一种用于防止纳米通道键合密封堵塞的填充阻隔器的制作方法

本实用新型涉及微纳加工技术领域，尤其涉及一种用于防止纳米通道键合密封堵塞的填充阻隔器。

背景技术：

微纳流体系统，是微纳制造技术在生物化学领域的延伸和推广；微纳流体系统将生物和化学等领域中所涉及的样品制备、生化反应、分离、检测等基本操作微缩到一个几厘米或者几十厘米大小的平面基底上。通过设计适当的微纳通道结构，流体能在通道中按照一定方式流动，可以使得芯片从整体上获得特定的功能。

在制作微纳流体系统时，可以通过热键合技术实现微通道的顶部密封。然而，处于熔融态的聚合物在键合过程中不可避免的会流入通道沟槽结构内部。随着制作的通道尺寸减小，尤其是尺寸达到纳米级的时候，传统的键合方式极易导致通道堵塞，对通道尺寸的控制及工艺可靠性造成不利影响。因此，现有的键合密封方式主要用于微米级及以上尺寸通道的制作。

微纳流体系统的制作，其核心在于微纳流体通道的加工；热键合是聚合物微纳通道密封的关键技术，一般微纳流控通道热键合过程如图1所示；首先，将预先制作好的沟槽结构置于下支撑台上，接着将带有键合胶层的上基片均匀平整的置于沟槽上，通过热传导给上平台加热，使得键合层被加热到玻璃化温度附近或以上，通过浸润和粘合作用实现界面处分子链的纠缠，从而获得紧密的界面接触。

在键和过程中，为了不受键合过程中聚合物与承载基片由于热膨胀系数不同导致的翘曲影响，保持键合胶层和沟槽结构良好接触，需要施加一定的外加压力；这将不可避免的对键合胶层产生挤压作用，聚合物在压力作用下其内部产生相应剪切应力，使之由中心向周向四周扩张，同时在Y轴方向，由于工作台的存在限制了聚合物的流动，使聚合物只能在应力作用下沿着通道侧壁向下形成挤压流动；从而加速聚合物的顶部填充，如果控制不好可能由于这部分变形造成通道的堵塞。

X Wang等人在论文中提出了一种减少堵塞发生问题的加工方法(期刊论文(题目：Laser lithographic fabrication and characterization of a spherical artificial compound eye期刊：Microelectronic Engineering，2011，88(8)：2427-2430)，该方法采用双键合胶层，其中厚的键合层用于支撑结构，而薄的键合层则用于通道密封；由于薄的键合层厚度较薄，因此减少了键合时通道堵塞的发生。然是这种方法密封通道，基本上还是微米级尺寸的微通道密封，当通道尺寸达到纳米级时，由于键合层不够薄，仍然会出现堵塞问题；即使通道不堵塞，通道键合力也不够大，因此通道的强度不够，不易于后期通道的流体实验。

技术实现要素：

本实用新型针对现有问题提供一种用于防止纳米通道键合密封堵塞的填充阻隔器，以降低键合过程中压力所产生的位移，分流填充量，从而抑制顶部填充，减少通道制作时堵塞的发生。

为了实现上述目的，本实用新型提出一种用于防止纳米通道键合密封堵塞的填充阻隔器，该填充阻隔器为一个嵌入基底的用于分流填充量的凹槽结构，位于键合胶层填充沟槽结构时所产生的膨胀中心线的中心位置。

优选地，所述的膨胀中心线为：与键合胶层膨胀方向垂直、穿过膨胀方向高度中心点的一条线段。

本实用新型实施例中，根据膨胀中心线的假设，设计出“填充阻隔器”结构以降低键合过程中压力所产生的位移，分流填充量，从而抑制顶部填充，减少通道制作时堵塞的发生；

优选地，当沟槽结构为相互平行的多个矩形沟槽时，此时产生一条膨胀中心线，则填充阻隔器也采用相平行的矩形沟槽，且填充阻隔器宽度大于沟槽结构宽度。

优选地，当沟槽结构为复杂结构时，即此时产生多条不同方向的膨胀中心线，则填充阻隔器设置于所有沟槽结构的中心位置。

优选地，所述的填充阻隔器采用圆形的凹槽结构。

所述的沟槽结构为微纳通道。

为了减少密封通道时，通道阻塞的发生，目前采用的方法，一是减少键合胶层的厚度；二是减少键合压力；但是这两种方法都会在一定程度上减少键合强度且不好控制；本实用新型提出一种用于防止纳米通道键合密封堵塞的填充阻隔器，通过引入填充阻隔器结构，对键合胶层起到分流的作用，从而减少堵塞的发生，在实现方式上更加简单易操作。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为键合工艺示意图；

图2为本实用新型膨胀中心线示意图；

图3为本实用新型填充示意图；

图4为本实用新型具有辅助结构的填充情况示意图；

图5为本实用新型第一优选实施例中填充阻隔器结构示意图；

图6为本实用新型第二优选实施例中外圈为圆环形微纳结构填充阻隔器结构示意图；

图7为本实用新型第三优选实施例中外圈为辐射形状的微纳结构填充阻隔器结构示意图；

图8为本实用新型离膨胀中心线中心不同位置的变形大小坐标图；

符号说明：

1-上工件台；2-基片；3-键合胶层；4-微纳通道；5-下工件台；6-填充阻隔器；L(1)-膨胀中心线；(2)-填充位置；(3)-膨胀中心线中心位置；

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型，图2是聚合物填充的初始模型状态示意图，首先限制中间聚合物材料x方向的位移，聚合物只能向沟槽内填充膨胀，这样得到一条膨胀中心线L(1)；当沟槽结构在聚合物膨胀中心线中心位置时，在压力作用下，大部分的填充发生在中心位置(2)，如图3所示；

若中心线周围设置一些更小的沟槽结构，键合时将出现如图4所示情况；其中大部分填充仍然发生在膨胀中心线中心位置(2)；而其它小结构沟槽(3)填充相对较少；因此可以理解为，中间的大结构沟槽具有填充分流的作用，如图4所示。

因此，根据上述原理，本实用新型设计了一种辅助结构，可以减小压力对填充的影响，提出一种用于防止纳米通道键合密封堵塞的填充阻隔器；

本实用新型第一优选实施例中，如图5所示，该填充阻隔器为一个嵌入基底的用于分流填充量的凹槽结构(矩形凹槽)，位于键合胶层填充微纳通道时所产生的膨胀中心线的中心位置；所述的膨胀中心线为：与键合胶层膨胀方向垂直、穿过膨胀方向高度中心点的一条线段；

本实用新型实施例中，在沟槽膨胀中心线的中点附近制作一个大面积的结构尺寸(凹槽结构)，由于该凹槽结构处于膨胀中心线的中心，所以会有大部分的填充发生在填充阻隔器内，这样有用的微纳通道处填充的聚合物就会相对减少，达到填充阻隔的目的。

本实用新型实施例中，阻隔器的形状和位置有一定的要求：

(1)填充阻隔器的位置必须在微结构图形线膨胀中心线的中心处；

(2)填充阻隔器与微结构必须在同一膨胀中心线内，例如，横向的阻隔器不能对纵向的沟槽起到填充阻隔的目的。

(3)为了避免过填充阻隔器对填充大小造成过大的影响，同时考虑芯片成本，应该根据实际情况设计阻隔器大小，以达到对微通道尺寸的良好控制，同时也不会因为微通道填充过少而造成通道强度不够的缺陷；

例如：纳米沟槽结构需要密封(尺寸小于100纳米)，可以设计一个尺寸为50-100微米大小的阻隔器；如果过大，例如阻隔器尺寸大于1mm，可能会造成大量的无效填充，不仅浪费材料，也会造成密封强度降低；

在实际应用中，最大的困难就是如何保证微结构图形与阻隔器在同一膨胀中心线上。对于直线光栅结构(相互平行的多个矩形沟槽)来说，只需与结构保持方向一致就行，而对于结构复杂的微结构来说，可能非常难找到一个最优化的阻隔器形状；即此时产生多条不同方向的膨胀中心线，则填充阻隔器设置于所有沟槽结构的中心位置，采用圆形结构。

本实用新型第二优选实施例中，如图6所示，需要密封的微纳结构为两层圆环形；此时，在两层圆环形的内侧中心位置设置有圆形的阻隔器，以达到分流填充量，从而抑制顶部填充，减少通道制作时堵塞的发生。

本实用新型第三优选实施例中，如图7所示，需要密封的微纳结构为以圆周向外辐射的矩形矩形沟槽，此时，圆周中心位置设置有圆形的阻隔器，以达到分流填充量，从而抑制顶部填充，减少通道制作时堵塞的发生。

根据膨胀中心线假设，离膨胀中心线越远膨胀减少越多；本实用新型做了一系列的对比模拟，设置沟槽离中心距离为0mm，0.03mm，0.05mm，0.1mm，0.15mm，0.25mm，0.3mm，通过计算不同位置处聚合物填充的最大位移；于是得到了如图8所示的关系图；从图中可知，在微结构图形上，聚合物填充的最大位移随着离膨胀线中心的距离增大而减小，而且离中心越近，填充距离尺寸减少的会越少，而离中心越远填充减少幅度会增大。从这个趋势上可以反向验证了膨胀中性线的存在。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。