微流控芯片表面处理结合热压的封装方法

专利名称：微流控芯片表面处理结合热压的封装方法
技术领域：
本发明属于微机电系统及分析检测领域，尤其涉及微流控芯片表面处理结合热压 的封装方法，利用对封装材料的封装表面进行特定的工艺处理，使得表面物质活化或使表 面附着一层微米级薄胶层，而完成芯片的封装。
背景技术：
微流控技术是目前迅速发展的高新技术和多学科交叉科技前沿领域之一，是生化 检测、化学科学与信息科学信号检测和处理方法研究的重要技术平台。本发明涉及的微流 控芯片是基于MEMS加工技术；研究微流控通道表面性能、微流控系统内的驱动和控制规 律；建立样品预处理、混合、反应、分离、检测等功能单元为一体的微流控芯片集成技术。以 该技术为应用基础的研究平台，充分发挥其对纳升级或皮升级流体的可操纵性，以及易于 高通量化和功能化的特点，研究微通道的基本规律与特性，并与特异性免疫反应结合起来， 用以监测抗原-抗体反应。近年来，微机电系统(MEMQ、集成电路(IC)技术、纳米技术、分子生物学、材料学 等领域取得了无可争议的进步和突破，将这些技术结合起来形成功能强大的片上系统，为 生化免疫分析开创了新的突破口，集成微流控芯片正符合这种系统化的特点。集成微流控 芯片是近年来在生命科学研究领域中崭露头角的一项新技术，它能制作成具有不同用途的 全功能缩微芯片实验室。目前，芯片实验室分析已成为一个非常热门的研究领域。它之所 以倍受人们关注是由其特点所决定的(一)集成性集成的单元部件越来越多，集成的规 模也越来越大，功能也越来越强；(二)分析速度极快；(三)高通量；(四)微型化可携带， 适于即时，在线与现场分析；(五)能耗低，物耗少，污染小，因而非常廉价，安全，被认为是 一种环境友好的分析方法与“绿色”技术。因此，芯片实验室研究显得非常重要。例如，在 生物医学领域，它可以使珍贵的生物样品和试剂消耗降低到微升甚至纳升级，而且分析速 度成倍提高，成本成倍下降；在化学领域它可以使以前需要在一个实验室花大量样品、试剂 和很多时间才能完成的分析和合成，在一块小的芯片上花很少量样品和试剂以很短的时间 同时完成；在分析化学领域，它可以使以前大的分析仪器变成平方厘米尺寸规模的分析仪， 将大大节约人力与物力资源和能源；在环境领域，它使现场分析及遥控环境分析成为可能。微流控芯片研究技术是目前迅速发展的高新技术和多学科交叉科技前沿领域之 一，是生命科学、化学科学与信息科学信号检测和处理方法研究的重要技术平台。微流控分 析系统在微型化、集成化和便携化方面的优势为其在生物医学、药物合成筛选、环境监测与 保护、卫生检疫、司法鉴定、生物战剂的侦检等众多领域的应用提供了极为广阔的前景。围绕微流控芯片系统研究中的重要科学问题，以微流控技术为应用基础的研究平 台，充分发挥其对纳升级或皮升级流体的可操纵性，以及易于高通量化和功能化的特点，建 立微流控芯片加工技术；研究微流控通道表面性能、基本规律与特性、微流控系统内的驱动 和控制规律；研究微-纳米通道的，通过多学科交叉研究，探索微球在微-纳系统中的精确 定位操纵，建立样品预处理、混合、反应、分离、检测等功能单元为一体的微流控芯片集成系统，增强我国微流控生化分析集成系统研究的源头创新能力。当前，芯片实验室本身的一些 理论和应用基础研究，制作工艺研究，适用新型材料开发等也在发展之中。例如，以芯片制 作工艺而言，芯片制造已由手工为主的微机电(MEMS)技术生产逐渐朝自动化、数控化的亚 紫外激光直接刻蚀微通道方向发展，同时其他技术如，压印技术(Imprint Lithography)等 也广泛应用起来；芯片实验室的驱动源从以电渗流发展到流体动力、气压、重力、离心力、剪 切力等多种手段。现有微流控芯片的加工方法主要有用微加工工艺，在硬质材料(如硅、玻璃、金 属等)上加工凸起的图形阳模，再以硅橡胶PDMS浇铸复制出凹下的微通道图形；或以该硬 模具为压模，直接在热塑性材料上加热加压，实现图形转移；还可以，以微束准分子激光加 工机直接在诸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、聚碳酸酯(PC)及其他 各种塑料、玻璃、金属、硅片上加工出微流控芯片图形。芯片实验室所用材料由最初的价格较为昂贵的玻璃和硅片，发展成以便宜的聚合 物为材料，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、聚碳酸酯(PC)及其他各 种塑料等。无论采用何种加工成形方法和材料，微流控芯片的封装过程都是必不可少的。特 别是大批量生产，要充分考虑成品率和生产效率。所以针对不同的方法和不同材料组合制 成的微流控芯片，发明一种经济高效统一的封装方法就成为必要的了。由于微流控芯片的通道微小，通常宽度和深度仅几十微米，甚至更小，采用普通的 涂胶工艺或热压封接工艺，很容易使通道变形和堵塞，工艺条件也难以掌握。

发明内容
本发明的目的在于提供一种微流控芯片表面处理结合热压的封装方法，适用于各 种加工工艺制造的芯片和各种材料组合，在防止微通道变形和堵塞的同时，提高生产的效 率和成品率。一种微流控芯片表面处理结合热压的封装方法，其特征在于它由以下步骤构成(1)制备微流控图形芯片基片；(2)对封装材料的封装表面即盖片和基片表面进行处理；(3)采用热压的方法完成芯片封装。上述所说的步骤(1)中微流控图形芯片基片包括热塑性塑料微流控图形芯片基 片、聚二甲基硅氧烷微流控图形芯片基片和玻璃、金属、硅片为基底的微流控芯片基片。上述所说的热塑性塑料微流控图形芯片基片的制备方法，包括以下步骤①微流控芯片模具的制作用MEMS仿真设计出微流控芯片图形，并制成金属掩模 板，用光刻法将图形转移至旋涂有PMMA的硅片上；采用干法刻蚀法制成阳模，突起图形高 度大于15微米；②溶融的热塑性塑料于步骤①制作的凸起的微流控芯片模具处原位聚合固化；或者于平整的厚度大于0. 2mm的热塑性塑料薄板上放置步骤①制作的凸起的微 流控芯片模具加热> 100°C，加压20bar以上，然后冷却至室温固化，脱模。上述所说的热塑性塑料微流控图形芯片基片的制备方法为经MEMS仿真软件设 计图形转化为自动加工程序，用准分子激光加工机，直接在平整的厚度大于0. 2mm的热塑性塑料薄板上加工出微流控通道。上述所说的热塑性塑料为聚甲基丙烯酸甲酯即PMMA Polymethylenemethacrylate> 聚 ￥ 乙；！；希艮PS :Polystyrene> 聚 it 乙；I；希艮PVC Polyvinylenechloride 或聚碳酸月旨 PC :Polycarbonate。上述所说的聚二甲基硅氧烷微流控图形芯片基片的制备方法，包括以下步骤①微流控芯片模具的制作用MEMS仿真设计出微流控芯片图形，并制成金属掩模 板，用光刻法将图形转移至旋涂有PMMA的硅片上；采用干法刻蚀法制成阳模，突起图形高 度大于15微米；②溶融的聚二甲基硅氧烷于步骤①制作的凸起的微流控芯片模具处原位聚合固 化。上述所说的聚二甲基硅氧烷微流控图形芯片基片的制备方法为经MEMS仿真软 件设计图形转化为自动加工程序，用准分子激光加工机，直接在平整的厚度为0. 2mm的聚 二甲基硅氧烷薄板上加工出微流控通道。上述所说的玻璃、金属、硅片为基底的微流控芯片基片的制备方法为经MEMS仿 真软件设计图形转化为自动加工程序，用准分子激光加工机，直接在平整的玻璃、金属、硅 片上加工出微流控通道；经干法刻蚀制成的玻璃、金属、硅片微流控芯片基片。上述所说的步骤O)中盖片和基片表面处理的方法为盖片上旋涂聚二甲基硅氧 烷或聚甲基丙烯酸甲酯薄层，薄层小于5微米；旋涂前加入稀释剂，以降低黏度；所说的稀 释剂为苯甲醚或二甲基硅油。上述所说的步骤O)中盖片和基片表面处理的方法为当盖片或基片为有机材质 时，在有机材质的盖片或基片上涂有机溶剂使表层微溶，晾干；所说的有机溶剂为氯仿、二 氯乙烷、环己烷、正己烷或乙酸乙酯。上述所说的步骤(3)中芯片封装的方法为采用普通气动热压机加热加压，压力 小于7bar，温度100 170度，时间Γ Ο分钟。上述所说的步骤(3)中芯片封装的方法为采用纳米压印机，气体驱动软囊加压， 底部加热，压力20bar，温度100 180度，时间Γ Ο分钟。上述所说的盖片/基片的材质为玻璃/硅、玻璃/玻璃、聚二甲基硅氧烷/硅、聚 二甲基硅氧烷/玻璃、聚二甲基硅氧烷/聚二甲基硅氧烷、聚二甲基硅氧烷/聚甲基丙烯酸 甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯/硅、聚甲基丙烯酸甲酯/玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯/聚甲基丙烯 酸甲酯。本发明的优越性本发明适用于各种加工工艺制造的芯片和各种材料组合，在防 止微通道变形和堵塞的同时，提高生产的效率和成品率。
具体实施例方式实例1 聚二甲基硅氧烷PDMS芯片与玻璃盖片封接用htellisute MEMS仿真设计出微流控芯片图形，并制成玻璃为基板的镍Ni金 属掩模板，用光刻机将图形转移至旋涂有光刻胶(实验所用为正胶)的硅片上。胶厚为1 微米，将悬涂好光刻胶的硅片放置在真空干燥箱中前烘10分钟，温度为90°C。极紫外线 光进行光刻，曝光时间为8s，然后，在浓度为0. 6%的NaOH溶液中显影40s，将显影好的硅片进行后烘前烘15分钟，温度为120°C。将显影后干燥过的硅片，置于Oxford Plasmalab 80PlusRIE刻蚀机中，02流量为50sccm，气压为40mbar，forword power为50w，轰击2分钟， 去除图形凹底部残胶。然后，将其放入真空镀膜机，蒸镀250nm厚的金属镍M ；丙酮超声清 洗，去除光刻胶及光刻胶上的金属层，附着在硅片上的金属层得以保留。再放入Plasmalab 80Plus RIE刻蚀机中，刻蚀气体SF6流量为40sccm，02流量为lsccm，气压为40mbar， forword power为100w，刻蚀8分钟。取出，用稀硫酸洗去残余的金属掩模，得到凸起高度 为25微米图形横向结构宽度20微米的阳模。实验采用Sylgard 184型PDMS (推荐的最佳配比为10 1，固化温度为 50-1000C )，将PDMS预聚体/固化剂配比(体积比)为10 1的液体混合物充分搅拌后 放入真空箱内，常温脱气；待液体混合物无气泡后(大约15min)，浇注于硅阳膜上形成1 3mm覆盖层，再进行常温脱气，直至硅阳模边缘围堰无气泡或气泡明显减少(大约15min)； 在75°C下加热固化35min，然后从硅阳膜上取下盖片，并用打孔器打出基片通道的末端孔， 即制成聚二甲基硅氧烷PDMS微流控芯片基片。取二甲基硅油(Dow corning 200 Fluid)与加了固化剂的聚二甲基硅氧烷预聚体 PDMS按13 10的比例混合，使PDMS的黏度降低，用CooksonSpincoater旋转涂敷机，转速 1500^4000rpm,即可将PDMS用旋涂的方法均勻地涂在干净的玻璃片上，厚度控制在在2飞 微米。再将其放入真空烘箱烘至半干，取出，与制成的聚二甲基硅氧烷PDMS微流控芯片基 片紧密贴合，消除气泡。放于气动热压机上，压力6bar，温度170度，10分钟，即实现封接。 此方法周期短，连续工作效率高。实例2 热塑性塑料微流控芯片基片与同种材质盖片的封接以实例1中的硅阳模为压印模具。Imm厚度的平整聚氯乙烯PVC板置于模具上， 模具下面垫两层0. Imm的纯铝箔，PVC板上面覆盖三层纯铝箔，一起放入Obducat纳米压印 机，升温到180度，加压40bar，保持3分钟，降温至80度，卸压脱模，冷却至室温，制成PVC 微流控芯片基片。截取同样大小的干净平整的PVC薄板，其表面用少量氯仿均勻涂布，晾干后，覆盖 在制成的PVC微流控芯片基片上。再于上下用玻璃片(载玻片)夹持，放于普通气动热压 机上，加热温度为120度，压力2. ^ar,保持5分钟，即完成封接。实例3 用htellisuite MEMS仿真软件设计图形，并将其转化为准分子激光加工 机的自动加工程序，加工气体是KrF，气体压力是6500mbar激光能量为15mJ，直接在平整的 热塑性塑料薄板(> 0. 2mm)上加工出微流控通道。截取同样大小的干净平整的同种材质薄板，其表面用少量氯仿均勻涂布，晾干后， 覆盖在激光加工的微流控芯片基片上。再于上下用玻璃片(载玻片)夹持，放于普通气动 热压机上，加热温度为120度，压力2. ^ar,保持5分钟，降温即完成封接。
权利要求
1.一种微流控芯片表面处理结合热压的封装方法，其特征在于它由以下步骤构成(1)制备微流控图形芯片基片；(2)对封装材料的封装表面即盖片和基片表面进行处理；(3)采用热压的方法完成芯片封装。
2.根据权利要求1所说的一种微流控芯片表面处理结合热压的封装方法，其特征在于 所说的步骤(1)中微流控图形芯片基片包括热塑性塑料微流控图形芯片基片、聚二甲基硅 氧烷微流控图形芯片基片和玻璃、金属、硅片为基底的微流控芯片基片。
3.根据权利要求2所说的一种微流控芯片表面处理结合热压的封装方法，其特征在于 所说的热塑性塑料微流控图形芯片基片的制备方法为三种第一种包括以下步骤①微流控芯片模具的制作用MEMS仿真设计出微流控芯片图形，并制成金属掩模板， 用光刻法将图形转移至旋涂有PMMA的硅片上；采用干法刻蚀法制成阳模，突起图形高度大 于15微米；②溶融的热塑性塑料于步骤①制作的凸起的微流控芯片模具处原位聚合固化；第二种包括以下步骤①微流控芯片模具的制作用MEMS仿真设计出微流控芯片图形，并制成金属掩模板， 用光刻法将图形转移至旋涂有PMMA的硅片上；采用干法刻蚀法制成阳模，突起图形高度大 于15微米；②或者于平整的厚度大于0.2mm的热塑性塑料薄板上放置步骤①制作的凸起的微流 控芯片模具加热彡100°C，加压20bar以上，然后冷却至室温固化，脱模；第三种经MEMS仿真软件设计图形转化为自动加工程序，用准分子激光加工机，直接 在平整的厚度大于0. 2mm的热塑性塑料薄板上加工出微流控通道。
4.根据权利要求3所说的一种微流控芯片表面处理结合热压的封装方法，其特征 在于所说的热塑性塑料为聚甲基丙烯酸甲酯即PMMA =Polymethylene methacrylate、聚 苯乙烯即PS :Polystyrene、聚氯乙烯即PVC =Polyvinylene chloride或聚碳酸脂PC Polycarbonate。
5.根据权利要求2所说的一种微流控芯片表面处理结合热压的封装方法，其特征在于 所说的聚二甲基硅氧烷微流控图形芯片基片的制备方法为两种第一种包括以下步骤①微流控芯片模具的制作用MEMS仿真设计出微流控芯片图形，并制成金属掩模板， 用光刻法将图形转移至旋涂有PMMA的硅片上；采用干法刻蚀法制成阳模，突起图形高度大 于15微米；②溶融的聚二甲基硅氧烷于步骤①制作的凸起的微流控芯片模具处原位聚合固化；第二种经MEMS仿真软件设计图形转化为自动加工程序，用准分子激光加工机，直接在平整的厚度为0. 2mm的聚二甲基硅氧烷薄板上加工出微流控通道。
6.根据权利要求2所说的一种微流控芯片表面处理结合热压的封装方法，其特征在于 所说的玻璃、金属、硅片为基底的微流控芯片基片的制备方法为经MEMS仿真软件设计图 形转化为自动加工程序，用准分子激光加工机，直接在平整的玻璃、金属、硅片上加工出微 流控通道；经干法刻蚀制成的玻璃、金属、硅片微流控芯片基片。
7.根据权利要求1所说的一种微流控芯片表面处理结合热压的封装方法，其特征在于 所说的步骤O)中盖片和基片表面处理的方法为盖片上旋涂聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯薄层，薄层小于5微米；旋涂前加入 稀释剂，以降低黏度；所说的稀释剂为苯甲醚或二甲基硅油；或者，当盖片或基片为有机材质时，在有机材质的盖片或基片上涂有机溶剂使表层微 溶，晾干；所说的有机溶剂为氯仿、二氯乙烷、环己烷、正己烷或乙酸乙酯。
8.根据权利要求1所说的一种微流控芯片表面处理结合热压的封装方法，其特征在于 所说的步骤(3)中芯片封装的方法为采用普通气动热压机加热加压，压力小于7bar，温度10(Γ170度，时间广10分钟； 或者，采用纳米压印机，气体驱动软囊加压，底部加热，压力20bar，温度10(Γ180度，时 间广10分钟。
9.根据权利要求1所说的一种微流控芯片表面处理结合热压的封装方法，其特征在于所说的盖片/基片的材质为玻璃/硅、玻璃/玻璃、聚二甲基硅氧烷/硅、聚二甲基硅氧烷/ 玻璃、聚二甲基硅氧烷/聚二甲基硅氧烷、聚二甲基硅氧烷/聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙 烯酸甲酯/硅、聚甲基丙烯酸甲酯/玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯/聚甲基丙烯酸甲酯。
全文摘要
一种微流控芯片表面处理结合热压的封装方法，其特征在于它由以下步骤构成(1)制备微流控图形芯片基片；(2)对封装材料的封装表面即盖片和基片表面进行处理；(3)采用热压的方法完成芯片封装。本发明的优越性本发明适用于各种加工工艺制造的芯片和各种材料组合，在防止微通道变形和堵塞的同时，提高生产的效率和成品率。
文档编号B81C1/00GK102092669SQ20091022915
公开日2011年6月15日 申请日期2009年12月11日 优先权日2009年12月11日
发明者吴磊, 屈怀泊, 牟诗城, 高玉翔, 高鹏 申请人:国家纳米技术与工程研究院