一种新型微加热器及其制备方法
【专利摘要】本发明具体涉及到一种新型微加热器，其结构包括：承载玻璃片、镀金导电涂层、加热单元（镀铬涂层）、电极柱和铝制热沉平台。本发明采用软光刻微加工技术对镀有金-铬的玻璃片进行加工，实现一个加热片上具备可并行工作的多个加热单元；采用直流电源获得焦耳热，应用铝制热沉平台进行有效散热，以实现快速的响应和稳定的温度控制。本发明体积微小，易于与光学系统相结合以实现实时观测，且耗能低至毫瓦级。本发明不仅能够实现微米尺度面积上温度的局部控制，而且易于与微流动系统高度集成，实现在生物和化学领域高通量分析。
【专利说明】一种新型微加热器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微加工【技术领域】，具体涉及一种可以实现微米尺度面积上温度均匀分布和局部有效控制，各单元可以独立工作，并且与微流动系统高度集成的微加热器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]近二十年来，随着微流体技术的兴起和快速发展，越来越多的研究人员尝试采用微流体芯片技术进行生物、化学分析等方面的研究。通过采用微泵、微阀门等新型技术，实现了对流体流动过程的精确控制。基于微流体芯片上的生物学和化学方面的研究，除了需要准确地控制流体的成分比之外，很多课题研究还需要精确的温度控制，例如细胞学、基因工程中的聚酶链反应等。用于培养细胞的传统恒温箱显然不适合与微流体芯片结合，实现实时观测。比较简单、直接的方法是将微流体系统直接放置在设定为37°C的加热板上，进行哺乳类细胞学的研究。但是该方法并没有实现微流体系统和加热系统的有效结合以实现整个实验系统的集成化。虽然国外也有人提出将铟-锡氧化物加热片(Indium tin oxide(ITO))置于微流体系统中以实现流动系统与温度控制系统的有机结合，但是却没能有效实现温度的局部控制。
[0003]与此同时，如何实现微小尺度下温度的准确测量成为很多应用研究方面的技术难题。文献中采用荧光染料-罗丹名B (Rhodamine B)对微流体器件的温度场进行测量，该物质的荧光强度具有随温度的升高而降低的特性。尽管该方法简单、易操作，但由于很多微流体器件采用聚二甲硅氧烷(PDMS)材料制作，该材料的多孔性所产生的渗透压会造成罗丹名B被不断地吸附到通道壁面，从而造成测量误差。而红外线探测器又受到操作环境和被测量器件表面条件的限制，使其很难在微流体芯片测试中得到广泛应用。
【发明内容】
[0004]本发明针对现有技术不能实现微米尺度面积上温度均匀分布和局部有效控制，并同时与微流体系统高度集成的技术问题，利用现有的软光刻微加工技术，提出一种新型的微加热器及其制备方法。
[0005]本发明的目的在于提供一种易于与微流体流动系统进行集成，并能实现温度的局部有效控制的微加热器，以便为生物及化学方面的研究提供局部温度的精确控制。
[0006]本发明提出的一种新型的微加热器，由承载玻璃片1、镀金导电涂层2、加热单元
4、电极柱5和铝制热沉平台6组成，承载玻璃片I位于铝制热沉平台6上方，承载玻璃片I表面镀有一层铬层，所述铬涂层表面镀有一层金层，通过对金层进行化学蚀刻，在承载玻璃片I表面得到所需几何形状的镀金导电涂层2 ;通过对铬层进行化学蚀刻，在承载玻璃片I表面得到所需几何形状且均匀分布的加热单元4，相邻的加热单元4通过并联连接；承载玻璃片I未镀金与铬面与铝制热沉平台6通过高效导热剂7进行粘接；镀金导电涂层2上设置电极柱5。[0007]本发明中，所述加热器通过直流电源供电。
[0008]本发明提出的一种新型微加热器的制备方法，具体步骤如下: (1)承载玻璃片I上表面镀50nm厚的铬涂层，之后在所得铬涂层表面上镀一层150nm厚的金涂层，得到镀金-铬的承载玻璃片I ;
(2)采用高速旋转涂层机将正性光刻胶S1813在镀金-铬的承载玻璃片I上进行涂层，厚度为2 —;然后，经过一分钟的95度高温加热、紫外光曝光，将所需要的几何结构影印到镀金-铬的承载玻璃片I上，采用显影剂MF319进行显影；应用蚀刻溶液Gold EtchantTFA对镀金导电涂层进行化学蚀刻，然后采用丙酮对蚀刻后的金-烙承载玻璃片I进行清洗，以除去剩余的正性光刻胶S1813，即获得所需几何结构的镀金导电涂层2 ；
(3)再次采用正性光刻胶S1813重复第二步的工作，但与第二步不同的是，将加热单元4的几何结构影印到承载玻璃片I上，采用蚀刻溶液ChiOme Etch 18对铬层进行蚀刻，获得所需的若干个独立加热单元4 ；
(4)采用热致变色液晶材料对加热单元4的供热温度进行标定。
[0009]本发明中，所述一种新型微加热器，采用直流电源供电。由于金具有极高的导热能力，金部位产生的热量通过热沉散发到环境中去，而铬的导热能力相对于金很弱，因此，铬部位产生的热量除一部分通过热沉散发到环境中去，其余的热量则用于实验所需。为使每个单元的热量均匀分布，我们采用优化的几何结构设计。金对并联的多个加热单元起到导电、导热和连接作用。
[0010]本发明中，所述一种新型微加热器，采用热致变色液晶材料对其供热温度进行标定，该材料的工作范围从20°c到40°C，即显色范围，当超出这个范围时，显示为无色。该产品在温度达到19.2°C时可视；当温度达到19.9°C时，开始显现红色；随着温度升到23.2°C，绿色开始显现；当温度达到36.(TC时，开始显现蓝色。
[0011]本发明涉及一种新型的微加热器，与现有广泛使用的加热器相比，其特点及优势在于:
(1)本发明微型加热器与传统的加热装置相比，体积微小，易于与流动芯片集成，易于实时观测，并且能耗极低，操作简单方便，造价低廉；
(2)本发明微型加热器可以实现微米尺度面积上温度的局部有效控制，并且各单元可以独立工作，可同时进行多项实验操作。
[0012](3)本发明可以与微流动系统高度集成，实现细胞学、基因工程中的聚酶链反应等研究所需要的温度的精确控制；可以与微流体芯片及光学仪器结合，实现微生物培养等实验的实时观测。
[0013](4)本发明微型加热器基于先前的深入研究，对每个加热单元的几何结构进行了优化设计，已达到每个微米尺度加热单元上热量的均匀分布。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为新型微加热器镀层平面布置图；
图2为加热单元结构图示；
图3为新型微加热器结构示意图；
图4为采用加热器系统(0V≤U≤5.0V)得到的TLC (SLN40/R20C20W)色彩值随温度变化；
图中标号:1为承载玻璃片，2为金涂层，3为镀铬涂层，4为加热单元，5为电极柱，6为招制热沉平台，7为高温导热剂(Arctic Silver 5)。
【具体实施方式】
[0015]以下结合附图1-4和发明人依本发明的技术方案所完成的具体实例，即本发明结构、制备过程及温度标定步骤，对本发明作进一步的详细描述。
[0016]实施例1:
如图1和2所示，本发明提出的一种新型微加热器，由承载玻璃片1、镀金导电涂层2、加热单元4 (镀铬涂层3)、电极柱5和铝制热沉平台6组成，承载玻璃片I的直径为5cm，厚度为0.5mm ;镀金导电涂层2的厚度为150nm ;镀铬涂层3的厚度50nm ;铝制热沉平台直径为5cm,厚度为4cm。
[0017]所述一种新型微加热器，其制备方法:首先，承载玻璃片I上表面镀50nm的铬涂层，之后在铬涂层表面上镀一层150nm厚的金涂层。其次，采用高速旋转涂层机将正性光刻胶S1813在镀金-烙的承载玻璃片I上进行涂层，厚度为2 _ ;之后，经过一分钟90度高温加热、紫外光曝光，将所需要的几何结构影印到承载玻璃片I上，采用显影剂MF319进行显影。应用蚀刻溶液Gold Etchant TFA对镀金涂层进行化学蚀刻，采用丙酮对蚀刻后的金-烙承载玻璃片I进行清洗，除去剩余的正性光刻胶S1813，获得所需几何结构的镀金导电涂层2。最后，再用正性光刻胶S1813重复第二步的工作，但与第二步不同的是，将加热单元4的几何结构影印到承载玻璃片I上，采用蚀刻溶液Chrome Etch 18对铬层进行蚀亥IJ，获得所需的九个独立加热单元4 (由镀铬涂层3组成)。
[0018]所述独立加热单元4中每个加热单元面积均是600X600 ,相邻加热单元之
间间距为3mm，每个加热单元面上温度分布均匀，之间并联连接，可以同时独立地完成多个测试单元的实验工作。为减少加热单元4与铝制热沉平台间6的热阻，承载玻璃片I未镀金-铬面与招制热沉平台6之间通过高温导热剂Arctic Silver 5进行粘接。
[0019]所述一种新型微加热器，采用直流电源供电。由于金具有极高的导热能力，金部位产生的热量通过热沉散发到环境中去，而铬的导热能力相对于金很弱，因此，铬部位产生的热量除一部分通过热沉散发到环境中去，其余的热量则用于实验所需。为使每个单元的热量均匀分布，我们采用优化的几何结构设计。金对并联的多个加热单元起到导电、导热和连接作用。
[0020]所述一种新型微加热器，采用热致变色液晶TLC材料对加热单元的供热温度进行标定，该材料的工作范围从20°C到40°C，即显色范围，当超出这个范围时，显示为无色。该产品在温度达到19.2°C时可视；当温度达到19.9°C时，开始显现红色；随着温度升到23.2°C，绿色开始显现；当温度达到36.(TC时，开始显现蓝色。将要测试的加热片的背面在不影响热量传递的前提下处理成黑色背景，然后将该TLC材料混合后均匀地涂在加热片的加热面上，同时要避免该材料暴露在紫外光或高温环境下。实验中采用LED白色光源和高精度彩色照相机(PL-B625 CMOS)以频率为7f/s、空间分辨率为2592 pixel X 1944 pixel进行数据采集，每个测量点连续采集30帧。采用图像分析软件ImageJ对采集的色图进行分析以获得R、G、B值。当采用直流电源对加热器供热时，所得到的色彩值R、G、B随着电压值(0.0V≤ U ≤
5.0V)的变化结果见图3。在室温为24°C时，当U=0.0V时，TLC呈现绿色，符合给定的材料性能；随着电压的增加，绿色值G逐渐降低，当电压达到U=2.8V时，蓝色B值开始大于其他两种颜色值，此时TLC呈现蓝色，即加热单元的表面温度达到36°C。当电压继续增大到U=4.5V时，TLC开始进入无色区域，即此时表面温度已经到达40°C。
[0021]本发明其中一个应用是找出适合哺乳类细胞生存所需的环境温度一 37°C所需的供电功率，因此需要对实验数据在2.8V≤U ≤ 4.5V的结果进行数据拟合，即找出37°C对应的电压值U=2.9V。加热片中每个加热单元的电阻为Rsingle=3 3 3 Ω，那么对应的功率Psingle=25.3mW。对于整个加热片所需要的总功率为Pttrtal= U2/Rtotal=212.4 mW。
【权利要求】
1.一种新型微加热器，由承载玻璃片(I)、镀金导电涂层(2)、加热单元(4)、电极柱(5)和铝制热沉平台(6)组成，其特征在于:承载玻璃片(I)位于铝制热沉平台(6)上方，承载玻璃片(I)表面镀有一层铬层，所述铬涂层表面镀有一层金层，通过对金层进行化学蚀刻，在承载玻璃片(I)表面得到所需几何形状的镀金导电涂层(2);通过对铬层进行化学蚀刻，在承载玻璃片(I)表面得到所需几何形状且均匀分布的加热单元(4)，相邻的加热单元(4)通过并联连接；承载玻璃片(I)未镀金与铬面与铝制热沉平台(6)通过高效导热剂(7)进行粘接；镀金导电涂层⑵上设置电极柱(5)。
2.根据权利要求1所述的新型微加热器，其特征在于所述加热器通过直流电源供电。
3.—种如权利要求1所述的一种新型微加热器的制备方法，其特征在于具体步骤如下: (1)、承载玻璃片(I)上表面镀50nm厚的铬涂层，之后在所得铬涂层表面上镀一层150nm厚的金涂层，得到镀金-铬的承载玻璃片(I); (2)、采用高速旋转涂层机，将正性光刻胶S1813在镀金-铬的承载玻璃片(I)上进行涂层，厚度为2 —;然后，经过一分钟的95度高温加热、紫外光曝光，将所需要的几何结构影印到镀金-铬的承载玻璃片(I)上，采用显影剂MF319进行显影；应用蚀刻溶液GoldEtchant TFA对镀金导电涂层进行化学蚀刻，然后采用丙酮对蚀刻后的金-烙承载玻璃片(I)进行清洗，以除去剩余的正性光刻胶S1813，即获得所需几何结构的镀金导电涂层(2); (3)、再次采用正性光刻胶S1813重复第二步的工作，但与第二步不同的是，将加热单元(4)的几何结构影印到承载玻璃片(I)上，采用蚀刻溶液Chrome Etch 18对铬层进行蚀亥IJ，获得所需的若干个独立加热单元(4)； (4)、采用热致变色液晶材料对加热单元(4)的供热温度进行标定。
【文档编号】B81C1/00GK103708410SQ201310676245
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月13日 优先权日:2013年12月13日
【发明者】李卓, 毛云峰, 徐海霞, 崔鹏义, 吴志根 申请人:同济大学