CN217747109U - 一种具有高深宽比的全硅微色谱柱 - Google Patents
一种具有高深宽比的全硅微色谱柱 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型提供一种具有高深宽比的全硅微色谱柱，分别在第一硅衬底及第二硅衬底中形成对应的微沟道及微流控端口，而后通过硅硅键合工艺形成具有闭合微沟道及闭合微流控端口的复合硅基底，从而形成仅具有一种硅材质的全硅微色谱柱，有利于获得均匀的固定相，且可形成具有高深宽比的闭合微沟道，使待分析组分分子在固定相和流动相之间快速达到平衡，有利于提高微色谱柱的分离性能和柱容量。
Description
技术领域
本实用新型属于微电子机械系统领域，涉及一种具有高深宽比的全硅微色谱柱。
背景技术
气相色谱柱是气相色谱系统的核心部件之一，主要用于分离混合物组分。传统的气相色谱柱由于体积大、质量重、功耗高且分离时间较长，不利于在现场对复杂气体组分进行实时、快速地分析。随着MEMS(Micro-electro-mechanical systems,MEMS)技术的发展，色谱柱的微型化在硅片上得以实现。
早期微色谱柱的微沟道通常采用各向同性湿法腐蚀工艺制备，微沟道横截面为圆形或半圆形，而圆形或半圆形横截面的微沟道的内表面积较小，可用于承载固定相的表面积较小，分离性能难以进一步提高。随后，深反应离子刻蚀(DRIE)技术被广泛用于设计和制造具有矩形横截面的微沟道，然后使用硅-玻璃键合工艺来形成闭合的微沟道。
基于Golay的早期理论，Glenn Spangler提出了适用于矩形横截面色谱柱的理论，该理论可预测矩形横截面微沟道的宽度越小，理论塔板高度越小，微色谱柱的柱效越高。然而，随着微沟道宽度变小，采用硅-玻璃键合工艺制造的微色谱柱的微沟道特别是出入口处的深度受限于硅片厚度，柱容量难以提高。为了提高柱容量，半填充柱和多毛细管柱相继被提出，对于半填充柱，当微沟道中微柱的数量增加时，柱效提高，但入口压力也随之增加；对于多毛细管柱，固定相涂敷是一个挑战，并且需要高的入口压力。此外，硅和玻璃是两种不同的材料，表面性质不同，这为在微沟道中获得均匀的固定相也带来了挑战。
为解决上述的问题，提供一种具有高深宽比的全硅微色谱柱，实属必要。
实用新型内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种具有高深宽比的全硅微色谱柱，用于解决现有技术中微色谱柱所面临的上述制备问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种
具有高深宽比的全硅微色谱柱，所述全硅微色谱柱包括：
复合硅基底，所述复合硅基底包括相键合的第一硅衬底及第二硅衬底，所述第一硅衬底中具有第一微沟道及与所述第一微沟道相连通的第一微流控端口，所述第二硅衬底中具有第二微沟道及与所述第二微沟道相连通的第二微流控端口，且所述第一微沟道与所述第二微沟道具有相同的开口形貌，所述第一微流控端口与所述第二微流控端口具有相同的开口形貌；
闭合微沟道，所述闭合微沟道位于所述复合硅基底中，且所述闭合微沟道为基于所述第一微沟道及所述第二微沟道相键合构成；
闭合微流控端口，所述闭合微流控端口位于所述复合硅基底中，且所述闭合微流控端口为基于所述第一微流控端口及所述第二微流控端口相键合构成。
可选地，所述闭合微沟道的深宽比R的范围为23≤R≤60。
可选地，所述全硅微色谱柱中所述第一硅衬底及所述第二硅衬底的图形关于键合面呈对称分布。
可选地，所述闭合微流控端口的宽度大于所述闭合微沟道的宽度，所述闭合微流控端口的宽度与所述闭合微沟道的宽度比T的范围为12≤T≤40。
可选地，所述闭合微沟道呈蛇形分布、螺旋形分布或者波浪型分布。
如上所述，本实用新型的具有高深宽比的全硅微色谱柱，分别在第一硅衬底及第二硅衬底中形成对应的微沟道及微流控端口，而后通过硅硅键合工艺形成具有闭合微沟道及闭合微流控端口的复合硅基底，从而形成仅具有一种硅材质的全硅微色谱柱，有利于获得均匀的固定相，且可形成具有高深宽比的闭合微沟道，使待分析组分分子在固定相和流动相之间快速达到平衡，有利于提高微色谱柱的分离性能和柱容量。
附图说明
图1显示为本实用新型实施例中具有高深宽比的全硅微色谱柱的制备工艺流程图。
图2显示为本实用新型实施例中刻蚀第一硅衬底的结构示意图
图3显示为本实用新型实施例中形成的第一硅衬底的结构示意图。
图4显示为本实用新型实施例中第一硅衬底的扫描电镜示意图。
图5显示为本实用新型实施例中键合第一硅衬底及第二硅衬底后的结构示意图。
图6显示为本实用新型实施例中复合硅基底的扫描电镜示意图。
图7显示为图6中的A区域的放大结构示意图。
图8显示为本实用新型实施例中全硅微色谱柱的范迪姆特曲线图。
图9显示为本实用新型实施例中全硅微色谱柱的测试色谱图。
元件标号说明
100 复合硅基底
101 第一硅衬底
102 第二硅衬底
110 闭合微沟道
111 第一微沟道
112 第二微沟道
121 第一微流控端口
201 第一掩膜层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。
如在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。本文使用的“介于……之间”表示包括两端点值。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图示中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1，本实施例提供一种具有高深宽比的全硅微色谱柱的制备方法，包括以下步骤：
S1：提供第一硅衬底及第二硅衬底，并于所述第一硅衬底的表面形成图形化的第一掩膜层及于所述第二硅衬底的表面形成图形化的第二掩膜层；
S2：基于所述第一掩膜层刻蚀所述第一硅衬底，形成第一微沟道及与所述第一微沟道相连通的第一微流控端口，以及基于所述第二掩膜层刻蚀所述第二硅衬底，形成第二微沟道及与所述第二微沟道相连通的第二微流控端口，且所述第一微沟道与所述第二微沟道具有相同的开口形貌，所述第一微流控端口与所述第二微流控端口具有相同的开口形貌；
S3：将所述第一硅衬底及所述第二硅衬底进行键合，形成复合硅基底，且基于所述第一微沟道及所述第二微沟道形成位于所述复合硅基底中的闭合微沟道，以及基于所述第一微流控端口及所述第二微流控端口形成与所述闭合微沟道相连通的闭合微流控端口。
本实施例分别在所述第一硅衬底及所述第二硅衬底中形成对应的所述第一微沟道、第二微沟道、第一微流控端口及第二微流控端口，而后通过硅硅键合工艺形成具有所述闭合微沟道及所述闭合微流控端口的所述复合硅基底，从而制备仅具有一种硅材质的所述全硅微色谱柱，有利于获得均匀的固定相，且可形成具有高深宽比的所述闭合微沟道，使待分析组分分子在固定相和流动相之间快速达到平衡，有利于提高微色谱柱的分离性能和柱容量。
以下结合附图2～图7，对所述全硅微色谱柱的制备进行进一步的介绍，具体包括：
首先，参阅图2，执行步骤S1，提供第一硅衬底101及第二硅衬底102，并于所述第一硅衬底101的表面形成图形化的第一掩膜层201及于所述第二硅衬底102的表面形成图形化的第二掩膜层(未图示)。
具体的，所述第一掩膜层201可采用氧化硅掩膜层、氮化硅掩膜层及光刻胶掩膜层中的一种或组合，本实施例中，所述第一掩膜层201采用覆盖所述第一硅衬底101的光刻胶掩膜层，而后进行光刻显影，以形成图形化的所述第一掩膜层201。关于所述第二掩膜层的材质可与所述第一掩膜层201相同或不同，此处不作过分限制。
接着，参阅图3～图4，执行步骤S2，基于所述第一掩膜层201刻蚀所述第一硅衬底101，形成第一微沟道111及与所述第一微沟道111相连通的第一微流控端口121，以及基于所述第二掩膜层刻蚀所述第二硅衬底102，形成第二微沟道112及与所述第二微沟道112相连通的第二微流控端口(未图示)，且所述第一微沟道111与所述第二微沟道112具有相同的开口形貌，所述第一微流控端口121与所述第二微流控端口具有相同的开口形貌。
具体的，基于所述第一掩膜层201，可通过如深反应离子刻蚀法(DRIE)刻蚀裸露的所述第一硅衬底101，以在所述第一硅衬底101中形成所述第一微沟道111及与所述第一微沟道111相连通的所述第一微流控端口121，如图4，其中，所述第一微沟道111的宽度记为W1、深度记为H1，所述第一微流控端口121的宽度记为W2、深度记为H2。
作为示例，形成的所述全硅微色谱柱中所述第一硅衬底101及所述第二硅衬底102的图形关于键合面呈对称分布。
具体的，参阅图5，本实施例中，为降低制备工艺的复杂度，优先所述全硅微色谱柱为对称结构，即所述第一硅衬底101及所述第二硅衬底102具有相同的材质及结构，但并非局限于此，在另一实施例中，也可仅将所述第一微沟道111与所述第二微沟道112设置为具有相同的开口形貌，所述第一微流控端口121与所述第二微流控端口具有相同的开口形貌，以便于后续的对准键合，但所述第一微沟道111、所述第二微沟道112、所述第一微流控端口121与所述第二微流控端口的深度则可根据需要进行选择。
接着，参阅图5～图7，执行步骤S3，将所述第一硅衬底101及所述第二硅衬底102进行键合，形成复合硅基底100，且基于所述第一微沟道111及所述第二微沟道112形成位于所述复合硅基底100中的闭合微沟道110，以及基于所述第一微流控端口121及所述第二微流控端口形成与所述闭合微沟道110相连通的闭合微流控端口(未图示)。
具体的，由于所述全硅微色谱柱后续需要使用毛细管以与所述闭合微流控端口相连接，而毛细管连接处会存在死体积现象，因此为了尽量减少死体积，所述闭合微流控端口的宽度W2是要远大于所述闭合微沟道110的宽度W1的，其中，以形成的所述闭合微流控端口的宽度W2为810μm，形成的所述闭合微沟道110的宽度W1为30μm为例，如果缩小所述闭合微流控端口的宽度W2，则毛细管的外径会小于所述闭合微沟道110的深度，这将会造成后续的塑封材料如环氧树脂流入所述闭合微沟道110内，从而导致微色谱柱的堵塞，若仅在一片硅片上制备微沟道，如微沟道的宽度W1为30μm，为了使微沟道深度达到与毛细管的外径相匹配，如750μm，基于不同宽度的深反应离子刻蚀速率的差别，具有较大宽度的微流控端口的深度H2至少要达到1400μm，从而在单片上制备高深宽比的微沟道需要特别厚的硅片，这会增加微色谱柱与毛细管连接处堵塞的概率，增加器件的尺寸，且造成材料的浪费。
本实施例中，采用两片硅片分别进行刻蚀，然后通过对准和硅硅键合可制备具有高深宽比的所述全硅微色谱柱，制备工艺简单，且由于两片硅片的材料都是硅，其拥有相同的化学表面性质，有利于后续获得均匀的固定相，且高深宽比的所述闭合微沟道110可提供更大的可承载固定相的表面积，增加了与流动相接触的表面积，从而增加了色谱柱的最大样品容量，且高深宽比的所述闭合微沟道110有利于分析物在固定相和流动相之间快速达到平衡，从而有助于提高其分离性能。
作为示例，所述闭合微沟道110的深宽比R的范围可为23≤R≤60。
具体的，所述闭合微沟道110的深宽比R可为23、30、35、40、45、50、55、60等，具体可根据需要进行选择。
作为示例，形成的所述闭合微流控端口的宽度大于所述闭合微沟道110的宽度，所述闭合微流控端口的宽度与所述闭合微沟道110的宽度比T的范围为12≤T≤40，其中，T的取值可为12、15、20、25、30、35、40等，具体可根据需要进行选择。
作为示例，还可包括以下步骤：
进行划片；
提供毛细管，并将所述毛细管固定于所述闭合微流控端口；
涂敷固定相，且所述固定相包括PDMS固定相。
具体的，关于所述全硅微色谱柱的制备可包括但不局限于以下步骤：
先分别在两片硅片上旋涂一层15μm的光刻胶，光刻显影；
采用DRIE工艺刻蚀硅片，形成对应的微沟道30μm×375μm及微流控端口，去掉光刻胶；
将两片刻蚀后的硅片进行预对准和键合，然后在1100℃退火3h形成宽为30μm和深为750μm的微沟道，如图6；
划片后，使用环氧树脂固定毛细管与微流控端口连接处，获得微色谱柱芯片；
配置质量分数为1.5％的聚二甲基硅氧烷(PDMS)溶液，溶剂为正戊烷，在室温条件下，将装有固定相溶液的压力瓶入口连接到高压氮气瓶，压力瓶的出口通过转接头与全硅微色谱柱的毛细管入口相连；然后在0.286MPa下将所配固定相溶液注入全硅微色谱柱的微沟道中，当微沟道内充满固定相溶液后保持20min，用环氧树脂封住全硅微色谱柱的毛细管的一端，将其放入80℃的真空烘箱中放置60h，待溶剂挥发，使得微沟道中留下一层410nm的PDMS固定相膜，如图7所示。
将所得全硅微色谱柱对重烃混合物(C7-C10)进行了测试，测试所得C10的范迪姆特曲线如图8所示，在恒温50℃和C10的最优流速下所测C7-C10的色谱图如图9所示。
本实施例还提供一种具有高深宽比的全硅微色谱柱，所述全硅微色谱柱可采用上述制备方法制备，但并非局限于此，本实施例中，所述全硅微色谱柱为采用上述制备方法制备，从而关于所述全硅微色谱柱的结构、材质等均可参阅上述描述。
具体的，如图3～图7，所述全硅微色谱柱包括复合硅基底100，所述复合硅基底100包括相键合的第一硅衬底101及第二硅衬底102，所述第一硅衬底101中具有第一微沟道111及与所述第一微沟道111相连通的第一微流控端口121，所述第二硅衬底102中具有第二微沟道112及与所述第二微沟道112相连通的第二微流控端口，且所述第一微沟道111与所述第二微沟道112具有相同的开口形貌，所述第一微流控端口121与所述第二微流控端口具有相同的开口形貌；
闭合微沟道110，所述闭合微沟道110位于所述复合硅基底100中，且所述闭合微沟道110为基于所述第一微沟道111及所述第二微沟道112相键合构成；
闭合微流控端口，所述闭合微流控端口位于所述复合硅基底100中，且所述闭合微流控端口为基于所述第一微流控端口121及所述第二微流控端口相键合构成。
作为示例，所述闭合微沟道110的深宽比R的范围为23≤R≤60，其中，所述闭合微沟道110的深宽比R可为23、30、35、40、45、50、55、60等，具体可根据需要进行选择。
作为示例，所述全硅微色谱柱中所述第一硅衬底101及所述第二硅衬底102的图形关于键合面呈对称分布。
具体的，参阅图5，本实施例中，为降低制备工艺的复杂度，优先所述全硅微色谱柱为对称结构，即所述第一硅衬底101及所述第二硅衬底102具有相同的材质及结构，但并非局限于此，在另一实施例中，也可仅将所述第一微沟道111与所述第二微沟道112设置为具有相同的开口形貌，所述第一微流控端口121与所述第二微流控端口具有相同的开口形貌，以便于后续的对准键合，但所述第一微沟道111、所述第二微沟道112、所述第一微流控端口121与所述第二微流控端口的深度则可根据需要进行选择。
作为示例，形成的所述闭合微流控端口的宽度大于所述闭合微沟道110的宽度，所述闭合微流控端口的宽度与所述闭合微沟道110的宽度比T的范围为12≤T≤40，其中，T的取值可为12、15、20、25、30、35、40等，具体可根据需要进行选择。
作为示例，所述闭合微沟道的形貌可呈蛇形分布、螺旋形分布或者波浪型分布，具体可根据需要进行设置。
综上所述，本实用新型的具有高深宽比的全硅微色谱柱，分别在第一硅衬底及第二硅衬底中形成对应的微沟道及微流控端口，而后通过硅硅键合工艺形成具有闭合微沟道及闭合微流控端口的复合硅基底，从而形成仅具有一种硅材质的全硅微色谱柱，有利于获得均匀的固定相，且可形成具有高深宽比的闭合微沟道，使待分析组分分子在固定相和流动相之间快速达到平衡，有利于提高微色谱柱的分离性能和柱容量。
上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。
Claims (5)
1.一种具有高深宽比的全硅微色谱柱，其特征在于，所述全硅微色谱柱包括：
复合硅基底，所述复合硅基底包括相键合的第一硅衬底及第二硅衬底，所述第一硅衬底中具有第一微沟道及与所述第一微沟道相连通的第一微流控端口，所述第二硅衬底中具有第二微沟道及与所述第二微沟道相连通的第二微流控端口，且所述第一微沟道与所述第二微沟道具有相同的开口形貌，所述第一微流控端口与所述第二微流控端口具有相同的开口形貌；
闭合微沟道，所述闭合微沟道位于所述复合硅基底中，且所述闭合微沟道为基于所述第一微沟道及所述第二微沟道相键合构成；
闭合微流控端口，所述闭合微流控端口位于所述复合硅基底中，且所述闭合微流控端口为基于所述第一微流控端口及所述第二微流控端口相键合构成。
2.根据权利要求1所述的具有高深宽比的全硅微色谱柱，其特征在于：所述闭合微沟道的深宽比R的范围为23≤R≤60。
3.根据权利要求1所述的具有高深宽比的全硅微色谱柱，其特征在于：所述全硅微色谱柱中所述第一硅衬底及所述第二硅衬底的图形关于键合面呈对称分布。
4.根据权利要求1所述的具有高深宽比的全硅微色谱柱，其特征在于：所述闭合微流控端口的宽度大于所述闭合微沟道的宽度，所述闭合微流控端口的宽度与所述闭合微沟道的宽度比T的范围为12≤T≤40。
5.根据权利要求1所述的具有高深宽比的全硅微色谱柱，其特征在于：所述闭合微沟道呈蛇形分布、螺旋形分布或者波浪型分布。
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| CN202221396546.XU CN217747109U (zh) | 2022-05-27 | 2022-05-27 | 一种具有高深宽比的全硅微色谱柱 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115055173A (zh) * | 2022-05-27 | 2022-09-16 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种具有高深宽比的全硅微色谱柱及其制备方法 |
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2022
- 2022-05-27 CN CN202221396546.XU patent/CN217747109U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115055173A (zh) * | 2022-05-27 | 2022-09-16 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种具有高深宽比的全硅微色谱柱及其制备方法 |
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