环形微流体探头的制造
【专利摘要】提供了一种制造微探头(100)的方法，所述方法包括：在包括两个层(11、12)的相同双层衬底(10、10a)上提供(S16)n个微流体探头布局(14)的集合，所述布局环形地分布在所述双层衬底上，并且其中所述布局中的每一个布局包括：第一层(110)，其对应于所述双层衬底的所述两个层(11、12)中的一个(11)的一部分；以及第二层(120)，其对应于所述双层衬底的所述两个层(11、12)中的另一个(12)的一部分；并且第二层包括由在所述第二层(120)的上表面(120u)上敞开的凹槽限定并且由所述第一层(110)的下表面(110l)的一部分闭合的至少一个微通道(123、124)；大致在所述双层衬底(10)的中心处机械加工(S20)出孔(16)，从而产生界定所述孔并且截断所述布局(14)的所述至少一个微通道中的每一个微通道的圆筒壁(18)，使得所述布局中的每一个布局的所述至少一个微通道(123、124)延伸直到在所述圆筒壁(18)处在所述凹槽的端部处形成的至少一个相应的孔口(121、122)；以及最后，分割(S30)所述n个布局的每一个布局以获得n个微流体探头(100)。还提供因此获得的MFP探头。
【专利说明】
环形微流体探头的制造
技术领域
[0001] 本发明总体上涉及微流体探头的制造和由此产生的装置。特别地，本发明涉及竖 直微流体探头的制造。
【背景技术】
[0002] 微流体器件一般指的是微制造装置，其用于栗送、采样、混合、分析和定量给送液 体。它的突出特征源自液体在微米长度尺度上表现的特殊行为。微流体器件中的液体的流 动可以典型地为层状。远低于一毫微升的体积可以通过制造具有微米范围内的侧向尺寸的 结构而获得。在大尺度上(通过反应物的扩散)受到限制的反应因此可以被加速。微流体器 件因此用于各种应用。
[0003] 许多微流体装置具有用户芯片接口和闭合流动路径。闭合流动路径便于将功能元 件（例如，加热器、混合器、栗、紫外检测器、阀等)整合到一个装置中，同时使与泄漏和蒸发 相关的问题最小化。
[0004] 最近引入了MFP的新颖和通用概念：竖直MFP (在文献中也称为vMFP)，参见 G.Kaigala等人，Langmuir，27(9)，第5686-5693页，2011 (http://pubs.acs.org/doi/abs/ 10.1021/la2003639)。竖直MFP探头具有用基础层在平面中制造的微流体特征。这样的探头 在操作中竖直地定向，探头顶点(处理表面)平行于被处理的表面。
【发明内容】
[0005] 根据第一方面，本发明具体实施为一种制造微流体探头的方法，所述方法包括：
[0006] 在包括两个层的相同双层衬底上提供η个微流体探头布局的集合，所述布局环形 地分布在所述双层衬底上，并且其中所述布局中的每一个布局包括：
[0007] 第一层，其对应于所述双层衬底的所述两个层中的一个的一部分；以及 [000S]第二层，其
[0009] 对应于所述双层衬底的所述两个层中的另一个的一部分;并且
[0010] 包括由在所述第二层的上表面上敞开的凹槽限定并且由所述第一层的下表面的 一部分闭合的至少一个微通道；
[0011] 大致在所述双层衬底的中心处机械加工孔，从而产生界定所述孔并且截断所述布 局的所述至少一个微通道中的每一个微通道的圆筒壁，使得所述布局中的每一个布局的所 述至少一个微通道延伸直到在所述圆筒壁处在所述凹槽的端部处形成的至少一个相应的 孔口；以及
[0012 ]分割出所述η个布局中的每一个布局以获得η个微流体探头。
[0013]在实施例中，所述方法还包括，在分割之前，抛光所述圆筒壁的步骤。
[0014]优选地，所述方法还包括:在机械加工之前，用诸如包括蜡、聚合物或光致抗蚀剂 的材料之类的展性材料填充所述探头布局的微通道的步骤；以及在机械加工之后去除所述 展性材料，优选地在抛光所述圆筒壁的步骤之后，并且更优选地在分割出所述η个布局的每 一个布局之后执行展性材料的去除。
[0015] 在优选实施例中，所述方法还包括，在提供所述布局之前，制造所述η个微流体探 头布局的集合，其包括在所述两个层中的所述另一个的上表面上开槽出所述η个布局中的 每一个布局的所述至少一个微通道。
[0016] 优选地，开槽出所述微通道通过例如使用光刻或微机械加工之类的微制造被执 行，并且优选地包括湿蚀刻或干蚀刻每个微通道的步骤。
[0017] 在实施例中，所述方法还包括在开槽出每个微通道之后对准和结合所述两个层的 步骤。
[0018] 优选地，所述制造还包括对于所述η个布局中的每一个布局，机械加工出垂直地连 接到所述至少一个微通道的至少一个通孔，所述至少一个通孔优选地穿过所述两个层中的 所述另一个被机械加工。
[0019] 在优选实施例中：所述两个层的每一个具有大致圆盘形状;所述双层衬底的所述 两个层中的所述一个:具有比所述双层衬底的所述两个层中的所述另一个小的平均直径， 并且相对于所述两个层中的所述另一个对准从而留下所述两个层中的所述另一个的未被 所述两个层中的所述一个覆盖的外部部分，并且所述方法还优选地包括，在所述相同双层 衬底上提供所述微流体探头布局的集合之前:至少部分地金属化所述两个层中的所述另一 个使得所述两个层中的所述另一个的至少所述外部部分被金属化。
[0020] 优选地，所述方法还包括:在机械加工之前，在相应的双层衬底上提供探头布局的 若干集合；以及叠加所述相应的双层衬底，其中机械加工的步骤包括大致在所述叠加的双 层衬底的中心处、穿过所有叠加的衬底机械加工出孔，从而产生截断所述叠加的双层衬底 的每一个双层衬底中的所述布局的所述至少一个微通道的每一个微通道的孔圆筒壁，并且 其中，优选地，所述方法还包括抛光由此产生的孔圆筒壁。
[0021] 在实施例中，所述提供包括在相同双层衬底上提供包括内集合和外集合的至少两 个同心环形集合，所述内集合和所述外集合的每一个集合包括环形地分布在其相应的集合 中的探头布局，所述方法包括机械加工出孔的两个步骤，其中：机械加工出第一孔以产生截 断所述内集合的微通道的第一圆筒壁，并且通过将包括所述内集合的所述双层衬底的一部 分从所述双层衬底的剩余部分分离而机械加工出第二孔以产生截断所述外集合的微通道 的第二圆筒壁。
[0022] 根据另一方面，本发明具体实施为一种根据以上实施例中的任何一个的方法获得 的微流体探头，其中所述探头包括:第一层；以及第二层，第二层包括：由在所述第二层的上 表面上敞开的凹槽限定并且由所述第一层的下表面的一部分闭合的至少一个微通道；以及 在所述第二层的边缘处、在所述至少一个微通道的端部处的至少一个孔口，所述边缘限定 所述探头的处理表面的一部分。
[0023] 在优选实施例中，由于所述微流体探头的制造方法中的所述孔的机械加工，所述 处理表面的至少一部分是凹的。
[0024] 优选地，所述微流体探头还具有成2π/η ± VlO的角并且优选地成2π/η ± π/20的角 的两个侧缘部分。
[0025] 在实施例中，所述微流体探头还包括至少两个微通道，并且优选地还包括相应地 垂直地连接到所述至少两个微通道的至少两个通孔。
[0026] 优选地，与限定所述探头的处理表面的所述边缘相对的外部部分被金属化。
[0027] 现在将通过非限制性例子并且参考附图描述具体实施本发明的装置和方法。图中 所示的技术特征不必按比例。
【附图说明】
[0028] 图1示意性地描绘在根据本发明的实施例的微流体探头的制造方法中包括的各种 步骤；
[0029] 图2是示出根据本发明的实施例的微流体探头的制造方法的步骤的流程图；
[0030] 图3示意性地示出在本发明的实施例中包括的相同双层衬底上的微流体探头布 局；
[0031] 图4示出图3的变型；
[0032 ]图5显示在实施例中包括的例如图3中所示的布局的几何规范；
[0033] 图6示意性地示出根据实施例的使用两个同心环形集合的布局的制造方法中的步 骤；
[0034] 图7示意性地示出根据实施例的制造方法中的步骤，其中在机械加工中心孔之前 叠加若干双层衬底；
[0035]图8是根据本发明的实施例的微流体探头的简化表示的3D视图；以及
[0036] 图9示出根据实施例的由微流体探头进行的表面处理(2D视图，简化表示）。
【具体实施方式】
[0037] 如引言中所述，竖直MFP探头具有若干优点。这样的探头被微制造。制造步骤中的 至少一些(包括抛光）需要单独地（即，对于每个单元重复)或以3-4个探头成组地进行。可以 认识到这样的制造步骤是MFP探头的大规模制造中的限制步骤。探头的抛光(和更一般地探 头的处理表面的制备)是特别劳动密集的并且所以显著地增加制造成本。另外，有产量问题 (例如，抛光不足或过多），抛光工具具有显著的占地面积并且昂贵。最后，在抛光期间探头 的不对准可以导致不同的顶点尺寸。本发明通过引入新的制造概念、依赖于环形分布的MFP 探头布局解决这些问题中的至少一些(一些实施例解决所有这些问题）。该方法与迄今为止 针对vMFP布局而已知的方法形成对比，在vMFP布局中探头从探头布局的二维阵列被切割。
[0038] 更详细地，并且一起参考图1、2和6、7和8，首先描述本发明的方面，其涉及微流体 探头(在下文中称为MFPs) 100的制造方法。
[0039] 最一般地，该新制造概念需要布置在相同双层衬底10上的η个MFP布局14的集合。 该双层衬底包括至少两个层11、12。
[0040] 布局14环形地分布在双层衬底10上。更详细地，每个布局14包括：
[0041] ?第一层110,即，形成双层衬底10的层11、12中的一个11的一部分；以及
[0042] ?第二层120,其对应于这些层11、12中的另一个的一部分。
[0043] 为了清楚起见:在对应于单个布局14(或最后地一个MFP探头100)的布局部分110、 120之间进行区分，而层11、12是初始形成用于制造 MFP探头的双层衬底10的那些更大层。
[0044] 双层衬底表示包括至少两个层11、12的任何合适的衬底。第一和第二层11、12中的 每一个最可行地可以是圆盘，例如晶片圆盘。然而，层11、12不必为圆形:唯一需要的是布局 14的环形分布。两个层11、12可以是相同材料(或不是）。优选材料是玻璃或硅。进一步地，层 11、12的材料可以包括(对于层中的任何一个）：塑料，陶瓷，金属和/或与本制造方法兼容的 任何其它硬材料。
[0045] 在一个布局14处，一个层(例如，第二层120)应当典型地包括在其上结构化的微流 体特征(微通道、通孔等）中的大多数。严格地说，它包括至少一个微通道123、124,但是在不 损害本申请的情况下，下面所述的实施例多数假设两个微通道123、124。微通道由在层120 的上表面120u上敞开的凹槽限定。凹槽由在这里假设为"第一"层110(参见图8)的另一层的 下表面1101的一部分闭合。
[0046] 由于布局的环形分布(或环形布置），n个布局14中的每一个的功能特征中的一个 或多个(例如，微通道、通孔等)应当典型地在相对于穿过由这些布局14限定的环形的中心 的横截对称轴的2π/η旋转下是不变的。因此，衬底10可以在2π/η的旋转下是不变的，至少对 于涉及这些功能特征的方面。当然，如果在相同衬底IOa上提供不同布局，如图4中所示，情 况可能不再是这样。
[0047] 典型地，可以在相同衬底10上提供6、12乃至24个以上布局。由于产量原因，力求最 大化布局的数量η，例如，η = 36、48或72。布局的优选数量取决于衬底尺寸，布局的复杂性 (其取决于预期的应用）。进一步地，这里所述的制造方法原则上可以用于任何数量η多2(例 如，η^3、4、5、7、···）的布局。
[0048] 本制造方法的重要步骤是大致在双层衬底10的中心处机械加工孔16(参见图1或2 中的步骤S20)。机械加工孔产生圆筒壁18(界定所述孔）。布局和孔设计成使得圆筒壁18截 断布局14中的有关微通道。即，在这些微通道的每一个的端部处产生孔口。因此，微通道 123、124现在延伸直到在圆筒壁18处的相应的孔口 121、122(其在机械加工孔16时形成），如 图1、3和8中最佳地所见。
[0049] 机械加工孔16可以包括钻孔、铣削、切割等。它还可以包括旋转柱或激光、水射流、 蚀刻等。应当注意在使用同心布局的实施例中（参见图6)，相同机械加工技术可以用于机械 加工第一（内）环形圈中的孔(图6中的步骤S20i)和用于切去内圈，从而获得第二(外）圈。在 变型中，不同的孔机械加工技术可以用于获得两个圈。随后将详细地论述图6的实施例。
[0050] 最后，并且如图1中所示，分割η个布局当中的每一个（图1、2中的步骤S30)，因此获 得η个MFP探头100。本领域的技术人员可以领会，径向分离可以包括通过利用预制的预切割 线等切割、割开或分割布局14。图3显示可以典型地在本文中使用的切割或切断线(虚线）的 图案。
[0051]本文中所述的该制造方法允许MFP探头的处理表面的晶片级加工，并且由此解决 先前所述的vMFP探头的制造的一些问题。使用本制造方法，可以在单个步骤中获得若干探 头(典型地许多）的处理表面310、320。
[0052]特别地，探头以这样一种方式布置在晶片上使得在分割探头之前可以在单个步骤 中执行所有探头的抛光（晶片级抛光）。在这方面，本制造方法的实施例还可以包括，在分割 之前，抛光（图1、2中的S24)圆筒壁18的步骤。进一步地，抛光可以与机械加工孔16-起或同 时被执行。取决于用于机械加工孔16的技术，额外、不同的抛光步骤实际上可能是多余的。 抛光因此可以伴随机械加工步骤。现在，抛光可能不一定暗示机械抛光手段。而是，可以使 用诸如高压水射流切割的手段。在所有情况下，机械加工和/或抛光步骤可以允许获得由此 产生的MFP探头100的清洁处理表面310、320,其具有低表面粗糙度并且很好地适合于典型 的vMFP应用。
[0053]有利地，本制造方法还可以包括，在机械加工之前，用展性材料填充布局的微通道 的步骤S18,从而在随后的制造步骤期间，特别是在孔16的机械加工S20期间保护微通道。类 似地，可以用展性材料填充布局的其它微流体特征。该材料随后可以被去除S40 (在步骤S20 之后或随后）。展性材料优选地在抛光S24(如果有的话)之后被去除。更优选地，它仅仅在分 害JS30之后被去除，以便也在分割期间保护微流体特征。
[0054]展性材料表示可以用于填充和堵塞微流体特征以进行保护的任何材料。典型地， 该展性材料可以通过加热和熔化它、接着通过适当的清洁和冲洗微流体特征被去除。这样 的材料可以包括蜡，光致抗蚀剂，或更一般地，一种或多种聚合物。
[0055] 光致抗蚀剂是有利的，原因是它允许通过曝光而将抗蚀剂解交联并且由此使它非 常可溶(其允许简单的随后去除）而清洁通道。优选地，展性材料不应当在典型地用于切割 操作中的液体(例如，水可能用于冷却衬底10和探头）中可溶。光致抗蚀剂很纯的并且被过 滤;它们不太可能留下任何颗粒。更一般地，光致抗蚀剂材料可以证明是有利的。
[0056] 可以另外使用低温(约60-80°C)蜡填充和堵塞通道。在机械加工孔之后，蜡可以被 加热并且然后使用真空去除。它也可以例如使用庚烷溶解。具有低粘度(例如，在80°C下）的 任何纯低温蜡可以潜在地适合于本目的。
[0057]在变型中，也可以使用通过光、温度或溶剂溶解和/或液化的其它聚合物。
[0058]迄今为止，制造方法的大多数基本方面已被描述，假定预制造的衬底是可获得的 (图1、2中的步骤S16)。进一步地，本制造方法的实施例可以包括上游制造步骤（图1、2中的 S8、S10、S12)〇
[0059] 值得注意地，这样的步骤可以包括开槽出微通道123、124、224(步骤S12)。在层11、 12中的一个的表面上，例如在层12的上表面120u上开槽出微通道。在两个层中的哪一个上 开槽出通道是无关紧要的，只要它们例如在结合之后由另一层闭合。
[0060] 开槽出微通道Sl 2优选地由微制造实现。这可以包括光刻或微机械加工。凹槽例如 可以由工具直接在基层120的上表面上雕刻和/或铣削。它可以具有任何合适的截面形状， 例如圆形、方形、U或V形截面。所需工具可以根据基层的材料被选择。在变型中，也可以预料 激光消融。也有利地，深反应离子蚀刻(DRIE)用于微通道的制造。微制造可以另外典型地包 括湿蚀刻或干蚀刻出微通道的每一个的步骤。有利地，由于这里提出的晶片级方法，通道可 以一同被蚀刻。
[0061] 在开槽出微通道的步骤S12之后，制造还可以包括对准和结合两个层11、12,参见 图1或2中的步骤S14。应当注意，在图1中，层12的上面120u面对读者的眼睛，就像层11的下 面1101(在图1的底部分中）。然而，层11在结合S14之前翻转，使得在步骤S16，层11的下面 1101面对图1中的层12的上面120u。
[0062] 作为第一例子，玻璃层11、12的热结合可以在600°C下持续4小时（加热和冷却速 率:75°C/小时）而进行。这导致玻璃衬底的融合(不可逆）。当使用玻璃衬底时，优选的是冷 却速率不超过l〇〇°C/小时以避免应力。此外，玻璃晶片的热膨胀需要相等。
[0063] 作为另一例子，两个硅晶片11、12的组件可以通过将~3μπι的聚酰亚胺粘合剂(HD Microsystems GmbH，Neu-Isenburg，德国）旋涂到盖晶片的抛光侧上并且通过随后对准和 结合两个晶片实现。结合在320°C下以2巴压力进行持续10分钟01^33￥3 1^，？&111-OttoWeber GmbH，Remshalden，德国）JFP探头然后可以被切割和储存。
[0064] 上游制造步骤还可以涉及其它微流体特征，例如，它们可以特别地包括机械加工 SlO通孔111、112。即，并且对于η个布局14当中的每一个，至少一个通孔111、112可以被提供 以垂直地连接到相应的微通道123、124。为了简单起见，通孔优选地被机械加工为贯通层12 的贯通孔，，使得它们可以容易地由已经密封通道123、124的相同层11闭合。另外的设备(管 道端口和管)可以被提供以从与层12中的侧120u相对的侧连接，从而简单地允许探头100的 竖直操作。
[0065] 其它制造步骤可以特别地涉及在每个层11、12中产生对准孔21、22 (相应地步骤 S8、S6)，以便在结合之前对准层。
[0066] 图5给出特别适合于对玻璃层11、12钻孔的几何规范的集合的例子。两个层的对准 孔21、22可以一起被钻出。为了该目的，层11、12可以例如用蜡事先结合在一起。对准孔21、 22然后可以通过两个层11、22被钻出。关于通孔111、112:钻孔在两个层11、12之间的界面处 停止，使得仅仅一个层12包括通孔111、112。
[0067] 当使用玻璃晶片时，合适的保持器可以有利地用于精确玻璃钻孔，例如在计算机 数字控制(CNC)机器中。
[0068] 例如，可以使用5(：11〇1^6〇1'〇|]〇31@33.硼娃酸盐玻璃晶片，其具有50(^1]1的晶片 厚度和4英寸的晶片尺寸。优选的最小孔直径为0.25mm。在该情况下优选的钻孔参数为：
[0069] -小孔（0.4mm) :30mm/min@30,000rpm;以及
[0070] -对准孔（I .5mm) :25mm/min@25,000rpm。
[0071 ]优选地在水冷却液体中执行钻孔。可以使用金刚石涂层钻头。
[0072] 可以使用标准铣床和金刚石钻头手动地钻出中心孔(20_直径）。可以使用抛光垫 和1微米金刚石磨膏执行中心孔的抛光。随后可以执行标准切割以分割探头。
[0073] 相同集合当中的布局14不需要全部相同，如图4中所示，其中衬底IOa的四个布局 相比于剩余布局具有附加微通道。在这里，微通道再次以它们与在随后阶段将被钻出和抛 光的中心孔相交的方式布置，从而最后形成孔口。对于该布局，晶片尺寸为IOOmm并且将钻 出的中心孔的直径为20_。
[0074] 在一些MFP应用中，需要在探头处设计电极。在那方面，本制造方法可以优选地适 应金属化。优选地仅仅在层11、12中的一个上执行金属化。例如在玻璃上构造 Pt/Ti图案是 已知的。电极可以有利地实现用于加热、电化学感测等。
[0075]在这方面，本方法允许简单地制造外部电极板(pad)。例如，假设两个层11、12的每 一个具有大致圆盘形状，层11可以带有比层12更小的平均直径。当对准两个层时，层12的外 部部分因此将不被层11覆盖。这允许在该外部部分处提供附加功能特征。特别地，可以金属 化(至少部分地，或选择性性地)层12的上侧120u，例如至少部分地金属化层12的外部部分。 典型地在整个较大的层上选择性性地执行金属化。
[0076] 因此可以获得诸如加热结构或电化学电极之类的微结构，其可以通过设在外部部 分上的金属化极板被连接。较小的晶片保证自由接近电极的接触极板。再次地，当通道123、 124的制造与金属化工艺无关时，通道123、124可以在层11、12中的任何一个上提供。
[0077] 目前，论述了允许本制造方法的产量倍增的改进，并且这参考图6和7。
[0078] 增加制造产量的一种方式是通过采用布局的同心环（图6)优化晶片表面。例如可 以在相同双层衬底10上提供布局14的两个(或更多个)同心环形集合（内集合和外集合）。内 集合和外集合的每一个包括环形地分布在其相应集合中的探头布局14i、14o。然后，可以机 械加工第一孔(步骤S20i)以产生截断内集合的微通道的第一圆筒壁。接着，可以通过将衬 底10的包括内集合14i的部分与衬底10的剩余部分分离而机械加工(步骤S20o)第二孔。这 产生截断外集合14〇的微通道的第二圆筒壁。如先前所述，相同或相似的机械加工技术可以 用于产生第一和第二圆筒壁。
[0079] 增加制造产量的另一方式是例如通过在机械加工贯穿的孔之前提供叠加的圆盘 而开拓第三尺寸（即，垂直于晶片表面），参见图7。例如，在步骤S16,可以在相应的双层衬底 10上提供探头布局14的若干集合。然后，在步骤S19,在大致叠加的衬底10的中心处穿过所 有叠加的衬底机械加工S20孔之前，可以叠加衬底10。这导致产生孔16,所述孔的壁18截断 叠加的衬底I〇的每一个中的微通道。必要时，由此产生的孔16的圆筒壁被抛光，如先前所 述。
[0080] 图6和7的实施例可以组合。制造产量随着同心环的数量乘以重叠的衬底倍增。
[0081] 现在一起参考图1、3_5、8和9,现在描述本发明的另一方面，其涉及根据本制造方 法获得的MFPs。与上述的制造方法一致地，这样的MFP应当包括:第一层110和第二层120。后 者具有一个或多个微通道123、124,所述微通道由在第二层120的上表面120u上敞开的相应 的凹槽限定并且由第一层110的下表面1101的一部分闭合，如图8中最佳地所见。而且，由于 机械加工工艺S20、S24,在微通道的端部处限定出孔口 121，并且这在层120的边缘320处进 行，在层120中开槽出所述通道。边缘表面320形成由探头的每个层110、120的边缘表面310、 320限定的处理表面的一部分。当然，并且如先前所述，这样的MFP探头可以包括其它微流体 特征，例如连接到微通道的通孔111、112。
[0082] 应当注意，获得的MFP探头必然受到先前所述的制造方法影响：
[0083]-首先，并且更特别地参考图9,由于孔16的机械加工步骤S20，MFP探头100的处理 表面310、320可能是凹的（如果不进行附加的、显著的表面加工以去除凹度的话）；
[0084] -其次，现在参考图5、8和9，探头100的总体形状可以进一步反映布局14的初始环 形分布。例如，探头可以具有侧缘(或其至少部分），其成接近2Vn的角，具有例如土 VlO的 公差。公差取决于布局中的探头之间的间隔带(参见图1或3中的虚线)和使用的分割技术。 然而，由此产生的边缘应当典型地具有2Vn±V20的角，假设在分割步骤期间足够小心。
[0085] -探头100还可以具有本制造技术的其它特征，例如：
[0086] ?由于使用的不同技术（即，侧缘的分割对比处理表面的机械加工/钻孔/抛光）， 侧缘的精细表面状态不同于处理表面；以及
[0087] ?探头100的扇形的形状(类似于饼形图的扇区）和更一般地，布局的初始环形分 布、布局的对称性以及机械加工以产生处理表面的孔16等的其它情况，可以由本制造技术 产生。
[0088] 现在，在分割之后，探头100可以受到随后的处理或加工，使得它们可以不必保持 上述的所有制造特征。
[0089] 如先前所述，MFP的典型实施例包括至少两个微通道123、124，和一致地，相应地垂 直地连接到微通道的至少两个通孔111、112。而且，层11、12中的一个的外部部分可以部分 地金属化，从而提供电极板。该外部部分与处理表面310、320相对。
[0090] 除了微通道123、124之外，还可以提供侧向通道224，如图9中所示。有趣地，可以利 用分割步骤在侧向通道的端部处限定孔口 222。
[0091] 图8显示根据本制造方法的实施例获得的双层MFP探头100的处理端的视图。探头 1 〇〇具有基层120，其中处理液体微通道123、124和浸渍液体微通道224-起被提供(在这里 仅仅描绘侧向通道中的一个）。每个通道与相应的孔口 121、122、222流体连通并且在该例子 中每个孔口位于基层120的面上。盖层110闭合在基层120的上面120u上敞开的通道。孔口在 基层120的边缘表面320处形成。由于制造工艺，处理表面310、320应当典型地尖锐，这允许 相关表面200上的紧凑液体沉积，并且为容易的光学监测留下空间。顶点的凹性在图8中不 可见。
[0092] 探头还可以带有管道端口（未显示），从而允许与通孔111和112(在图8、9中不可 见）流体连接。通孔和端口应当配置成允许通过相应的通孔从端口流体连通到孔口 121、 122、222〇
[0093] 作为应用的例子，当在表面200附近移动探头时，如图9中示意性地所示，处理液体 PL可以通过孔口 121分配，其将与浸渍液体IL(可能经由探头的侧向孔口提供，其未在图9中 显示)组合。应当注意，尺寸不太按比例，特别是孔口的尺寸，其为了清楚被故意放大。装置 100优选地配置成能够获得层流。孔口的尺寸实际上可以为例如几十微米。它们典型地间隔 几十到几百微米。当在这里使用成对的处理通道/孔口时，处理液体PL可以在孔口 122处与 一些浸渍液体IL一起被抽吸。孔口 121和122之间的流动路径可以颠倒，即处理液体可以从 孔口 122注入，而孔口 121可以抽吸液体。处理液体在操作中基本上位于孔口 121和122附近， 并且由通常可以仅仅存在于探头100附近的浸渍液体围绕。
[0094]现在，可以利用由制造工艺自然产生的处理表面310、320的凹性来将液体限制在 形成于处理表面和待处理的表面之间的凸形空间中，如图9中示意性地所示。然而，浸渍液 体仍然可能需要流体动力地限制处理液体，并且由此避免处理液体的分散。然而，当装置与 表面相接触时，顶点的凹形已经保证凹部内的处理液体流动的一些限制。在该操作模式下 不需要距离控制。应当注意，顶点的曲率可以改变以"设计"待包封的液体的特定体积。最 后，曲率限定影响流动限制的几何学的唯一流阻。
[0095] 诸如上述的MFP探头特别显著地可用于表面处理应用。不同于生物应用，表面处理 应用包括潜在更小的图案和更宽范围的液体和化学制品。使用薄硅晶片(例如，厚度为?〇〇μ m)来制造基层12,例如可以使用常规DRIE或聚焦离子束制造具有小于ΙΟμπι的侧向尺寸的良 好成形的孔口，其由于硅盖11具有足够的厚度而保证探头的机械强度。诸如本文中所述的 多层探头也更易于使用许多处理液体，原因是孔口可以小并且彼此接近，水平微通道充分 地铺开以便留下足够的空间用于在层11、12上增加许多端口。然而更一般地，本MFP技术在 使表面图案化、对材料进行处理、在表面上沉积和去除生物分子和细胞、分析表面上的细胞 和生物分子、在表面上产生化学梯度、研究诸如组织切片之类的复杂生物样本和产生具有 奇特轮廓的结构(如锥形腔)这些方面也具有可能性。
[0096] 本文中所述的方法可以在MFP探头和MFP芯片的制造中使用。由此产生的探头/芯 片可以由制造商以原始形式(也就是说，作为结构化的双层衬底并且以包装形式)配销。在 后一种情况下芯片可以安装在单芯片封装中。在任何情况下，探头和芯片然后可以与其它 元件整合，作为(a)中间产品或(b)最终产品的一部分。
[0097]以上实施例已参考附图简洁地进行了描述并且可以适应许多变型。可以预料以上 特征的若干组合。在图中给出这样的组合的例子。尽管已参考有限数量的实施例、变型和附 图描述本发明，但是本领域的技术人员将理解可以进行各种变化并且等效物可以被替换而 不脱离本发明的范围。特别地，在指定实施例、变型中叙述或在图中显示的特征(装置或方 法)可以与另一实施例、变型或图中的另一特征组合或替换另一特征，而不脱离本发明的范 围。因此可以预料关于以上实施例或变型中的任何一个所述的特征的各种组合，其仍然在 附带的权利要求的范围内。另外，可以进行许多微小的修改以使特定情况或材料适应于本 发明的教导而不脱离它的范围。所以，本发明旨在不限制到所公开的特定实施例，而是本发 明将包括落在附带的权利要求的范围内的所有实施例。另外，可以预料不同于上面明确描 述的许多其它变型。例如，不同于本文中明确描述的其它材料可以用于层11、12的每一个。 类似地，通道、通孔、孔口可以具有不同尺寸。
[0098] 附图标记
[0099] 10、IOa 双层衬底
[0100] 100 (一个或多个)微流体探测(MFP)探头
[0101] 11、12 衬底第一层和第二层
[0102] 110 探头100的第一(盖)层
[0103] 1101 第一层11、110的下表面
[0104] 111、112 垂直通孔
[0105] 120 探头100的第二(基)层
[0106] 120u 第二层12、120的上表面
[0107] 121、122 微通道孔口
[0108] 123,124 微通道
[0109] 14 MFP 布局
[0110] 14i、14o 同心探头布局
[0111] 16 中心孔
[0112] 18 界定中心孔的圆筒壁
[0113] 21、22 对准孔
[0114] 222 侧向微通道孔口
[0115] 224 侧向微通道
[0116] 310,320 探头处理表面
【主权项】
1. 一种制造微流体探头（100)的方法，所述方法包括： 在包括两个层（11、12)的相同双层衬底（10、10a)上提供(S16)n个微流体探头布局（14) 的集合，所述布局环形地分布在所述双层衬底上，并且其中所述布局中的每一个包括： 第一层（110 )，第一层对应于所述双层衬底的所述两个层（11、12)中的一个（11)的一部 分；以及 第二层（120)，第二层对应于所述双层衬底的所述两个层（11、12)中的另一个（12)的一 部分;并且第二层包括由在所述第二层（120)的上表面（120u)上敞开的凹槽限定并且由所 述第一层(110)的下表面(1101)的一部分闭合的至少一个微通道(123、124); 大致在所述双层衬底（10)的中心处机械加工（S20)孔（16)，从而产生界定所述孔并且 截断所述布局（14)的所述至少一个微通道中的每一个微通道的圆筒壁(18)，使得所述布局 中的每一个的所述至少一个微通道（123、124)延伸直到在所述圆筒壁（18)处在所述凹槽的 端部处形成的至少一个相应的孔口（12U122);以及 分割(S30)所述η个布局中的每一个布局以获得η个微流体探头（100)。2. 根据权利要求1所述的方法，还包括，在分割之前，抛光(S24)所述圆筒壁的步骤。3. 根据权利要求1或2所述的方法，还包括： 在机械加工之前，用诸如包括蜡、聚合物或光致抗蚀剂的材料之类的展性材料填充 (S18)所述探头布局的微通道的步骤；以及 在机械加工之后去除（S40)所述展性材料，优选地在抛光（S24)所述圆筒壁的步骤之 后，并且更优选地在分割(S30)所述η个布局中的每一个之后执行展性材料的去除。4. 根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，还包括，在提供所述布局之前，制造(S8、 S10、S12)所述η个微流体探头布局的集合，其包括在所述两个层中的所述另一个（12)的上 表面(120u)上开槽出（S12)所述η个布局中的每一个布局的所述至少一个微通道。5. 根据权利要求4所述的方法，其中开槽出（S12)所述微通道通过例如使用光刻或微机 械加工之类的微制造来进行，并且优选地包括湿蚀刻或干蚀刻每个微通道的步骤。6. 根据权利要求5所述的方法，还包括在开槽出每个微通道之后对准和结合(S14)所述 两个层的步骤。7. 根据权利要求4、5或6所述的方法，其中所述制造还包括对于所述η个布局中的每一 个布局，机械加工出（S10)垂直地连接到所述至少一个微通道（123、124)的至少一个通孔 (111、112)，所述至少一个通孔优选地穿过所述两个层（11、12)中的所述另一个(12)而被机 械加工。8. 根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，其中 所述两个层(11、12)的每一个具有大致圆盘形状;并且 所述双层衬底的所述两个层(11、12)中的所述一个(11): 具有比所述双层衬底的所述两个层(11、12)中的所述另一个(12)小的平均直径;并且 相对于所述双层衬底的所述两个层中的所述另一个对准从而留下所述两个层（11、12) 中的所述另一个(12)的未被所述两个层(11、12)中的所述一个(11)覆盖的外部部分， 所述方法优选地还包括，在所述相同双层衬底上提供所述微流体探头布局（14)的集合 之前:至少部分地金属化所述两个层（11、12)中的所述另一个（12)使得所述两个层中的所 述另一个(11)的至少所述外部部分被金属化。9. 根据权利要求1至8中的任一项所述的方法，其中所述方法还包括： 在机械加工之前，在相应的双层衬底(10)上提供(S16)探头布局的若干集合；以及 叠加(S19)所述相应的双层衬底， 其中机械加工（S20)的步骤包括大致在所述叠加的双层衬底的中心处、穿过所有叠加 的衬底机械加工出孔，从而产生截断所述叠加的双层衬底中的每一个双层衬底的所述布局 的所述至少一个微通道的每一个微通道的孔圆筒壁， 并且其中，优选地，所述方法还包括抛光由此产生的孔圆筒壁。10. 根据权利要求1至9中的任一项所述的方法，其中所述提供包括在相同双层衬底上 提供包括内集合和外集合的至少两个同心环形集合，所述内集合和所述外集合中的每一个 集合包括环形地分布在其相应的集合中的探头布局（14i、14o)，所述方法包括机械加工出 孔的两个步骤，其中 机械加工(S20i)出第一孔以产生截断所述内集合的微通道的第一圆筒壁，并且 通过将包括所述内集合（14i)的所述双层衬底的一部分从所述双层衬底的剩余部分分 离而机械加工(S20o)出第二孔以产生截断所述外集合的微通道的第二圆筒壁。11. 一种根据前述权利要求中的任一项所述的方法获得的微流体探头，其中所述探头 包括： 第一层（110);以及 第二层（120)，第二层包括： 由在所述第二层（120)的上表面（120u)上敞开的凹槽限定并且由所述第一层（110)的 下表面(1101)的一部分闭合的至少一个微通道(123、124);以及 在所述第二层（120)的边缘(320)处、在所述至少一个微通道的端部处的至少一个孔口 (121)，所述边缘限定所述探头的处理表面(310、320)的一部分。12. 根据权利要求11所述的微流体探头，其中由于所述微流体探头的制造方法中的所 述孔(16)的机械加工，所述处理表面(310、320)的至少一部分是凹的。13. 根据权利要求11或12所述的微流体探头，还具有成2Vn±Ji/l〇的角并且优选地成2 π/η ± π/20的角的两个侧缘部分。14. 根据权利要求11、12或13所述的微流体探头，包括至少两个微通道（123、124)，并且 优选地还包括相应地垂直地连接到所述至少两个微通道的至少两个通孔(111、112)。15. 根据权利要求11至14中的任一项所述的微流体探头，其中与限定所述探头的处理 表面的所述边缘相对的外部部分被金属化。
【文档编号】B01J19/00GK106061599SQ201580011253
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2015年2月13日 公开号201580011253.1, CN 106061599 A, CN 106061599A, CN 201580011253, CN-A-106061599, CN106061599 A, CN106061599A, CN201580011253, CN201580011253.1, PCT/2015/51075, PCT/IB/15/051075, PCT/IB/15/51075, PCT/IB/2015/051075, PCT/IB/2015/51075, PCT/IB15/051075, PCT/IB15/51075, PCT/IB15051075, PCT/IB1551075, PCT/IB2015/051075, PCT/IB2015/51075, PCT/IB2015051075, PCT/IB201551075
【发明人】M·博格, E·德拉马尔什, G·凯加拉, R·洛芙奇克
【申请人】国际商业机器公司