对第一芯片形成例如用于第一芯片的电连接的暴露区域并在该过程中机械地支撑第一芯片的结构
140：用于真空端口的可能的位置
200：第二模具半部
210：补偿元件
220：第二模具半部的模具表面
300：预制的插入的第一芯片
310：第一芯片上的流体端口
320：穿过第一芯片的通道
330：第一芯片上的壁架
340：第一芯片300上的流体端口310周围的沟槽
400：模制零件
410：模制零件中的流体端口
420：模制零件中的通道
500：层压箔片或板

Claims (5)

1.一种芯片实验室系统，其特征在于，所述芯片实验室系统包括，
芯片，所述芯片具有流体端口并且所述芯片在所述流体端口周围的至少一个区域中由模制材料二次成型，并且所述芯片具有远离所述芯片延伸的模制材料，远离所述芯片延伸的所述模制材料在位于所述芯片的至少一部分之上的第一表面中具有与所述芯片的流体端口连通的流体通道。
2.根据权利要求1所述的芯片实验室系统，其特征在于，所述芯片实验室系统包括盖子，所述盖子应用于所述第一表面，以覆盖所述流体通道的至少一部分，从而形成流体管道，并且所述盖子在所述第一表面的围绕所述流体端口的一部分上延伸，以使所述流体管道与所述流体端口连通。
3.根据权利要求1或2所述的芯片实验室系统，其特征在于，所述芯片沿着所述芯片的侧边具有壁架，并且所述壁架由所述模制材料二次成型，以用于固定所述芯片。
4.根据权利要求1或2所述的芯片实验室系统，其特征在于，所述芯片的围绕所述流体端口的区域包括一个或多个沟槽、包括粗糙表面、或包括经过处理的表面，以用于增强所述芯片的围绕所述流体端口的区域上的模制材料与所述芯片的粘合。
5.根据权利要求1或2所述的芯片实验室系统，其特征在于，所述芯片是硅芯片。
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