一种硅基传感器微流控芯片和其制备及封装方法

1.本发明涉及芯片领域，具体讲，涉及一种硅基传感器微流控芯片和其制备及封装方法。


背景技术：

2.病原微生物是指可以侵犯人体，引起感染甚至传染病的微生物，其可以引发大规模的传染病，因此，病原微生物的检测对于预防全球性传染病至关重要。目前，病原微生物检测方法主要有传统培养法、免疫学方法、分子生物学方法以及生物传感器方法，传统培养法容易受操作者主观影响，且耗时长；免疫学方法检测速度快，但灵敏度较低；分子生物学方法检测速度快，灵敏度也高，但对仪器设备和实验人员专业素质要求较高，成本较大，限制了其在基层实验室的应用。生物传感器作为一个新兴技术，有望解决这些问题，实现病原微生物现场快速检测。近年来，基于场效应管(fet)的生物传感器灵敏度高、特异性强、响应速度快且无需标记，被广泛应用到病原微生物的检测中。目前，场效应管生物传感器检测病原微生物时需要借助笨重的操作仪器，而且需要恒定的温度、光照等检测环境，并且需要专业的操作人员手动滴加的方式来完成检测，离实用化现场检测仪器还有较大距离。
3.硅基传感器是常见的mems传感器形式，其中部分的传感器可用于检测液体样本，比如某些新型生物传感器就是在硅片上加工了敏感元件，通过修饰生物敏感材料，实现对液体样本中生物物质的检测。由于其具有灵敏度高、特异性强、响应速度快且无需标记的优点，被广泛应用到微生物的检测中。随着硅基传感器的应用越来越广泛，一系列关于硅基传感器急需解决的技术问题也显得愈突出。由于现有很多传感器多是裸露的硅片，容易受外界环境因素的影响，因此封装技术对于提高硅基传感器，特别是检测液体样本的硅基传感器的稳定性和准确性尤为重要。
4.目前，应用硅基传感器检测微生物多是实验室操作人员手动滴加的形式，不能保证操作的准确性，且在检测过程中容易受外界因素的影响，并且某些传感器还需要能够进行光学照射和观察，需要进行特殊设计。鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

5.本发明的首要发明目的在于提供一种硅基传感器微流控芯片。
6.本发明的第二发明目的在于提供该硅基传感器微流控芯片的制备及封装方法。
7.为了完成本发明的发明目的，采用的技术方案为：
8.本发明涉及一种硅基传感器微流控芯片，所述硅基传感器微流控芯片从上至下依次包括微流控芯片和硅基传感器；所述硅基传感器包括硅基传感器晶片和电路板，所述硅基传感器晶片上设置有用于检测的敏感元件和电路，所述硅基传感器晶片固定设置于所述电路板上；所述微流控芯片设置有加样孔、流道和出样孔，所述加样孔、所述流道和所述出样孔构成用于待测液体样本流动的通路，所述通路上设置有开口，且所述敏感元件位于所述开口内，用于对所述待测液体样本进行检测；
9.所述微流控芯片的下表面上设置有功能凹槽，所述功能凹槽用于将所述开口和所述硅基传感器晶片及其所在电路板封装在一起；
10.所述加样孔和所述出样孔之间的距离为l1，所述开口的宽度为l2，l1＞l2。
11.可选的，所述微流控芯片为透明硬质材料。
12.可选的，所述硅基传感器包括多个所述硅基传感器晶片和多个微流控芯片，每个硅基传感器晶片上设置有一个包括所述通路和所述功能凹槽的微流控芯片；或，
13.所述硅基传感器包括多个所述硅基传感器晶片和一个微流控芯片，所述微流控芯片的通路上设置有多个开口，每个开口通过功能凹槽与每个硅基传感器晶片封装。
14.可选的，所述微流控芯片包括微流控上芯片和微流控下芯片；
15.所述微流控上芯片内设置有第一进样通孔、进样流道、出样流道和第一出样通孔，所述进样流道与所述第一进样通孔连接，所述出样流道与所述第一出样通孔连接，所述进样流道与所述出样流道在该芯片上不直接连通；
16.所述微流控下芯片内设置有第二进样通孔和第二出样通孔，所述第二进样通孔的正投影位于所述进样流道的正投影范围内；所述第二出样通孔的正投影位于所述出样流道的正投影范围内；所述第二进样通孔和所述第二出样通孔设置于所述功能凹槽内；
17.所述第一进样通孔和所述第一出样通孔之间的距离为l3，所述第二进样通孔和所述第二出样通孔之间的距离为l4，l3＞l4。
18.可选的，所述进样流道和所述出样流道为设置于所述微流控上芯片的下表面的凹槽。
19.可选的，所述第二进样通孔和所述第二出样通孔的正投影位于所述硅基传感器晶片的正投影范围内；
20.所述硅基传感器晶片的正投影位于所述功能凹槽的正投影范围内，所述敏感元件设置于所述硅基传感器晶片的中央，所述功能凹槽内设置有用于与所述硅基传感器晶片的四周粘合的密封框，所述密封框为环状，所述第二进样通孔和所述第二出样通孔位于所述环状的中空区域内，且所述密封框的外沿与所述功能凹槽的内壁具有一定距离；所述敏感元件的正投影位于所述密封框中空区域的正投影范围内。
21.可选的，所述密封框与所述功能凹槽之间的空间为胶封区，所述胶封区内设置有注胶孔。
22.可选的，所述功能凹槽的深度高于所述硅基传感器晶片的高度；所述密封框与所述硅基传感器晶片粘合后形成的空间为储样区；
23.所述储样区的面积大于所述敏感元件的面积。
24.可选的，所述电路板上设置有至少3个电路板固定通孔，所述微流控下芯片上设置有至少3个固定柱，所述电路板固定通孔的正投影与所述固定柱的正投影重合；
25.所述固定柱贯穿于所述电路板，将所述电路板和所述微流控下芯片定位并固定。
26.可选的，所述硅基传感器晶片的电路与所述电路板的线路相连接，所述电路板上设置有不少于两条线路及相应的接口，用于与外部电路电连接。
27.本发明涉及如上述的硅基传感器微流控芯片的制备及封装方法，至少包括如下步骤：
28.s1、在所述储样区外的所述密封框上涂胶，同时将所述微流控下芯片通过固定柱
与所述电路板对准后拼合，使胶固化后完成初步封接；
29.s2、通过所述注胶孔往所述胶封区注胶，充满整个所述胶封区；同时在下芯片与电路板之间涂胶，使固化后完成下芯片与传感器晶片的封装；
30.s3、在所述微流控上芯片的边缘涂胶，将所述进样流道、所述出样流道分别与第二进样孔、第二出样孔相对合后，将所述微流控上芯片贴合于所述微流控下芯片上，使胶固化后完成芯片整体封装。
31.本发明至少具有以下有益的效果：
32.本发明的硅基传感器微流控芯片实现了硅基传感器与微流控芯片的封装，使得宏观流体管道与微观的传感结构实现有效衔接，进而实现将液体样本稳定有效传递到传感器实现检测功能，同时将液体进出接口扩展到硅基晶片正投影范围之外。
33.在优选的技术方案中，微流控芯片为透明硬质材料，从而方便对硅基传感器的光刺激和光学检测，某些情况下可实现光电检测功能，从而可对硅基传感器质量进行判断以及性能校准。
附图说明
34.图1为本发明实施例某一具体实施方式的硅基传感器微流控芯片装配后的截面图；
35.图2为本发明实施例某一具体实施方式的硅基传感器的俯视图；
36.图3为本发明实施例某一具体实施方式的微流控上芯片的俯视图；
37.图4为本发明实施例某一具体实施方式的微流控下芯片的俯视图；
38.图5为本发明实施例某一具体实施方式的微流控上芯片和微流控上芯片组装后的截面立体结构示意图；
39.图6为本发明实施例某一具体实施方式的微流控上芯片和微流控下芯片组装后的示意图；
40.图7为本发明实施例某一具体实施方式的硅基传感器微流控芯片装配后的截面图；
41.图8为图7的局部放大图；
42.图9为本发明实施例某一具体实施方式的硅基传感器微流控芯片装配后的俯视图；
43.其中：
[0044]1‑
硅基传感器；
[0045]
11
‑
硅基传感器晶片；
[0046]
111
‑
敏感元件；
[0047]
12
‑
电路板；
[0048]
13、14
‑
电极；
[0049]
15
‑
电路板固定通孔；
[0050]2‑
微流控芯片；
[0051]
21
‑
加样孔；
[0052]
22
‑
流道；
[0053]
23
‑
开口；
[0054]
24
‑
出样孔；
[0055]
25
‑
功能凹槽；
[0056]3‑
微流控上芯片；
[0057]
31
‑
第一进样通孔；
[0058]
32
‑
进样流道；
[0059]
33
‑
出样流道；
[0060]
34
‑
第一出样通孔；
[0061]4‑
微流控下芯片；
[0062]
41
‑
第二进样通孔；
[0063]
42
‑
第二出样通孔；
[0064]
43
‑
密封框；
[0065]
44
‑
胶封区；
[0066]
45
‑
注胶孔；
[0067]
46
‑
储液区；
[0068]
47
‑
固定柱。
具体实施方式
[0069]
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0070]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0071]
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性,而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个"、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
[0072]
如希望采用硅基传感器自动化集成化地检测生物样品，需要将硅基传感器与微流控芯片集成，设计与封装硅基传感器的进样芯片。鉴于此，本发明实施例提出一种硅基传感器微流控芯片，具有简单化、集成化、智能化的特点，以满足病原微生物现场快速检测的需求。
[0073]
本发明实施例提出一种硅基传感器微流控芯片，硅基传感器微流控芯片的结构示
意图如图1所示，由图1可知，硅基传感器微流控芯片从上至下依次包括微流控芯片2和硅基传感器1。
[0074]
其中，微流控芯片2设置有加样孔21、流道22和出样孔24，加样孔21、流道22和出样孔24构成用于待测液体样本流动的通路，通路上设置有开口23，且敏感元件111位于开口23内，用于对待测液体样本进行检测；其中，加样孔21和出样孔24之间的距离为l1，开口23的宽度为l2，l1＞l2。微流控芯片内通路的作用是将传感器的小尺寸结构扩大，从而方便进行较大尺寸的管道连接。
[0075]
微流控芯片2的下表面上设置有功能凹槽25，功能凹槽用于将开口23和硅基传感器晶片1封装在一起；使得宏观流体管道与微观的传感结构实现有效衔接，进而实现将液体样本稳定有效传递到传感器实现检测功能。
[0076]
硅基传感器1的结构示意图如图2所示。如图2可知，硅基传感器1包括硅基传感器晶片11和电路板12，硅基传感器晶片11上设置有用于检测的敏感元件111和电路，硅基传感器晶片11固定设置于电路板12上。电路板12上设置有不少于两条线路及相应接口13、14，用于与外部电路电连接。
[0077]
某些情况下在使用过程中需对硅基传感器进行观察，此外，部分硅基传感器也具有对光敏感的特点，可以利用这一特点对传感器进行性能检测与校准，这些都要求硅基传感器上方覆盖的材料为透光材料，且尽量没有多余的结构和遮挡。因此，微流控芯片可采用透明硬质材料，例如亚克力板；从而可进行显微观察或从上对核心传感单元进行光照射，还可以实现对传感器的标定校准及质量检测。
[0078]
作为本发明实施例的一种改进，硅基传感器晶片可设置为多个，微流控芯片1个但设置多条管道以连接多个硅基传感器晶片，以满足多重检测或多指标检测的需要。硅基传感器包括多个硅基传感器晶片和一个微流控芯片，微流控芯片的通路上设置有多个开口，每个开口通过功能凹槽与每个硅基传感器晶片封装。这种设置方式可对同一种的待测液体样本进行多次检测，可用于减少测量误差等需要，同样可以提高检测效率。在另一种具体实施方式中，也可以包括多个硅基传感器晶片和多个微流控芯片，硅基传感器晶片和微流控芯片呈一一对应的关系，每个硅基传感器晶片上设置有一个包括通路和功能凹槽的微流控芯片。这种设置方式可对不同的待测液体样本进行检测，提高检测效率。
[0079]
为了将液体进出接口扩展到硅基传感器晶片正投影范围之外，本发明实施例将微流控芯片设置为微流控上芯片和微流控下芯片，即，硅基传感器微流控芯片从上至下依次包括微流控上芯片、微流控下芯片和硅基传感器。微流控下芯片主要负责与硅基传感器的封装连接，微流控上芯片主要负责将液体进出接口扩展到晶片范围之外，以及进行管道的联通及液体分配等。微流控芯片采用两层结构从而把液体的进出口位置扩展到晶片外围的可方便进行光照时和光学观察。
[0080]
图3为微流控上芯片的俯视图如图3所示，微流控上芯片3内设置有第一进样通孔31、进样流道32、出样流道33和第一出样通孔34，进样流道32与第一进样通孔31连接，出样流道33与第一出样通孔34连接。作为本发明实施的一种优选的实施方式，本发明实施例通过微机械加工工艺在微流控上芯片的下表面加工出凹槽，通过微流控下芯片与微流控上芯片的组合，构成闭合的液体通路，增加了制备的便捷性。进样流道和出样流道的设置位置可根据不同的要求进行设计。由于用于检测的敏感元件位于硅基传感器晶片的中央，进样流
道、出样流道的出口需要与敏感元件发生联系，也需要在靠近敏感元件的投影区域的附近，因此第一进样通孔和第一出样通孔设置于微流控上芯片远离中心的位置，为了进一步减小微流控上芯片的面积，增加进样流道和出样流道的长度，优选将进样流道和出样流道对称设置于微流控上芯片的两侧，更优选将第一进样通孔和第一出样通孔分别设置于微流控上芯片的对角线位置上。
[0081]
图4为本发明实施例的微流控下芯片的俯视图，如图4～图6所示，微流控下芯片4内设置有第二进样通孔41和第二出样通孔42，微流控下芯片4的下表面上设置有功能凹槽25，功能凹槽25用于封装硅基传感器晶片11；第二进样通孔41和第二出样通孔42均位于功能凹槽25内。
[0082]
图5和图6为本发明实施例的微流控下芯片装配后的结构示意图。由图5可知，第二进样通孔41和第二出样通孔42均位于功能凹槽25内。图6可知，功能凹槽25内设置有用于与硅基传感器晶片11的四周粘合的密封框43，密封框43的基本形状为环状，边缘等位置可根据硅基传感器晶片11的具体形状进行改进。第二进样通孔41和第二出样通孔位42于环状的中空区域内，且密封框43的外沿与功能凹槽25的内壁具有一定距离。密封框43与功能凹槽25之间的空间为胶封区44，胶封区44内设置有注胶孔45。胶封区44内设置有注胶孔45，注胶孔45的数目为至少一个，优选为2个，并优选对称设置于胶封区44的两个对角上。在制备时，通过注胶孔45向胶封区44内注胶，从而利用密封框43将敏感元件111完全封装起来。能够防止外界污染物进入传感系统而导致测量结果不准确；同时，还具有体积小、结构紧凑的优点。
[0083]
图7为本发明实施例硅基传感器微流控芯片各部件装配后的截面示意图，可清楚看到各部件之间的投影关系。如图7可知，第二进样通孔41的正投影位于进样流道32的正投影范围内，第二出样通孔42的正投影位于出样流道33的正投影范围内，形成了液体的流动通路。即，液体从第一进样通孔31流入，经进样流道32通过第二进样通孔41，流至功能凹槽25封装的硅基传感器晶片11上设置的敏感元件111上，再通过第二出样通孔42，流经出样通道33，由第一出样通孔34流出。敏感元件111的正投影位于密封框43的正投影范围内，密封框43将敏感元件111封装起来。其中，第一进样通孔31和第一出样通孔34之间的距离为l3，第二进样通孔41和第二出样通孔42之间的距离为l4，l3＞l4。从而将传感器的小尺寸结构扩大，从而方便进行较大尺寸的管道连接。
[0084]
具体的，进样流道的深度可为微流控上芯片整体厚度的1/10～1/2，出样流道的深度可为微流控上芯片整体厚度的1/10～1/2。
[0085]
图7为本发明实施例装配后的截面图，图8为图7中功能凹槽部分的放大图。如图7和图8可知，功能凹槽25的深度略高于硅基传感器晶片11的高度，该高度差可用于蓄存部分液体，即，密封框43与硅基传感器晶片11粘合后形成的空间为储液区46，储液区46的面积大于敏感元件111的面积，用于增加待测液体与敏感元件111的接触，提高检测的敏感性。
[0086]
进一步的，为了装配的便利性和准确性，可采用以下方式进行组装：
[0087]
(1)如图2所示，在电路板上设置四个电路板固定通孔15，同时，微流控下芯片4上设置有四个固定柱47，电路板固定通孔15的正投影与固定柱47的正投影重合；固定柱47与电路板固定通孔15相匹配，将电路板和微流控下芯片定位并固定，从而将电路板与微流控下芯片组装。(2)、电路板上设置有至少3个电路板固定通孔，微流控下芯片上设置有至少3
个下芯片固定通孔，微流控上芯片上设置有固定柱；电路板固定通孔的正投影、下芯片固定通孔的正投影与固定柱的正投影相重合；固定柱贯穿于电路板和微流控下芯片，将电路板、微流控下芯片和微流控上定位并固定。
[0088]
图9为装配后的俯视图，如图9所示，第二进样通孔41的正投影位于进样流道32的正投影范围内，第二出样通孔42的正投影位于出样流道33的正投影范围内，第二进样通孔41和第二出样通孔42的正投影位于硅基传感器晶片11的正投影范围内。硅基传感器晶片11的正投影位于功能凹槽25的正投影范围内。
[0089]
本发明实施例通过在微流控上芯片、微流控下芯片形成了液体流通的通路，同时将硅基传感器晶片上的敏感元件封装起来。通过微机械加工工艺制作出微流控管道芯片，通过胶装固定电路pcb板及液体管道芯片，并在进出样口固定进出液管，完成硅基传感器微流控芯片的制作与封装，有效实现液体样本的传递和检测。克服了现有技术中由于现有硅基传感器的常规封装难以进行液体样本检测，直接滴加液体则存在容易导致线路短路、稳定性差等问题。本发明设计合理，结构紧凑，同时具有保护传感器、自动进样、便于集成等多项优点，本发明满足了微生物检测设备系统的自动化和集成化需求。
[0090]
本发明实施例还涉及该硅基传感器微流控芯片的制备及封装方法，至少包括如下步骤：
[0091]
s1、固定微流控下芯片和pcb板，具体方式为：在储样区外的密封框上涂胶，同时将所述微流控下芯片通过固定柱与所述pcb板对准后拼合，使胶固化后完成初步封接；
[0092]
s2、注胶，封装，具体方式为：通过注胶孔往胶封区注胶，充满整个胶封区；同时在下芯片与电路板之间涂胶，使固化后完成下芯片与传感器晶片的封装；
[0093]
s3、固定微流控上芯片和微流控下芯片：在微流控上芯片的边缘涂胶，将进样流道、出样流道分别与第二进样孔、第二出样孔相对合后，将微流控上芯片贴合于微流控下芯片上，使胶固化后完成芯片整体封装。
[0094]
作为本发明制备及封装方法一种具体实施方式，该硅基传感器微流控芯片的制备及封装方法具体为：
[0095]
s1、首先在微流控下芯片储样区外围粘合区涂抹上uv胶，将微流控下芯片通过固定柱与硅基传感器pcb板固定孔相匹配固定，待uv胶固化干燥后，实现微流控下芯片与纳米传感器硅晶片的初步固定；
[0096]
s2、通过注胶孔往胶封区滴注uv胶，且使得uv胶全部充满整个胶封区，待uv胶固化干燥后，使微流控下芯片与硅基传感器完全固定；
[0097]
s3、在微流控上芯片边缘涂满uv胶，将微流控上芯片的进样流道、出样流道分别与微流控下芯片的第二进样孔、第二出样孔相对合，紧紧贴合于微流控下芯片，待uv胶固化干燥之后，组成硅基传感器微流控芯片。
[0098]
本技术虽然以较佳实施例公开如上，但并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本技术构思的前提下，都可以做出若干可能的变动和修改，因此本技术的保护范围应当以本技术权利要求所界定的范围为准。