一种微流控芯片的封装方法与流程

本发明涉及硬质聚合物微流控芯片封装工艺的技术领域，具体涉及一种无残余应力的微流控芯片与基片粘结键合的封装方法。

背景技术：

微流控芯片，又称芯片实验室(Lab-on-a-chip)，是通过激光烧蚀、精密机械加工、模塑或光刻化学腐蚀等加工方法，在厘米尺度上的芯片内构建出复杂的微通道网络，从而将生物化学和医疗分析中的定量进样、液体混合、生化反应和分离检测流程进行集成的一种芯片。微流控芯片相比于传统的生化分析手段，微流控芯片具有体积轻巧、消耗样品及试剂量少、反应速度快和并行处理等优点。

目前，微流控芯片主要采用的加工材料是硬质聚合物。针对硬质聚合物的主要加工手段是激光烧蚀加工和精密机械加工。在激光烧蚀加工或精密机械加工过程中，由于微流控芯片上微流控结构的边缘表面受热，硬质聚合物材料发生汽化或熔化，从而形成蒸气或熔融态；在冷却系统作用下，蒸气或熔融材料在芯片表面发生重铸，但是由于冷却效率的不同，重铸层从外到内形成温度梯度，使得最终冷却的结构存在残余应力。在使用有机溶剂进行芯片的键合封装时，由于重铸层所存在的残余应力，芯片结构会出现翘曲和龟裂等现象。翘曲现象会导致键合过程中出现气泡，进而影响微流控结构截面的形状，降低芯片对微量液体的操作精度，甚至发生漏液现象；龟裂现象不仅会破坏微流控结构，而且龟裂现象还会持续扩散，从而严重影响芯片的键合封装，导致芯片失去功能。

因此，针对现有微流控芯片的加工过程中由于残余应力而引起的翘曲和龟裂现象，急需一种既能够有效地消除微流芯片加工过程中的残余应力，进而避免微流控芯片出现翘曲和龟裂现象的微流控芯片的封装方法。

技术实现要素：

针对现有微流控芯片的封装方法所存在的问题，本发明实施例提出一种在微流控芯片的封装过程中通过消除重铸层的残余应力的封装方法。该方法在微流控芯片加工之后、微流控芯片与基片粘结和键合之前，对微流控芯片进行热处理从而有效地消除在加工过程中导致的重铸层的残余应力，进而有效地避免微流控芯片出现翘曲和龟裂现象的微流控芯片的封装方法。

该微流控芯片的封装方法的具体方案如下：一种微流控芯片的封装方法，包括以下步骤：提供第一基板和第二基板；在所述第一基板的表面形成凹槽状微流控结构；在所述第一基板和所述第二基板上形成多个通孔；将所述第一基板和所述第二基板在预设温度下，加热预设时间；在所述第二基板的表面铺展并布满有机溶剂水溶液；将所述第一基板具有凹槽状微流控结构的表面盖合至所述第二基板具有有机溶剂水溶液的表面，静止至预设条件；将所述第一基板和所述第二基板进行加热，直至有机溶剂水溶液完全挥发。

优选地，所述预设温度的温度范围为70摄氏度至90摄氏度。

优选地，所述预设时间的时间长度范围为0.5小时至4小时。

优选地，所述有机溶剂水溶液包括丙酮、乙醇或氯仿。

优选地，所述有机溶剂水溶液的配置方法为：在室温下，配置1：20的丙酮水溶液。

优选地，所述预设条件为所述第一基板与所述第二基板之间的有机溶剂水溶液内的气泡完全自发排除。

优选地，所述第一基板和所述第二基板采用PMMA硬质聚合物材料的基板。

优选地，所述多个通孔包括进样孔、通气孔和封装定位孔。

优选地，所述第一基板和所述第二基板采用激光雕刻工艺进行加工。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例中所提供的微流控芯片的封装方法，通过在微流控芯片加工之后、微流控芯片与基片粘结和键合之前，对微流控芯片进行热处理从而有效地消除在加工过程中导致的重铸层的残余应力，进而有效地避免微流控芯片出现翘曲现象和龟裂现象。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种微流控芯片的封装方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中提供的一种微流控芯片的结构的示意图；

图3为与图1所示流程对应的封装工艺步骤示意图。

附图标记说明：

1、第一基板 2、第二基板 3、进样孔

4、通气孔 5、微通道 6、第一基板的定位孔

7、第二基板的定位孔

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1所示，本发明实施例中提供的一种微流控芯片的封装方法的流程示意图。在该实施例中，微流控芯片的封装方法包括七个步骤，具体步骤内容如下所述。

步骤S1：提供第一基板1和第二基板2。第一基板1和第二基板2采用PMMA硬质聚合物材料的基板，并且第一基板1和第二基板2采用激光雕刻工艺进行加工。第一基板1的厚度大于所述第二基板2的厚度，将第一基板1作为微流控芯片，将第二基板2作为用于封装微流控芯片的基板。在一具体实施例中，采用激光雕刻工艺在厚度为3毫米的PMMA硬质聚合物材料的基板上切割直径为100毫米的圆片，并将该圆片作为第一基板1；采用激光雕刻工艺在厚度为1毫米的PMMA硬质聚合物材料的基板上切割直径为100毫米的圆片，并将该圆片作为第二基板2。第一基板1作为微流控芯片，第二基板2作为用于封装微流控芯片的基板。当然，第一基板1和第二基板2的厚度也可为其他数值，如第一基板1厚度为2毫米、5毫米、8毫米、10毫米等，第二基板2的厚度为0.5毫米、1.5毫米、2毫米、3毫米、5毫米、8毫米等。第一基板1和第二基板2的直径也可为其他数值，如80毫米、150毫米、200毫米等。

步骤S2：在第一基板1的表面形成凹槽状微流控结构。采用激光雕刻、精密机械加工或热压工艺加工第一基片1，从而在第一基板1的表面形成凹槽状微流控结构。如图2所示，本发明实施例中提供的一种微流控芯片的结构的示意图。在该实施例中，凹槽状微流控结构为微通道5。微通道5具体为宽度1毫米、深度为2毫米的十字型凹槽状微通道结构。

步骤S3：在第一基板1和第二基板2上形成多个通孔。采用激光切割或精密机械加工工艺，在经过步骤S2后的第一基板1和第二基板2上分别加工多个通孔。多个通孔包括进样孔、通气孔和封装定位孔。如图2所示，在第一基板1的十字型凹槽状微通道5的入口处、出口处和微通道5以外的位置处，分别采用激光切割工艺加工直径为2毫米的进样孔3、直径为2毫米的通气孔4以及直径为1.5毫米的第一基板定位孔6。在第二基板2对应第一基板定位孔6的位置处，采用激光切割工艺加工直径为1.5毫米的第二基板定位孔7。

步骤S2和步骤S3中的进样孔3直径、通气孔4直径、微通道5的宽度和深度、第一基板定位孔6的直径以及第二基板定位孔7的直径，都是基于第一基板1为厚度3毫米、直径为100毫米以及第二基板2厚度为1毫米、直径为100毫米的实施例所设定的。如本领域技术人员所知，进样孔3直径、通气孔4直径、微通道5的宽度和深度、第一基板定位孔6的直径以及第二基板定位孔7的直径，具体的数值可根据需求作相应的变化，或者当第一基板和第二基板的参数变化时，具体的数值也可作相应的变化。

步骤S4：将第一基板1和第二基板2在预设温度下，加热预设时间。具体地，预设温度的温度范围为70摄氏度至90摄氏度，预设时间的时间长度范围为0.5小时至4小时。在一具体实施例中，将第一基板1和第二基板2放置于干燥箱内，并将干燥箱加热至75摄氏度，并将第一基板1和第二基板2在75摄氏度的干燥箱内维持1小时。

步骤S5：在第二基板2的表面铺展并布满有机溶剂水溶液。有机溶剂水溶液包括丙酮、乙醇或氯仿。在一具体实施例中，有机溶剂水溶液的具体的配置过程为：在室温下，配置1：20的丙酮水溶液。并将该配置的丙酮水溶液滴于第二基板2的表面上，并使得丙酮水溶液铺展并布满第二基板2的表面。

步骤S6：将第一基板1具有凹槽状微流控结构的表面盖合至第二基板2具有有机溶剂水溶液的表面，静止至预设条件。预设条件为第一基板1与第二基板2之间的有机溶剂水溶液内的气泡完全自发排除。具体地，将第一基板1带有微流控结构凹槽的表面盖于带有丙酮水溶液的第二基板2的表面上，并使第一基板1上的第一基板定位孔6与第二基板2上的第二基板定位孔7对准，然后静止至第一基板1与第二基板2之间的丙酮水溶液内的气泡完全自发排除。

步骤S7：将第一基板1和第二基板2进行加热，直至有机溶剂水溶液完全挥发。具体地，将通过丙酮水溶液粘接的第一基板1和第二基板2平放置于60℃的热板上，加热至丙酮溶液完全挥发，即可实现微流控芯片的键合封装，并得到具有封闭结构的微流控芯片。

如图3所示，为与图1所示流程对应的封装工艺步骤示意图。在该工艺步骤示意图中，步骤S1为较厚的第一基板1和较薄的第二基板2；步骤S2+S3为采用激光雕刻或切割在第一基板1上加工凹槽和通孔，并在第二基板2加工通孔；步骤S4为将第一基板1和第二基板2放置于干燥箱内，并加热至75摄氏度并保温1小时；步骤S5为将第一基板1和第二基板2从干燥箱中拿出，并在第二基板2的表面上滴加1：20比例的丙酮水溶液；步骤S6+S7为将第一基板1带有凹槽的表面盖至第二基板2滴有丙酮水液的表面，并加热，使得丙酮水挥发。最终，得到键合封装成功的微流控芯片。

本发明实施例中所提供的微流控芯片的封装方法，通过在微流控芯片加工之后、微流控芯片与基片粘结和键合之前，对微流控芯片进行热处理从而有效地消除在加工过程中导致的重铸层的残余应力，进而有效地避免微流控芯片出现翘曲现象和龟裂现象。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。