复合型微流控芯片及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种微流控芯，特别涉及一种复合型微流控芯片及其制备方法，属于微纳加工技术领域。


背景技术：

2.微流控芯片以其流体流动可控、消耗试样和试剂极少、分析速度成十倍上百倍地提高等特点,不但可以在几分钟甚至更短的时间内进行上百个样品的同时分析,并且可以在线实现样品的预处理及分析全过程等优势，在全世界范围内引起广泛的关注和大量的研究。而且作为新一代疾病即时检测系统的关键核心部件，具有十分重要的意义。
3.微流控芯片是在普通毛细管电泳的基本原理和技术的基础上，利用微纳米加工技术在硅、石英、玻璃或高分子聚合物基质材料上加工出各种微细结构，如管道、反应池、电极之类的功能单元，完成生物和化学等领域中所涉及的样品制备、生化反应、处理(混合、过滤、稀释)、分离检测等一系列任务，具有快速、高效、低耗、分析过程自动化和应用范围广等特点的微型分析实验装置。
4.现有微流控芯片的结构如图1所示，目前通常是采用半导体技术在玻璃、硅或聚合物衬底上形成微流控沟道，然后再通过半导体工艺在上面沉积电极结构，但是这种结构下，在侧壁沉积电极金属时，难以控制金属层的均匀性和连续性，从而造成电极的断路而影响器件效果，而且对于需要在一定温度下进行反应或检测的微流控芯片，难以保证检测所需要的温度。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种复合型微流控芯片及其制备方法，本发明提出在玻璃/石英/硅/聚合物等衬底上，构建出三层结构，底层上通过半导体技术沉积测试电极，中间层刻蚀出用于流体流动的微流控通道，上层制备具有温度控制的加热系统，从而克服目前微流控芯片的缺点。
6.为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
7.本发明实施例一方面提供了一种复合型微流控芯片，包括依次叠设的测试结构层、微流控通道层和加热结构层，其中，所述测试结构层包括测试电极，所述加热结构层包括加热电极；
8.所述微流控通道层和测试结构层之间设有可供待检测流体流动的微流控通道，所述加热结构层与微流控通道层之间还设有一收容腔体，所述测试电极设置在所述微流控通道内，所述加热电极设置所述收容腔体内；
9.以及，测试电极引出机构和加热电极引出机构，所述测试电极引出机构、加热电极引出机构分别与所述测试电极、加热电极电连接。
10.在一些较为具体的实施方案中，所述测试结构层包括第一基片和测试电极，所述第一基片的第一面上设置有第一凹槽，所述测试电极设置在所述第一凹槽内，且所述第一
凹槽与所述微流控通道层围合形成所述的微流控通道。
11.在一些较为具体的实施方案中，所述测试结构层包括多个间隔设置的测试电极，相邻两个测试电极之间形成有可供待检测流体流动的第一流道，其中，所述第一流道为所述微流控通道的一部分。
12.在一些较为具体的实施方案中，所述测试电极引出机构经第一导电通道与所述测试电极电连接；
13.在一些较为具体的实施方案中，所述第一导电通道包括沿厚度方向贯穿所述加热结构层、微流控通道层的第一通孔以及填充在所述第一通孔内的导电材料；
14.在一些较为具体的实施方案中，所述第一通孔的孔径为50
‑
1000μm；
15.在一些较为具体的实施方案中，所述测试电极的厚度为100
‑
1000nm。
16.在一些较为具体的实施方案中，所述微流控通道层包括第二基片，所述第二基片具有背对设置的第二面和第三面，所述第二面与所述第一面固定结合，且所述第二面上设置有至少一个可供待检测流体流动的第二流道，所述第二流道与所述第一凹槽围合形成所述的微流控通道；
17.所述第三面与所述加热结构层固定结合，且所述第三面上设置有第二凹槽，所述第二凹槽与所述加热结构层围合形成所述的收容腔体，其中，所述第二凹槽的表面还形成有毛细结构。
18.在一些较为具体的实施方案中，所述第二凹槽与所述微流控通道之间的第二基片厚度为一般为几十纳米到几百微米之间，以满足待检测流体的加热需要。
19.在一些较为具体的实施方案中，所述加热电极与所述微流控通道层于其厚度方向上距离一般为几微米到几十微米，以来保持相对较好的温度辐射。
20.在一些较为具体的实施方案中，每一所述第一流道还与一第二流道相对应，且所述第一流道的宽度大于所述第二流道的宽度，而使由一第一流道与一第二流道形成的一微流控通道的截面呈凸字形；
21.在一些较为具体的实施方案中，所述第一流道和第二流道的宽度为1
‑
5000μm。
22.在一些较为具体的实施方案中，所述加热结构层包括第三基片和加热电极，所述第三基片具有背对设置的第四面和第五面，所述第四面与所述第三面固定结合，其中，所述加热电极固定设置在所述第四面上，且所述加热电极与所述微流控通道层无直接接触。
23.在一些较为具体的实施方案中，所述加热电极的厚度为100
‑
5000nm。
24.在一些较为具体的实施方案中，所述测试电极引出机构和加热电极引出机构设置在所述第五面上，以及，所述加热电极引出机构还经第二导电通道与所述加热电极电连接。
25.在一些较为具体的实施方案中，所述第二导电通道包括沿厚度方向贯穿所述第三基片的第二通孔以及填充在所述第二通孔内的导电材料。
26.在一些较为具体的实施方案中，所述第二通孔的孔径为50
‑
1000μm。
27.在一些较为具体的实施方案中，所述第一基片、第二基片和第三基片包括玻璃基片、硅基片、石英基片和聚合物基片中的任意一种。
28.本发明实施例还提供了所述的复合型微流控芯片的制备方法，包括：
29.提供第一基片，在所述第一基片的第一面上形成测试电极；
30.提供第二基片，在所述第二基片的第二面上加工至少一个第二流道；
31.提供第三基片，在所述第三基片的第四面上形成加热电极；
32.将所述第一基片、第二基片、第三基片依次叠设并结合为一体，其中，所述测试电极设置在由所述第一基片的第一面和第二流道围合形成的可供待检测流体流动的微流控通道内，所述加热电极设置在位于所述第二基片与第三基片之间的收容腔体内，且所述加热电极与所述第二基片无直接接触；以及
33.制备测试电极引出机构和加热电极引出机构，并使所述测试电极引出机构、加热电极引出机构分别与测试电极、加热电极电连接，其中，所述第二面和第三面背对设置。
34.在一些较为具体的实施方案中，所述的制备方法具体包括：在所述第一基片的第一面加工形成第一凹槽，并在所述第一凹槽内形成所述的测试电极，所述第一凹槽与所述第二流道围合形成所述的微流控通道；
35.在一些较为具体的实施方案中，所述的制备方法具体包括：在所述第一凹槽内形成多个间隔分布的测试电极，相邻两个测试电极之间形成可供待检测流体流动的第一流道，其中每一第一流道与一第二流道相对应，且所述第一流道的宽度大于所述第二流道的宽度，从而使由一第一流道与一第二流道形成的一微流控通道的截面呈凸字形。
36.在一些较为具体的实施方案中，所述的制备方法具体包括：在所述第二基片的第三面加工形成第二凹槽，并在所述第二凹槽的表面加工形成毛细结构，其中，所述第二凹槽与所述第四面围合形成所述收容腔体。
37.在一些较为具体的实施方案中，所述的制备方法具体包括：在所述第三基片的第五面上制备测试电极引出机构和加热电极引出机构，并使所述测试电极引出机构、加热电极引出机构分别与测试电极、加热电极电连接，其中，所述第五面与所述第四面背对设置。
38.在一些较为具体的实施方案中，所述的制备方法具体包括采用键合方式将所述述第一基片、第二基片、第三基片结合为一体。
39.与现有技术相比，本发明的优点包括：
40.1)本发明实施例提供的一种复合型微流控芯片，其加热电极设置在收容腔体中，所述加热电极与所述收容腔体形成用于对微流控通道层进行加热的加热结构，其加热的均匀性和稳定性更好；
41.2)本发明实施例提供的一种复合型微流控芯片，在微流控通道层的表面还形成有毛细结构，该毛细结构极大地增加了微流控通道层与加热结构的接触面积，进而增加了微流控通道层与加热结构的换热面积，在保证传热的均匀性、温和性的前提下提高了传热效率；
42.3)本发明实施例提供的一种复合型微流控芯片，位于微流控通道内的第二流道的宽度小于位于测试结构层内的第一流道的宽度，使得由一第一流道与与之对应的一第二流道形成的一微流控通道的截面呈凸字形，由第二流道内注入的流体在扩散到第一流道后，流速减缓，更有利于目标粒子沉降；以及，所述第二流道与作为热源的加热结构层更近，从而在第一流道与第二流道之间产生一定的温度梯度，待检测流体在第一流道与第二流道之间形成紊流，进一步利于第二流道中的目标粒子向第一流道扩散并与测试电极接触，从而提高了测试的灵敏度；
43.4)本发明实施例提供的一种复合型微流控芯片的制备工艺简单、性能稳定、兼容性好、具有良好的温度控制功能，能够应用于化学分析、生物医学检测、药物合成、成分鉴定
和微量药物控释等应用领域。
附图说明
44.图1是现有技术中的一种微流控芯片的结构示意图；
45.图2是本发明实施例1的提供的一种复合型微流控芯片的结构示意图；
46.图3a
‑
图3d是本发明实施例1提供的一种复合型微流控芯片制备流程结构示意图。
具体实施方式
47.鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
48.本发明实施例提供的一种复合型微流控芯片，该复合型微流控芯片以玻璃、石英、硅或者聚合物基底分为三部分主要结构，底层为测试结构层，测试结构层上通过半导体技术构建出测试电极结构，其主要用于测量流体中的目标物；中间层为微流控通道层，其具有通过刻蚀技术形成的可供流体流动的微流控通道；上层为加热结构层，其至少用于为整体芯片测试提供温度控制。
49.本发明实施例提供的一种复合型微流控芯片的制备方法，主要包括：
50.以玻璃、硅、石英材料为第一基片，通过光刻、刻蚀、沉积等工艺在第一基片上制备金属测试电极结构，形成测试结构层；
51.以玻璃、硅、石英材料为第二基片，通过光刻、刻蚀等工艺在第二基片上形成第二流道，形成可供流体流动的微流控通道层；
52.以玻璃、硅、石英材料为第三基片，通过光刻、镀膜等加工工艺在第三基片上形成可以控温的加热电极；通过刻蚀的部分方式形成沿厚度方向贯穿第三基片的通孔，然后在通孔内沉积金属，从而形成导电通道，并使所述导电通道与加热电极电连接；再通过光刻、金属沉积等工艺在第三基片的背面形成金属焊盘，并使所述金属焊盘与所述导电通道电连接，从而形成加热结构层；
53.通过共晶键合、阳极键合、低温键合等工艺(目前用的低温键合或者胶粘接键合)现在用的主要就是低温键合工艺，比如表面活化键合、粘接等)，将三层结构层叠设并加工形成一体，随后通过刻蚀等工艺，形成测试电极的垂直通孔，然后进行金属化沉积形成与测试电极电连接的金属通路，最后通过光刻等工艺加工形成电极金属焊盘。
54.本发明实施例提供的一种复合型微流控芯片，不仅使得微流控电极检测具有更好的可靠性，而且，加工工艺方面的一致性更好，在使用环境性能要求比较高的情况下依然可以满足需求；尤其是在需满足一定温度环境下进行的微流控检测，本发明实施例提供的一种复合型微流控芯片可以提供良好的温度环境。
55.如下将结合附图以及具体实施案例对对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本发明实施例所采用的光刻、刻蚀、沉积、电镀、键合等工艺均可以采用本领域技术人员已知的。
56.实施例1
57.请参阅图2，一种复合型微流控芯片，包括依次叠设的测试结构层100、微流控通道层200和加热结构层300，
58.其中，所述测试结构层100包括多个测试电极120，相邻两个测试电极120之间形成可供待检测流体流动的第一流道112，所述测试电极120至少用于测量待检测流体中的目标物(例如目标粒子)1000；所述微流控通道层200内设有多个可供待检测流体流动的第二流道211，所述第二流道211与所述测试结构层100围合形成可供待检测流体(例如水或乙醇等)流动的微流控通道400，所述测试电极设置在所述微流控通道内，从而使所述测试电极120能够与所述微流控通道400内的检测流体接触；所述加热结构层300包括加热电极320，所述加热电极320设置在由所述加热结构层300与微流控通道层200围合形成的收容腔体500内，且所述加热电极320与所述微流控通道层200无直接接触，所述加热结构层300至少用于对所述微流控通道层200内待检测流体进行加热；以及
59.所述加热结构层300上还设置测试电极引出机构800和加热电极引出机构900，所述测试电极引出机构800、加热电极引出机构900分别经第一导电通道600、第二导电通道700与测试电极120、加热电极320电连接。
60.具体的，所述测试结构层100的一侧表面设置有第一凹槽，多个所述测试电极120间隔设置在所述第一凹槽内，所述第一凹槽与所述微流控通道层200围合形成所述微流控通道400，其中，相邻两个测试电极120之间还形成有可供待检测流体流动的第一流道112，每一第一流道112与一第二流道211相对应，且第一流道112的宽度大于第二流道211的宽度，使由一第一流道112与与之对应的一第二流道211形成的一微流控通道的截面呈凸字形，使得第二流道211内注入的流体在扩散到第一流道112后，流速减缓，更有利于目标粒子沉降；以及，所述第二流道211与作为热源的加热结构层300更近，从而在第一流道112与第二流道211之间产生一定的温度梯度，流体在第一流道112与第二流道211之间形成紊流，进一步利于第二流道211中的目标粒子向第一流道112扩散并与测试电极接触。
61.具体的，所述第一流道和第二流道的宽度为1
‑
5000μm，所述加热电极的厚度为100
‑
5000nm。
62.具体的，所述微流控通道层200的另一侧表面还设置有第二凹槽，所述第二凹槽与所述加热结构层300围合形成一收容腔体500，所述加热电极320设置在所述收容腔体500内，且所述加热电极320与微流控通道层200不直接接触，加热电极320使所述收容腔体500内的温度上升后实现对微流控通道400内的待检测流体进行加热，可以使对微流控通道400内的待检测流体进行加热时的均匀性更好。
63.具体的，所述第二凹槽的槽底还形成有毛细结构，通过设置毛细结构，极大地增加了微流控通道层200与所述收容腔体500的接触面积，进而增加了微流控通道层200与收容腔体的换热面积，从而在保证传热的均匀性、温和性的前提下提高了传热效率。
64.具体的，所述测试电极引出机构600可以是测试电极引线焊盘，所述加热电极引出机构900可以是加热电极引线焊盘等。
65.请参阅图3a
‑
图3d，一种复合型微流控芯片的制备方法，具体包括：
66.1)请参阅图3a，以玻璃、硅、石英材料作为第一基片110，采用光刻等刻蚀工艺在第一基片的第一面上加工形成第一凹槽111，并在所述第一凹槽111的槽底沉积形成多个测试电极120，多个所述测试电极120间隔分布且依次电性连接，在相邻两个测试电极120之间形成第一流道112，从而形成测试结构层100，其中，所述测试电极120为金属电极，例如，所述测试电极的材质包括au、ag、cu、ni、al等，所述测试电极的厚度为100
‑
1000nm，所述第一流
道112的宽度为1
‑
5000μm；
67.2)请参阅图3b，以玻璃、硅、石英材料作为第二基片210，
68.采用光刻等刻蚀工艺在第二基片310的第二面上加工形成多个第二流道211，多个第二流道211间隔分布，所述第二流道211的宽度1
‑
5000μm，且所述第二流道211的宽度小于第一流道112的宽度，所述第二流道211的数量与第一流道112的数量相同，且每一第二流道211与一第一流道112相对应；
69.采用光刻等刻蚀工艺在第二基片310的第三面上加工形成第二凹槽212，之后再采用离子轰击、刻蚀、沉积或打印的方式在第二凹槽212的槽底部加工形成毛细结构，该毛细结构包括多个微纳尺寸的微凸起和微凹槽；从而形成所述的微流控通道层200，其中，所述多个第二流道212均位于所述第二凹槽212的正投影区域内，所述第二凹槽212的深度根据器件的结构和加热电极的数量层进行设置，所述第二面和第三面背对设置；
70.3)请参阅图3c，以玻璃、硅、石英材料作为第三基片310，采用镀膜等加工工艺在第三基片310的第四面上形成可以控温的加热电极320，所述加热电极320为金属电极，所述加热电极320的材质包括pt、au、ag、cu等，所述加热电极320的厚度为100
‑
5000nm；
71.采用刻蚀等方式形成沿厚度方向贯穿第三基片310的第二通孔710，然后在所述第二通孔710内沉积或电镀金属等导电材料而形成第二导电通道700，并使所述第二导电通道700与加热电极320电连接；
72.采用金属沉积等工艺在第三基片的第五面形成金属焊盘作为加热电极引出机构900，并使所述加热电极引出机构900与所述第二导电通道700电连接，从而形成加热结构层300，其中，所述加热电极引出机构900的厚度为100
‑
1000nm；
73.4)请参阅图3d，采用共晶键合、阳极键合、低温键合等工艺将测试结构层100、微流控通道层200、加热结构层300依次叠设并加工形成一体；
74.采用刻蚀等工艺形成沿厚度方向贯穿第二基片210、第三基片310的第一通孔，然后在所述第一通孔内沉积或电镀金属等导电材料，从而形成第一导电通道600，并使所述第一导电通道600与测试电极120电连接，最后在所述第三基片310的第五面上沉积金属焊盘作为测试电极引出机构800，并使所述测试电极引出机构800与所述第一导电通道600电连接，其中，所述测试电极引出机构800的厚度为100
‑
1000nm。
75.本发明实施例提供的一种复合型微流控芯片，其加热电极设置在收容腔体中，所述加热电极与所述收容腔体形成用于对微流控通道层进行加热的加热结构，其加热的均匀性和稳定性更好；以及，本发明实施例提供的一种复合型微流控芯片，在微流控通道层的表面还形成有毛细结构，该毛细结构极大地增加了微流控通道层与加热结构的接触面积，进而增加了微流控通道层与加热结构的换热面积，在保证传热的均匀性、温和性的前提下提高了传热效率。
76.本发明实施例提供的一种复合型微流控芯片，位于微流控通道内的第二流道的宽度小于位于测试结构层内的第一流道的宽度，使得由一第一流道与与之对应的一第二流道形成的一微流控通道的截面呈凸字形，由第二流道内注入的流体在扩散到第一流道后，流速减缓，更有利于目标粒子沉降；以及，所述第二流道与作为热源的加热结构层更近，从而在第一流道与第二流道之间产生一定的温度梯度，待检测流体在第一流道与第二流道之间形成紊流，进一步利于第二流道中的目标粒子向第一流道扩散并与测试电极接触，从而提
高了测试的灵敏度。
77.本发明实施例提供的一种复合型微流控芯片的制备工艺简单、性能稳定、兼容性好、具有良好的温度控制功能，能够应用于化学分析、生物医学检测、药物合成、成分鉴定和微量药物控释等应用领域。
78.应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。