专利名称：基于双氧水分解的微氧气泵制造方法
技术领域：
本发明涉及一种气体液体微泵的制造方法，具体涉及一种基于双氧水分解的微氧气泵制造方法。用于微电子机械系统领域。
背景技术：
微泵是实现微流体控制的核心元件，基于MEMS加工技术的微泵按泵的原理一般可分为两种类型机械式和非机械式。机械泵按致动类型可分为压电式，气动式，热气动式，静电式以及电磁式等等。这些泵的工作原理大致都是利用较高的电压致动薄膜，产生往复运动驱动液体沿微通道运动。机械泵的好处是可以适用于任何液体，而且流速较少受通道内液流性质和通道内壁性质影响，可靠性较高。但机械泵有以下缺点结构复杂，对设备和技术要求较高；必须与单向阀配合使用，增加了难度；泵压不高；有渗漏；不容易集成等等。为了克服这些缺点，人们对没有活动部件的非机械式微泵做了研究。非机械式微泵按其驱动动力可分为电热致动泵、电渗流驱动泵、电流体动力泵、磁流体动力泵等等。近年来，利用气体的压力产生动力的微泵的研究也备受研究人员的关注。
经对现有技术的文献检索发现，Handique等在《Anal.Chem》2001，731831上发表的“On-chip thermopneumatic pressure for discrete drop pumping”(《分析化学》，单片热致动微泵驱动液滴)中报道了一种利用加热所产生的气动压力直接驱动流体的方法，其主要优点是微泵内不含有活动机械部件，该微泵致动气源和控制气动部分完全可以集成于芯片上，为在芯片上集成气动驱动系统的研究提供了一个新思路。该气泵的缺点是必须不断的升温才能保证液体的驱动，产生的压力较小，只能驱动纳升级液滴。该气泵的制作方法采用玻璃刻蚀工艺与阳极键合的方法，具体是在玻璃基片上通过腐蚀液刻蚀出微通道和腔体；在硅片上通过多晶硅沉积工艺制作出微加热电极和微传感电极；在玻璃片和硅片上施加500～1500V高压，玻璃片接负极，硅片接正极，同时将基片温度升高到200～500℃，完成键合。该微泵的工艺复杂，对加工的设备要求较高；而且键合工艺需在高温高压的条件下操作，对操作人员的要求也较高。综上所述，该微泵制造成本较高，不利于其实际应用于微流体系统。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述缺点，提供一种基于双氧水分解的微氧气泵制造方法，使其具有原理新颖、所需设备要求不高、制造成本低、工艺相对较为简单的特点。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过快速原型技术得到微复制模板，通过浇铸硅橡胶材料得到包含有泵腔结构和微通道的硅橡胶基底，同时利用刻蚀-剥离工艺得到包含有加热电极和传感电极的玻璃基片，最后用紫外光照射来封装硅橡胶基底与玻璃基片。
以下对本发明方法作进一步的说明(1)通过快速原型技术得到微复制模板，通过浇铸硅橡胶材料得到包含有泵腔结构和微通道的硅橡胶基底，具体如下A.掩模图形的准备利用画图软件设计好泵与微通道的平面结构，用高精度打印机在菲林上输出高精度黑白图形。然后将包含有图形的菲林用双面胶贴合到玻璃片上，得到所需图形的掩模。
B.微复制模板的快速制备采用SU-8 50负性光刻胶，甩胶条件为500rpm～2000rpm，时间为1分钟，获得胶厚为200～1000μm的光刻胶，前烘条件为85℃30分钟，95℃30分钟，曝光采用光刻机，曝光时间为100～600秒，中烘条件为95℃30分钟，显影时间为5～15分钟，然后溅射一层厚度为0.1微米的金属镍，获得所需的光刻胶模具，其结构为泵腔结构及微通道的凸图形。
C.模板图案的复制将硅橡胶预聚体与交联剂以10∶1体积比进行充分混合，然后将混合物置入真空箱中脱除气泡。待气泡完全除去后，将脱好气的混合物浇在微复制模具上，然后用甩胶机以300～1000rpm的速度旋转，得到厚度为2mm～0.5mm的硅橡胶基底，最后放置在70℃的环境中固化。
(2)同时利用刻蚀-剥离工艺得到包含有加热电极和传感电极的玻璃基片，具体如下A.首先，取一块用铬酸洗液处理过的玻璃片，置入烘箱180℃烘3个小时。
B.在玻璃片上甩一层正胶， 甩胶条件为2000转1分30秒，厚度为5μm。
C.95℃烘2个小时后，通过掩模版在紫外光下进行光刻，采用光刻机进行曝光，时间为100秒，显影时间为50秒。
D.在玻璃基底上溅射一层约30nm的铬(Cr)，然后再溅射一层250nm的铂金(Pd)。
E.最后把溅射了铂金的玻璃片浸入丙酮溶液中，用丙酮溶解并辅以超声除去光刻胶掩模，即得到加热电极与传感电极图案。
(3)用紫外光照射来封装硅橡胶基底与玻璃基片，具体如下A.首先在含有加热电极的玻璃基片上甩一层保护型正胶，用金刚钻头钻出溶液进出口。
B.去胶后，将基片置入氢氧化钠、丙酮、乙醇中浸泡30min、10min、10min，用大量去离子水冲洗，放入真空箱中烘干待用。
C.将带有微通道和微泵腔结构的硅橡胶片基用无水乙醇清洗，在真空箱中烘干后，于距6W低压汞灯3cm处光照3h.～4h取出后，在1min内将2片基对准后合拢，在平整的玻璃片上放置24h～48h后使用。
本发明的关键所在是将包含有泵腔结构和微通道的硅橡胶基底与包含有加热电极和传感电极的玻璃基片永久封装成闭合的芯片，如果不是永久性封装，则泵不能承受较大压力，微通道中会产生漏液现象。由于硅橡胶是一种长链高分子聚合物，通常情况下，只是在高分子链的末端有少量的硅羟基。但经紫外光照射处理后，硅橡胶片基表面的部分(-O-Si-O)基团转化为(-O-Si-OH)基团，当将玻璃片基与硅橡胶片基合拢后放置的过程中，这些新生成在表面的活性硅羟基由于紧密接触而发生了缩合反应，导致两块片基间的永久性封合。
本发明所制备的微氧气泵开启能耗低、连续驱动能力强、能产生相对较大的压力，克服了前述热气泵存在的驱动能力不强、驱动压力过小的缺点。而且，本发明所述的微氧气泵是单片型的，其结构简单，并采用简单、灵活、易于集成的新型制作工艺方法制造，材料选用价格低廉的普通玻璃和高分子材料，进一步降低了制造成本，有利于促进单片型微流体系统的发展。
具体实施例方式
以下通过几个具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
实施例1
(1)通过快速原型技术得到微复制模板，通过浇铸硅橡胶材料得到包含有泵腔结构和微通道的硅橡胶基底，具体如下A.掩模图形的准备利用画图软件(Adobe illustrator)设计好泵与微通道的平面结构，用高精度打印机(OLD-004-34，日本)在菲林上输出高精度黑白图形。然后将包含有图形的菲林用双面胶贴合到玻璃片上，得到所需图形的掩模。
B.微复制模板的快速制备采用SU-8 50负性光刻胶(美国Micro Chem公司)，甩胶条件为500rpm rpm，时间为1分钟，获得胶厚为1000μm的光刻胶，前烘条件为85℃30分钟，95℃30分钟，曝光采用德国Karl Suss公司MA6光刻机，曝光时间为600秒，中烘条件为95℃30分钟，显影时间为15分钟，然后溅射一层厚度为0.1微米的金属镍，获得所需的光刻胶模具，其结构为泵腔结构及微通道的凸图形。
C.模板图案的复制将道康宁的sylgard184A溶液与sylgard184B溶液以10∶1体积比进行充分混合，然后将混合物置入真空箱中脱除气泡。待气泡完全除去后，将脱好气的混合物浇在微复制模具上，然后用甩胶机(Karl Suss)以300的速度旋转，得到厚度为2mm的硅橡胶基底，最后放置在70℃的环境中固化。
(2)同时利用刻蚀-剥离工艺得到包含有加热电极和传感电极的玻璃基片，具体如下A.首先，取一块用铬酸洗液处理过的玻璃片，置入烘箱180℃烘3个小时。
B.在玻璃片上甩一层正胶，甩胶条件为2000转1分30秒，厚度为5μm。
C.95℃烘2个小时后，通过掩模版在紫外光下进行光刻，采用德国KarlSuss公司MA6进行曝光，时间为100秒，显影时间为50秒。
D.在玻璃基底上溅射一层约30nm的铬(Cr)，然后再溅射一层250nm的铂金(Pd)。
E.最后把溅射了铂金的玻璃片浸入丙酮溶液中，用丙酮溶解并辅以超声除去光刻胶掩模，即得到加热电极与传感电极图案。
(3)用紫外光照射来封装硅橡胶基底与玻璃基片，具体如下A.首先在含有加热电极的玻璃基片上甩一层保护型正胶，用金刚钻头钻出溶液进出口。
B.去胶后，将基片置入氢氧化钠、丙酮、乙醇中浸泡30min、10min、10min，用大量去离子水冲洗，放入真空箱中烘干待用。
C.将带有微通道和微泵腔结构的硅橡胶片基用无水乙醇清洗，在真空箱中烘干后，于距6W低压汞灯3cm处光照4h取出后，在1min内将2片基对准后合拢，在平整的玻璃片上放置48h后使用。
得到的微泵没有漏液现象发生，微泵可以连续工作30分钟，样本溶液最大流速为120μm/s，一次加样最多可驱动25ml的样本溶液。
实施例2(1)通过快速原型技术得到微复制模板，通过浇铸硅橡胶材料得到包含有泵腔结构和微通道的硅橡胶基底，具体如下A.掩模图形的准备利用画图软件设计(Adobe illustrator)好泵与微通道的平面结构，用高精度打印机(OLD-004-34，日本)在菲林上输出高精度黑白图形。然后将包含有图形的菲林用双面胶贴合到玻璃片上，得到所需图形的掩模。
B.微复制模板的快速制备采用SU-8 50(美国Micro Chem公司)负性光刻胶，甩胶条件为2000rpm，时间为1分钟，获得胶厚为200μm的光刻胶，前烘条件为85℃30分钟，95℃30分钟，曝光采用德国Karl Suss公司MA6光刻机，曝光时间为100秒，中烘条件为95℃30分钟，显影时间为5分钟，然后溅射一层厚度为0.1微米的金属镍，获得所需的光刻胶模具，其结构为泵腔结构及微通道的凸图形。
C.模板图案的复制将道康宁的sylgard184A溶液与sylgard184B溶液以10∶1体积比进行充分混合，然后将混合物置入真空箱中脱除气泡。待气泡完全除去后，将脱好气的混合物浇在微复制模具上，然后用甩胶机以1000rpm的速度旋转，得到厚度为0.5mm的硅橡胶基底，最后放置在70℃的环境中固化。
(2)同时利用刻蚀-剥离工艺得到包含有加热电极和传感电极的玻璃基片，具体如下A.首先，取一块用铬酸洗液处理过的玻璃片，置入烘箱180℃烘3个小时。
B.在玻璃片上甩一层正胶，甩胶条件为2000转1分30秒，厚度为5μm。
C.95℃烘2个小时后，通过掩模版在紫外光下进行光刻，采用德国Karl Suss公司MA6光刻机进行曝光，时间为100秒，显影时间为50秒。
D.在玻璃基底上溅射一层约30nm的铬(Cr)，然后再溅射一层250nm的铂金(Pd)。
E.最后把溅射了铂金的玻璃片浸入丙酮溶液中，用丙酮溶解并辅以超声除去光刻胶掩模，即得到加热电极与传感电极图案。
(3)用紫外光照射来封装硅橡胶基底与玻璃基片，具体如下A.首先在含有加热电极的玻璃基片上甩一层保护型正胶，用金刚钻头钻出溶液进出口。
B.去胶后，将基片置入氢氧化钠、丙酮、乙醇中浸泡30min、10min、10min，用大量去离子水冲洗，放入真空箱中烘干待用。
C.将带有微通道和微泵腔结构的硅橡胶片基用无水乙醇清洗，在真空箱中烘干后，于距6W低压汞灯3cm处光照3h.取出后，在1min内将2片基对准后合拢，在平整的玻璃片上放置24h后使用。
得到的微泵没有漏液现象发生，微泵可以连续工作10分钟，样本溶液最大流速为50μm/s，一次加样最多可驱动5ml的样本溶液。
实施例3(1)通过快速原型技术得到微复制模板，通过浇铸硅橡胶材料得到包含有泵腔结构和微通道的硅橡胶基底，具体如下A.掩模图形的准备利用画图软件(Adobe illustrator)设计好泵与微通道的平面结构，用高精度打印机(OLD-004-34，日本)在菲林上输出高精度黑白图形。然后将包含有图形的菲林用双面胶贴合到玻璃片上，得到所需图形的掩模。
B.微复制模板的快速制备采用SU-8 50(美国Micro Chem公司)负性光刻胶，甩胶条件为1000rpm，时间为1分钟，获得胶厚为500μm的光刻胶，前烘条件为85℃30分钟，95℃30分钟，曝光采用德国Karl Suss公司MA6光刻机，曝光时间为360秒，中烘条件为95℃30分钟，显影时间为10分钟，然后溅射一层厚度为0.1微米的金属镍，获得所需的光刻胶模具，其结构为泵腔结构及微通道的凸图形。
C.模板图案的复制将sylgard184A溶液与sylgard184B溶液以10∶1体积比进行充分混合，然后将混合物置入真空箱中脱除气泡。待气泡完全除去后，将脱好气的混合物浇在微复制模具上，然后用甩胶机以500rpm的速度旋转，得到厚度为1mm的硅橡胶基底，最后放置在70℃的环境中固化。
(2)同时利用刻蚀-剥离工艺得到包含有加热电极和传感电极的玻璃基片，具体如下A.首先，取一块用铬酸洗液处理过的玻璃片，置入烘箱180℃烘3个小时。
B.在玻璃片上甩一层正胶，甩胶条件为2000转1分30秒，厚度为5μm。
C.95℃烘2个小时后，通过掩模版在紫外光下进行光刻，采用德国KarlSuss公司MA6光刻机进行曝光，时间为100秒，显影时间为50秒。
D.在玻璃基底上溅射一层约30nm的铬(Cr)，然后再溅射一层250nm的铂金(Pd)。
E.最后把溅射了铂金的玻璃片浸入丙酮溶液中，用丙酮溶解并辅以超声除去光刻胶掩模，即得到加热电极与传感电极图案。
(3)用紫外光照射来封装硅橡胶基底与玻璃基片，具体如下A.首先在含有加热电极的玻璃基片上甩一层保护型正胶，用金刚钻头钻出溶液进出口。
B.去胶后，将基片置入氢氧化钠、丙酮、乙醇中浸泡30min、10min、10min，用大量去离子水冲洗，放入真空箱中烘干待用。
C.将带有微通道和微泵腔结构的硅橡胶片基用无水乙醇清洗，在真空箱中烘干后，于距6W低压汞灯3cm处光照3.5h取出后，在1min内将2片基对准后合拢，在平整的玻璃片上放置36h后使用。
得到的微泵没有漏液现象发生，微泵可以连续工作17分钟，样本溶液最大流速为78μm/s，一次加样最多可驱动18ml的样本溶液。
权利要求
1.一种基于双氧水分解的微氧气泵制造方法，其特征在于，通过快速原型技术得到微复制模板，通过浇铸硅橡胶材料得到包含有泵腔结构和微通道的硅橡胶基底，同时利用刻蚀-剥离工艺得到包含有加热电极和传感电极的玻璃基片，最后用紫外光照射来封装硅橡胶基底与玻璃基片。
2.根据权利要求1所述的基于双氧水分解的微氧气泵制造方法，其特征是，所述的通过快速原型技术得到微复制模板，通过浇铸硅橡胶材料得到包含有泵腔结构和微通道的硅橡胶基底，具体如下A.掩模图形的准备利用画图软件设计好泵与微通道的平面结构，用高精度打印机在菲林上输出高精度黑白图形，然后将包含有图形的菲林用双面胶贴合到玻璃片上，得到所需图形的掩模；B.微复制模板的快速制备采用SU-850负性光刻胶，甩胶条件为500rpm～2000rpm，时间为1分钟，获得胶厚为200～1000μm的光刻胶，前烘条件为85℃30分钟，95℃30分钟，曝光采用光刻机，曝光时间为100～600秒，中烘条件为95℃30分钟，显影时间为5～15分钟，然后溅射一层厚度为0.1微米的金属镍，获得所需的光刻胶模具，其结构为泵腔结构及微通道的凸图形；C.模板图案的复制将硅橡胶预聚体与交联剂以10∶1体积比进行充分混合，然后将混合物置入真空箱中脱除气泡，待气泡完全除去后，将脱好气的混合物浇在微复制模具上，然后用甩胶机以300～1000rpm的速度旋转，得到厚度为2mm～0.5mm的硅橡胶基底，最后放置在70℃的环境中固化；
3.根据权利要求1所述的基于双氧水分解的微氧气泵制造方法，其特征是，所述的利用刻蚀-剥离工艺得到包含有加热电极和传感电极的玻璃基片，具体如下A.首先，取一块用铬酸洗液处理过的玻璃片，置入烘箱180℃烘3个小时；B.在玻璃片上甩一层正胶，甩胶条件为2000转1分30秒，厚度为5μm；C.95℃烘2个小时后，通过掩模版在紫外光下进行光刻，采用光刻机进行曝光，时间为100秒，显影时间为50秒；D.在玻璃基底上溅射一层约30nm的铬，然后再溅射一层250nm的铂金；E.最后把溅射了铂金的玻璃片浸入丙酮溶液中，用丙酮溶解并辅以超声除去光刻胶掩模，即得到加热电极与传感电极图案。
4.根据权利要求1所述的基于双氧水分解的微氧气泵制造方法，其特征是，所述的用紫外光照射来封装硅橡胶基底与玻璃基片，具体如下A.首先在含有加热电极的玻璃基片上甩一层保护型正胶，用金刚钻头钻出溶液进出口；B.去胶后，将基片置入氢氧化钠、丙酮、乙醇中浸泡30min、10min、10min，用大量去离子水冲洗，放入真空箱中烘干待用；C.将带有微通道和微泵腔结构的硅橡胶片基用无水乙醇清洗，在真空箱中烘干后，于距6W低压汞灯3cm处光照3h.～4h取出后，在1min内将2片基对准后合拢，在平整的玻璃片上放置24h～48h后使用。
全文摘要
一种微电子机械系统领域的基于双氧水分解的微氧气泵制造方法，通过快速原型技术得到微复制模板，通过浇铸硅橡胶材料得到包含有泵腔结构和微通道的硅橡胶基底，同时利用刻蚀－剥离工艺得到包含有加热电极和传感电极的玻璃基片，最后用紫外光照射来封装硅橡胶基底与玻璃基片。本发明所制备的微氧气泵具有开启能耗低、连续驱动能力强、能产生相对较大的压力，克服了前述热气泵存在的驱动能力不强、驱动压力过小的缺点。而且，材料选用价格低廉的普通玻璃和高分子材料，进一步降低了制造成本，有利于促进单片型微流体系统的发展。
文档编号C01B13/02GK1715178SQ20051002660
公开日2006年1月4日 申请日期2005年6月9日 优先权日2005年6月9日
发明者陈文元, 牛志强, 邵诗逸, 张卫平 申请人:上海交通大学