微流体装置的制作方法

本发明涉及一种微流体装置、一种用于微流体装置的基底和一种制造微流体装置的方法。

背景技术：

微流体装置是能够处理少量化学物质、生物化学物质或生物物质的装置，即用于其分析的装置。微流体装置可以包括微流体通道、阀和其它结构(包括传感器和用来操作的电路)。复杂的结构可以构建在例如尺寸为微米量级的半导体构件上。

微流体装置可以以具有微机械加工的基底和机械地、流体地并且电连接到基底的微流体构件的两部分形式构建。通常，基底包括微机械加工的通道板。通常，微流体构件包括微机械加工的流体芯片。将微流体构件安装在基底上的常用方法称为倒装芯片技术。在倒装芯片技术中，基底和微流体构件中存在的机械结构、微流体结构和电气结构可以通过在彼此面对的相应部件的表面中相互对应连接来连接。此种连接包括微流体通道的相应进入端口、以及机械连接和电连接，微流体通道贯穿基底并且在微流体构件中延伸。

微流体装置可以有利地用于高温应用中，诸如气相色谱法，其中，当受到温度变化时，流体连接和电连接的鲁棒性起到了关键作用。在此种应用中，流体连接通常应该是气密的，通常高达5巴并且没有泄漏率或泄漏率非常低，并且电连接应该是低欧姆的。通常，组件应保持完整的温度范围为-20至+200℃。

为了进行如上所述的机械和流体连接，微流体构件和基底可以使用粘合剂层进行连接。粘合剂层可以通过使用夹在基底和微流体构件之间的预成型层，或者通过将粘合剂施加到被指定用于将部件机械地连接在一起的机械结构来形成。电连接可以通过使用导电凸块(例如夹在两个相对表面之间的相应接触垫之间的金凸块)来实现。当微流体构件安装在基底上时，导电凸块电结合到相应接触垫。

通常，微流体装置可以具有3至15mm量级的尺寸，但是可以应用更大或更小的尺寸。微流体装置中的电连接的尺寸通常可以在50至300微米的范围内，而微流体进入端口的尺寸可以在50至1500微米的范围内。利用如此小的尺寸，微流体进入端口和其相关联的通道用作毛细管。利用具有如此小尺寸的结构将微流体构件粘附地连接到基底上需要施加粘合剂，该粘合剂待图案化并在基底和微流体构件之间进行精确对准。未对准和过量的粘合剂可能会由于其毛细作用导致粘合剂从机械连接结构溢出到基底和/或微流体构件的功能部件，由此不利地影响它们的功能。解决该问题的一种方法是通过以图案化粘合剂预成型件的形式施加粘合剂。但是，这需要额外的构件(即预成型件)，该构件还需要精确的图案化、定位和对准。此外，以这种方式形成粘合剂结合需要对微流体构件和基底施加相当大的压力，这可能导致机械应力或者甚至损坏任一微流体部件。另一个缺点是，在组装期间空气可能被捕获在预成型件和构件的表面之间，从而导致差的粘合性。在本领域中，垫圈已被用于密封微流体通道并防止密封剂(即粘合剂)溢出到这些通道和端口中，从而损害微流体功能和完整性。垫圈的使用也需要单独的构件(即垫圈)，该构件也需要定位和对准。此外，此种垫圈需要机械应力来执行所需的密封。

此外，在本领域中，例如，如美国专利no.8916111中所描述的，粘合剂被施加在基底和微流体构件之间的空腔中作为底部填充物，以提供这些部件之间的附加结合强度。然而，该解决方案与温度变化所需的鲁棒性不相兼容。用于此目的的粘合剂与基底材料之间的热膨胀系数之间的差异可能引起基底与微流体构件之间的机械张力并引起在基底或微流体构件内的结合的后续释放和/或微流体结构的后续泄漏。被捕获在空腔内相对较厚的粘合剂层(即底部填充物)中的气泡也可能膨胀并导致在热循环期间基底和粘接到基底的微流体构件之间的结合的断裂。有时，这被称为爆米花效应。微流体构件的分层或剥离从局部释放开始，然后其传播通过基底表面和微流体构件之间的粘合剂层的较大部分。

在流体连接和电连接的组合的情况下，由于用于电连接的接触凸块的材料(诸如金和硅)具有不同的热膨胀系数，所以将发生热应力。通常，由于金凸块中的应力过高，存在失去电连接的风险。

技术实现要素：

本发明的一个目的是克服如上所述的问题和缺点。该目的在用于微流体装置的基底中得以实现。基底包括至少一个微流体结构和第一凸起支撑结构，微流体结构在基底的上表面处具有至少一个进入端口，第一凸起支撑结构布置在上表面上邻近每个进入端口并围绕进入端口。第一凸起支撑结构部分地覆盖基底上表面。第一凸起支撑结构具有用于容纳粘合剂以安装微流体构件的上表面，该微流体构件具有与基底的至少一个进入端口对应的至少一个进入端口。

进入端口是基底上表面或微流体构件下表面中的开口，其分别为构件本体的基底本体上或内的微流体结构提供流体通路。微流体结构可以包括微流体通道、导管、传感器、阀等等。

第一凸起支撑结构对至少一个进入端口包围优选地通过不间断的方式，不留下横向开口。这用于密封进入端口，并且从而将相关的微流体通道从基底表面进行密封。

在施加粘合剂之后，微流体构件可以随后被安装在粘合剂层的顶部上。微流体构件在下表面具有对应的端口，以与基底的端口匹配。这也被称为倒装芯片设计。这种解决方案的一个优点是粘合剂可以在不对准的情况下施加在这些表面上。在安装时，微流体构件需要与凸起支撑结构对准，因此粘合剂的施加是相对直接的。粘合剂的流动被限制在凸起支撑结构的上表面，从而防止溢出到基底和/或微流体构件的功能部件。

在安装后，凸起支撑结构和粘合剂一起形成基底和微流体构件之间的机械和流体连接。此外，凸起支撑结构和粘合剂在基底与微流体构件的相应端口之间形成密封连接。

除了第一凸起支撑结构之外，基底还包括：

-至少一个第二凸起支撑结构的图案，其具有与凸起支撑结构基本相同的高度，至少一个第二凸起支撑结构具有用于容纳粘合剂以安装微流体构件的上表面，其中，

-图案占据基底的上表面的未被第一凸起支撑结构和/或至少一个进入端口覆盖的那部分。

第二凸起支撑结构(即附加凸块)为待安装在基底顶部上的微流体构件提供附加的机械支撑。第二凸起支撑结构不提供对相应端口之间的流体连接的密封。在俯视图中，第二凸起支撑结构可以具有正方形、矩形或圆形的形状。圆形的第二凸起支撑结构或凸块可能甚至更好地考虑了诱导应力和粘合剂的应用。

第二凸起支撑结构的图案提供了整个基底表面上的机械张力的扩展。通过施加与第一凸起支撑结构中相同的粘合剂，基底和微流体构件之间的空腔中不需要另外的粘合剂来提供其足够的结合。因此，防止了由于另外的粘合剂和基底材料之间不均匀或不相等的膨胀系数引起的机械应力。

最小量的粘合剂被直接施加到第二凸起支撑结构的顶部上，因此不需要将粘合剂流动到需要进行结合的区域。由此，防止了空腔的污染、过早固化、不期望的填充等。由于粘合剂接触面积小并且与粘合剂边缘的距离短，所以空气在粘合剂层中的封闭是不太可能的。由于没有使用底部填充物，凸块之间的压力总是释放到环境压力。

在一个实施例中，凸起支撑结构具有宽度和高度。优选地，宽度具有在高度尺寸的1至10倍的范围内的尺寸。

在一个实施例中，至少一个第二凸起支撑结构的图案包括第二凸起支撑结构之间的凹槽。凹槽可以通过例如光刻、蚀刻、激光烧蚀或其它技术容易地形成，以实现尺寸上的微米精度，其中基底的顶表面材料被去除以形成凹槽。凹槽防止空气被捕获在组装构件之间的气穴中。由于第二凸起支撑结构的图案中的凹槽，图案具有不连续或间断的特性。避免了大的表面积。因此，减小了在基底和微流体构件之间的粘合剂结合中通过局部断层的传播而剥离的风险，因为局部断层可能在凹槽处停止。

在一个实施例中，图案优选地基本上是规则图案，从而在整个基底表面上提供均匀的机械张力的分布。

凸起支撑结构为粘合剂提供了偏移，由此减少了在基底和微流体构件之间建立牢固结合所需的粘合剂的量。粘合剂可以整体施加在基底上表面的凸起支撑结构上的薄层中。粘合剂量的减少防止粘合剂溢出到端口中并阻塞基底和/或构件内的微流体结构。此外，偏移避免了对通常用于将基底与微流体构件进行结合的预成型的图案化粘合剂片的需求。此种图案化的片需要与基底大量对准，而凸起支撑结构只需要施加粘合剂，其可以通过在基底的整个顶表面(即凸起支撑结构的顶面)上的单次施加操作来进行。

在一个实施例中，基底材料优选为半导体材料。优选材料是硅。硅坚固耐用，腐蚀性非常低，并且允许产生高度精确的微米结构或甚至纳米结构。

也可以考虑其它材料。重要的是基底材料是低腐蚀性材料。这防止了基底以及与基底表面接触的流体(即液体或气体)之间的相互作用。

低腐蚀性基底材料的示例是玻璃、石英、塑料、环氧树脂。在玻璃或石英中，可以产生微流体结构，但是其精度比硅低。塑料和环氧树脂允许大量生产适用于特定流体的低成本设备。

另一方面，考虑一种微流体装置。微流体装置包括：

-如上所述的基底，

-微流体构件，其在下表面处具有至少一个进入端口，该端口与基底上表面的至少一个进入端口对应，

-微流体构件，其利用施加在至少一个第一凸起支撑结构和/或第二凸起支撑结构的上表面与微流体构件的下表面之间的粘合剂安装在基底的顶部上。

组合结构提供了如上所述的优点。

在微流体装置中，根据倒装芯片技术，基底上表面的结构与微流体构件底表面的相应结构匹配。

在一个实施例中，粘合剂优选地仅被施加在至少一个第一凸起支撑结构和/或第二凸起支撑结构的上表面与微流体构件的对应表面之间。这在凸起支撑结构之间留下了自由空间，从而在微流体构件安装在基底的顶部时允许释放过量空气。过量空气的释放也防止了在粘合剂内形成气泡。

在一个实施例中，根据微流体装置的类型和待被微流体装置处理的流体，粘合剂可以选自下组的粘合剂，该组粘合剂包括：环氧树脂、聚酰亚胺、高温陶瓷粘合剂、旋涂玻璃和玻璃料。环氧树脂在化学友好的环境(即流体)中在低温下提供充分的密封，而高温陶瓷粘合剂为高温应用提供更充分的密封。旋涂玻璃提供了可溶于水的优点，从而允许易于施加在支撑结构的上表面上。因此，在热处理后，实现最佳的密封和防腐蚀。使用玻璃料可以获得更好的结果，玻璃料可以以浆料形式施加到凸起支撑结构上表面上。在热处理后，实现最佳的密封和机械结合。由于粘合剂可以作为基底的凸起结构与微流体装置的相应结构之间的薄层来施加，因此实现了非常可靠的机械和流体密封的连接。避免了高度准确地对准粘合剂施加或粘合剂预成型件对准的需要，而维持了通道的流体端口的完整性，从而避免了对垫圈的需要。

在一个实施例中，微流体装置还包括基底和微流体构件的电连接，电连接包括被压在基底的接触垫和微流体构件的接触垫之间的接触凸块，其中，粘合剂层具有厚度，其中，粘合剂层的厚度和至少一个第二凸起支撑结构的高度被调整为接触凸块的大小。凸起支撑结构上的粘合剂层的厚度可以用于调节由于热膨胀引起的接触凸块中的应力。通常，粘合剂层具有低弹性模量，然而硅为高弹性模量。接触凸块具有介于两者之间的弹性模量。这使得调整粘合剂层的厚度成为可能，使得所产生的应力接近于零，而与温度无关。粘合剂层的厚度可以通过适当的涂覆工艺或者通过使用混合到粘合剂中的间隔颗粒来控制。

在一个实施例中，接触凸块由金制成。

在一个实施例中，基底的接触垫被布置在凸起支撑结构上。在这种情况下，当使用各向异性导电粘合剂(即，包含导电颗粒的粘合剂)时，导电路径形成在基底和微流体构件上的具有彼此压在一起(在凸起支撑结构的顶部)的接触垫的区域中，而在其它区域中没有电传导。

在一个实施例中，接触凸块由其上设有导电层的弹性材料制成。由此，粘合剂层通过接触凸块的弹性压缩来维持其间施加有粘合剂的表面的任何不均匀性。

本发明的示例性实施例将在下面阐述的附图中进一步说明。

附图说明

图1a示出了根据本发明实施例的微流体装置的基底的横截面。

图1b示出了根据图1a的基底的俯视图。

图2a示出了根据本发明实施例的微流体装置的微流体构件的横截面。

图2b示出了图2a的微流体构件的俯视图。

图3a示出了根据本发明实施例的微流体装置的横截面。

图3b示出了图3a的微流体构件的俯视图。

图4a至图4b示出了根据本发明实施例的制造微流体装置300的方法。

图5a示出了根据本发明实施例的微流体装置的横截面的细节。

图5b示出了根据本发明实施例的微流体装置的横截面的另一细节。

本发明的实施例的示例将在下面阐述的描述中进一步说明。

具体实施方式

图1a示出了可用于微流体装置中的基底101的示例。基底101可以设有微流体通道103，微流体通道可以具有微流体输入和/或输出，其未在图1a中示出。微流体通道在基底101的顶表面110处具有进入端口111。

基底101还可以包括微流体传感器和/或其它微流体构件，其未在图1a中示出。基底101设有接触垫105以用于将微流体装置内的电子构件或机电构件电连接到例如电子设备的电源、电子控制电路和其它电子部件。

基底101可以由包括硅、锗、砷化镓、陶瓷、聚合物和类似材料的半导体材料制造。可替代地，基底材料可以是玻璃。相应部件101、201内的结构可以通过本领域技术人员已知的方法和技术来制造。凸起支撑结构104可以例如通过蚀刻掉基底表面材料来形成。因此，保留凸起支撑结构104。凸起支撑结构104具有顶表面，顶表面可以设有粘合剂以用于将诸如微流体芯片的微流体构件附接在基底101的顶部以形成微流体装置。

为了改善基底101和微流体构件的机械结合，可以独立于围绕进入端口的凸起支撑结构104，在基底101的上表面110的顶部形成微凸块107作为附加的凸起支撑结构。这些微凸块107也具有顶表面，顶表面可以设有用于将微流体构件附接到基底101的粘合剂。

如图1a所示，微凸块107可以通过在相应的支撑结构107之间形成凹槽108来形成。同样，这适用于在凸起支撑结构104和凸起支撑结构107之间形成的凹槽108。

凸起支撑结构104和微凸块107示出为具有高度h。这些结构104、107的相应高度可以不同。

图1b示出了根据图1a的基底的俯视图。凸起支撑结构104围绕进入端口111。通常，凸起支撑结构104具有与进入端口111的最小宽度相同数量级的宽度w。这允许将少量的粘合剂施加到凸起支撑结构的顶表面以用于附接微流体构件，同时相对于将粘合剂施加到与基底101接触的微流体底表面对应的基底的顶表面，实现了基底101和微流体构件之间的强结合。这同样适用于微凸块107的宽度，微凸块在将微流体构件结合到基底101时提供额外的强度，同时需要相对较少量的粘合剂。优选地，支撑结构104、107的宽度选择为在使用最小接触面积的情况下提供足够的结合力。通常，凸起支撑结构104、107的宽度w/高度h比在1至10的范围内变化，从而提供足够的稳定性和顶表面积来施加粘合剂。为了基底与微流体装置之间更稳定的连接，额外的支撑结构通常均匀地分布在基底顶表面110上未被用于界定进入端口111的凸起支撑结构104占据的位置处。附加的凸起支撑结构可以以规则图案布置在基底表面110上，诸如如图1b中所示的矩形图案。这允许施加到安装在基底101的顶部的微流体构件的任何力均匀地分布在基底101上。

图2a示出了根据本发明实施例的微流体装置的微流体构件的横截面。类似于基底101，微流体构件201可以具有微流体通道203、微流体传感器和/或用于执行其微流体功能的其它构件。电连接经由接触垫205实现，该接触垫可以使用例如导电凸块连接到基底101上的对应接触垫105。

图2b示出了图2a的微流体构件的仰视图。下表面202将与基底101的顶表面110结合。进入端口211对应于基底的进入端口111。

图3a示出了微流体装置300的横截面，其包括如上所述的基底101和微流体构件201。

导电凸块306提供基底的接触垫105与微流体构件的对应接触垫205之间的电连接。导电凸块306可以是金凸块的形式。可以考虑电连接和结合的替代装置，例如，焊料凸块或焊料预成型件。

所描述的基底101的特征103至108的所有尺寸处于典型的微加工范围内，例如，在1至1500微米的量级。凸起支撑结构104和微凸块107的顶表面设有薄层粘合剂309，薄层粘合剂可以具有大约2至10微米量级的厚度。

基底和微流体构件201借助于与微流体构件201的微流体通道203的进入端口211定位和对准的凸起支撑结构104顶表面上的粘合剂层309机械且流体地连接并流体地密封。实际上，支撑结构104的高度和宽度可以在5至250微米的量级，并且粘合剂层309的厚度可以在2至10微米的量级。微结构的高度可以适应于导电凸块106的尺寸，或者反之亦然。

粘合剂包括环氧树脂、高温陶瓷粘合剂和玻璃料。这些粘合剂可以整体施加到凸起支撑结构104、107的顶表面，而不需要大量的定位和/或对准。粘合剂可以例如借助于转印方式来施加。待施加的粘合剂的量和粘度被选择为使得凸起支撑结构104、107之间的凹槽108保持打开。这减小了基底101和微流体构件201之间的机械张力，并且允许多余的空气在将微流体构件201结合到基底101的同时逸出。同样，以相同的方式防止进入端口111、211的阻塞。

在凸起支撑结构104的顶部仅需要施加相对少量的粘合剂。这防止过量的粘合剂流入下层微流体通道103的进入端口111。在将微流体构件201安装到基底101的同时，附加凸起支撑结构的顶部上的相对少量的粘合剂还允许凸起支撑结构104、107与微流体构件下表面202之间的过量空气逸出，以确保微流体构件和基底101的顶表面110之间的均匀结合且没有气泡。

图3b示出了图1a的微流体装置300的俯视图。它示出了当微流体装置安装在基底101上时基底101的顶表面110和微流体构件201的顶表面204。基底101的接触垫105被暴露用于电供应并控制微流体装置300。微流体输入和输出未在基底101的顶面110上示出，以用于将装置300的微流体通道103微流体附接到另外的装置和/或设备。

图4a示出了用于将粘合剂层404施加到基底上表面110的示例性方法400。例如借助于粘合剂分配器将粘合剂施加到可旋转印模401。可以例如通过以所需的速度和时间旋转印模401来确定粘合剂的量(即粘合剂层厚度)，以实现期望的厚度和均匀性。

在图4a中，示出了一定量的粘合剂406均匀地分布在印模401的底表面上，而印模401位于基底101的顶表面上方。

在图4b中，示出了印模401可以朝基底上表面110降低，使得印模401的底表面处的粘合剂406可以转移到凸起支撑结构104、107的顶表面上以形成将微流体构件201结合到基底101的粘合剂层309，如图3a所示。

微流体构件201可以安装在粘合剂层309的顶部，粘合剂层施加在基底101的凸起支撑结构104、107的上表面上。可以使用例如适于定位和对准半导体装置的机器人臂，将微流体构件201相对于基底顶表面110进行定位和对准并放置在基底101的顶部，从而实现根据图3a和图3b的装置。

当将微流体构件201安装在基底101的顶部上时，一定量的压力施加在微流体构件201上，以便使粘合剂接触微流体构件201的下表面202，从而确保下表面202与粘合剂层309中的粘合剂完全接触。在机械和流体连接的同时，所施加的压力还允许通过压缩接触垫105、205的重叠部分之间的接触凸块306分别将电连接结合在基底101的接触垫105、205的重叠部分和微流体构件201之间。

在图5a中，示出了位于基底101和微流体构件201之间的微流体装置100的边缘处的电连接的示例。接触凸块306被示为位于基底101和微流体构件201的各自接触垫105和205之间。粘合剂层309的厚度h被选择成使得其与图5a所示的压缩状态中的接触凸块306的尺寸以及凸起支撑结构的尺寸相匹配，使得产生的热应力被最小化。

在图5a中，示出了位于基底101和微流体构件201之间的微流体装置100的边缘处的电连接106的示例。接触凸块306被示为位于基底101和微流体构件201的各自接触垫105和205之间。粘合剂层309的厚度d被选择成使得其与接触凸块的尺寸相匹配。由于微流体构件201按压在基底101的顶部，所以图5a中的接触凸块306以压缩状态示出。

在图5b中，示出了用于建立电连接106的替代方法。多个接触凸块501预先分布在粘合剂层309内。接触凸块501设有导电外层。基底接触垫105布置在基底101的边缘处的凸起接触支撑结构502上。具有接触凸块501的粘合剂503被施加在基底101的顶表面上，使得微凸块107、凸起接触支撑结构502以及接触垫105的顶部上的暴露表面被具有接触凸块501的粘合剂覆盖。凹槽108保持没有粘合剂。当微流体构件201位于基底的顶部时，粘合剂层内的接触凸块501用作微凸块107附近的间隔件，并分别提供基底101的接触垫105与微流体构件201的接触垫205之间的电接触。

接触凸块501可以由诸如热塑性材料的弹性材料或甚至金属制成。上述的实施例仅通过示例方式来描述，并且不限制如下所述的权利要求的保护范围。

附图标记

101基底

103微流体通道

104支撑结构

105接触垫

106电连接

107附加的支撑结构或微凸块

108凹槽

110基底上表面

111进入端口

201微流体构件

202下表面

203微流体通道

204微流体构件顶表面

205接触垫

211进入端口

300微流体装置

309粘合剂

306接触凸块

400用于将粘合剂施加到印模的装置

401可旋转印模

402驱动轴

403粘合剂分配器

404粘合剂

406分配的粘合剂

501接触凸块

502凸起接触结构

503具有接触凸块的粘合剂