具有歧管的微流体装置的制作方法

微流体装置越来越多地被用于测量来自流体样本的参数。减少每次测试的成本和使用相对小的样本体积的能力是促使对微流体装置感兴趣的其中两个因素。

附图说明

附图图示了本文中所描述的原理的各种示例并且是说明书的一部分。所图示的示例仅仅是为了说明而给出的，而并非限制权利要求的范围。

图1是与所公开的实施方式一致的装置的截面图。

图2是与所公开的实施方式一致的装置的俯视图。

图3是示出与所公开的实施方式一致的方法的流程图。

图4是与所公开的实施方式一致的装置的截面图。

图5a和图5b是与所公开的实施方式一致的装置的截面图和俯视图。

图6是与所公开的实施方式一致的装置的截面图。

图7是与所公开的实施方式一致的工艺流程。

图8a和图8b是与所公开的实施方式一致的装置的截面图和俯视图。

图9a和图9b是与所公开的实施方式一致的装置的截面图和俯视图。

贯穿附图，相同的附图标记表示类似但不一定相同的元件。

具体实施方式

微流体装置的领域使用在电子装置的制造中开发的技术并将它们应用于处理电和流体的装置。除了流体处理和/或测试部件之外，微流体装置还可包括微机电系统(mems)和/或电子部件。

随着微流体部件继续变得更加小巧，一个挑战是向微流体装置提供流体和电连接。与微流体装置可用的微米级部件相比，即便是注射器和类似的装置也是相对大的。此外，被提供来进行测试的流体应代表样本。因此，当开发微米级装置时，被困的气泡和类似的问题可能是挑战。

一种解决方案是使用界面以使流体在毫米级和微米级之间过渡。可将此类界面集成到硅芯片中。这导致芯片由于用于用户的流体连接的尺寸而比原本所需的更大。由于加工过程中芯片有可能出现缺陷，硅芯片的成本随尺寸而迅速地且非线性地增加。因此，由于硅芯片的尺寸增加，包括与更大规模交互(诸如，直接用户交互)兼容的流体路由(routing)和分布的硅芯片往往更昂贵。虽然其他材料的衬底可被用于形成微电子、微流体和mems部件，但硅继续提供范围广泛的工艺和性质，这些工艺和性质使硅衬底具有吸引力并被广泛使用。其他衬底具有与更大的芯片相关联的类似但不太明显的成本。

另一种方法是将芯片安装在包装中。包装可包括多个凹部，每个凹部接收芯片。这可允许使用更小的芯片，例如，没有集成的流体处理部件。这些更小的芯片的成本可比更大的芯片的成本更低。该方法仍然包括用于向芯片提供流体的附加工作。一个限制是包装上的芯片和包装的周围表面之间的界面。如果允许流体接触芯片的非表面层，则流体可能与芯片的电连接相互作用或者使芯片的元件发生短路，从而产生不确定的响应或不正确的性能。此类连接也可以用作泄漏点，这些泄露点可转移旨在用于测量或其他目的的流体。

因此，本说明书公开了另一种用于向芯片提供流体路由的方法。将芯片模制到复合结构中。这允许芯片与周围的衬底直接接触并避免衬底和芯片之间有间隙。芯片可包括或可不包括上表面上的流体路由特征。在一个示例中，芯片包括在芯片的上表面上的图案化聚合物层。然后，将歧管附接在被模制到衬底上的芯片上方。将芯片模制到衬底中避免了芯片和衬底之间的间隙和/或不连续性，这些间隙和/或不连续性导致将流体提供从衬底提供到芯片或使流体离开芯片更加困难。

根据一个示例，一种装置包括：包括微流体装置的芯片；形成在芯片周围的聚合物衬底；以及单独的流体歧管，其在芯片上方附接到聚合物衬底并且与芯片位于衬底的同一侧上，所述歧管用于将流体递送到芯片。

在另一个示例中，一种形成装置的方法，所述方法包括：在半导体芯片中形成微流体装置；在芯片周围形成聚合物衬底；以及在芯片上方将单独的歧管附接到衬底，所述歧管提供用于将流体引导到芯片的微流体装置的通道。

在另一个示例中，一种装置包括：包括微流体装置的芯片；聚合物衬底，其形成在芯片周围，衬底和芯片之间没有任何间隙，其中，芯片的顶表面与聚合物衬底的顶表面共面；以及单独的流体歧管，其由塑料形成并附接到聚合物衬底，所述歧管包括流体通道以将流体递送到芯片的微流体装置。

如在本说明书和所附权利要求中所使用的，术语“毫米级”意在广义地理解为涵盖如下的流体处理特征，其中由流体接触的所有尺寸都大于100微米且小于100毫米。

如在本说明书和所附权利要求中所使用的，术语“微米级”意在广义地理解为涵盖如下的流体处理特征，其中至少一个尺寸小于1000微米且大于100纳米。例如，宽度为10毫米的相隔100微米的一对板将有资格作为微米级流体部件，因为这对板具有至少一个尺寸在所述范围内。

如在本说明书和所附权利要求中所使用的，术语“流体界面”意在广义地理解为用以将流体从流体进入位置移动到芯片上的微流体装置的流体分布部件的集合。

现在转到附图，图1是与所公开的实施方式一致的装置100的截面图。图1示出了装置100，其包括：包括微流体装置的芯片120；形成在芯片周围的聚合物衬底110；以及单独的流体歧管130，其在芯片120上方附接到聚合物衬底110并且与芯片120位于衬底110的同一侧上，歧管130用于将流体递送到芯片120。

芯片120包括微流体装置以及用于使该微流体装置及其部件起作用的流体与电路由。关于衬底110，仅图1中的芯片的上表面完全暴露。芯片的该暴露表面接收由歧管输送的流体。

微流体装置包括广泛的多种功能和用途。微流体装置的一些代表性示例包括：酶传感器、ph传感器、电导率传感器、流体泵、蛋白质传感器、液体吸收、透射和反射传感器、蛋白质分离器、细胞形貌检测器和细胞计数系统。

衬底110形成在芯片120周围。衬底110为芯片120提供支撑以及提供超出芯片120的区域以供歧管130与之相互作用。衬底110提供向芯片120的平滑过渡。在芯片120和衬底110之间没有间隙。

在一个示例中，衬底110和芯片120形成共面的顶表面。然而，芯片可相对于衬底表面凹陷或凸出。衬底110和芯片120之间的平接缝有利于使用歧管130形成跨越接缝的流体通道。这允许接缝和通道之间的歧管130避免泄漏。因此，歧管130的附接部分可跨越接缝延伸，而不会损失流体。

衬底110可以是聚合物。衬底可以是复合物。衬底可以是异质的或同质的。衬底可以是热塑性塑料，例如聚乙烯(pe、hdpe、ldpe)、聚丙烯(pp)、聚碳酸酯(pc)、聚酰亚胺、聚醚醚酮(peek)、聚苯乙烯(ps)、聚酰胺等。衬底可以是热固性聚合物，例如环氧树脂、聚氨酯或聚酯。取决于装置100的所期望的透射率、机械强度和成本参数，其他合适的聚合物可能是适当的。

芯片120可以是单个芯片120或多个芯片。芯片120可由半导体(例如，硅)形成。芯片120可形成在非半导体(例如，聚合物、玻璃等)上。

词语芯片(die)在本说明书和相关联的权利要求中既用作单数又用作复数。在本领域中也认识到其他复数形式(dice和dies)。除非伴随限定芯片数量的修饰语(例如，多个、单个或多于一个)，否则术语芯片应理解为指代单个芯片并且允许多个芯片。例如，大多数附图示出了一个芯片，但也允许使用多个芯片。

如所指示的，衬底110可形成在多个芯片周围。可使用相同或不同的工艺形成不同的芯片120。不同的芯片120可具有相同或不同的厚度。将芯片120与它们的相关联的材料和工艺混合并匹配的能力提供了装置100的设计和实施方面的灵活性。例如，正和负下拉网络可以容易地集成到常见的设计中而没有附加的芯片120工艺层。可以在形成衬底110之前对芯片120进行功能评估以限制不良影响。

歧管130提供毫米级和微米级流体部件之间的界面。在一些设计中，提供由微流体装置使用的小体积流体而没有可干扰微流体装置的功能的气泡可能是一个挑战。处理和分配亚毫升(sub-milliliter)体积的流体同样具有挑战性。在一个示例中，歧管接收更大体积的流体或者通过更大的特征(诸如，入口端口)接收流体。入口端口可以是集成到歧管130中的金属和/或陶瓷部件。入口端口可以是歧管130的聚合物部分。

在一个示例中，歧管130是单块部件。歧管可以是模制、铸造和/或热成形的。歧管130可以是模制部件。例如，歧管130可以是传递模制的。歧管130可以是注射模制的。注射模制在每个零件成本方面提供了相对优势，并减少了零件到零件的变化。歧管130可以是铸造部件。例如，使用环氧树脂进行铸造是一种在送交到模具之前生产原型零件和测试设计的成本有效的方法。在一个示例中，使用三维打印的零件来形成硅氧烷阴模。然后，使用该硅氧烷模来生产铸件。这种方法提供了快速廉价地形成和测试设计的能力。

可通过热成形来形成歧管130。热成形提供了将热塑性零件再成形为最终形状的能力。虽然热成形零件的深度通常比通过模制可以实现的更薄，但是在诸如具有相对小尺寸的歧管130之类的设计中，与注射模制相比，热成形可提供更快的响应和更简单的模具设计。虽然热成形中材料选项的多样性不及注射模制广泛，但与注射模制相比，通常能够以减少的资金成本和周转时间实现合适的机械和表面性能。

歧管130可以是层叠结构。歧管130可由用粘合剂层叠在一起的材料层形成。在一个示例中，材料是聚合物板片。使用聚合物板片作为层叠材料允许进行快速的和成本有效的切割、冲压或激光切割。可在切割之前或切割之后施加粘合剂。可将粘合剂施加到衬底，并将切割的板片施加在粘合剂上面。歧管130可包括对准特征以促进对准，例如，对准销、窗口、导向物、标尺等。可组装层叠歧管130，然后将其施加到衬底110。可将层叠歧管130组装在衬底110上。

歧管130可包括附加的有源元件或部件。例如，歧管130可包括透镜、窗口、电极、导体、过滤器等。这些有源元件可增加功能，辅助芯片120上的部件的操作，和/或向装置100添加附加能力。在歧管中包括有源元件可减少芯片120生产操作中的工艺操作的数量。这可以具有减少最终装置100的成本的优势。将芯片120和歧管130的生产分开的能力可提供减少废料和/或减少成本的机会。这可能是由于在集成到装置100之前识别有缺陷的部件的能力。

歧管130可包括储器。储器可用于保存流体。储器可容纳固体材料，该固体材料溶解到所提供的流体中。在歧管130中可使用多种不同的通道尺寸以预备流体并将流体分布到芯片120。

图2是与所公开的实施方式一致的装置100的俯视图。装置100示出了具有芯片120的衬底110。歧管130位于芯片120和衬底110两者的顶部。歧管120的边缘越过芯片120和衬底110之间的过渡部分。

类似地，歧管130中的流体路径越过芯片120和衬底110之间的过渡部分(虚线)。换句话说，在图2的示例中，歧管的至少一部分远离芯片附接到衬底，使得从歧管到芯片的流体路径包括衬底的顶表面的一部分，以作为歧管和芯片之间的流体界面的一部分。

图3是示出与所公开的实施方式一致的方法300的流程图。所述方法包括：在半导体芯片120中形成310微流体装置；在芯片120周围形成320聚合物衬底110；以及在芯片120上方将单独的歧管130附接330到衬底110，所述歧管130提供用于将流体引导到芯片120的微流体装置的通道。

方法300包括在半导体芯片120中形成310微流体装置。芯片120可包括多于一个微流体装置。芯片120可包括流体处理部件和/或传感器。芯片120可包括多个微流体部件。芯片120可包括电子部件或微机电部件。

方法300包括在芯片120周围形成320聚合物衬底110。该方法允许芯片120和衬底110直接接触而在它们之间没有间隙。因此，当将歧管130跨越芯片120和衬底110之间的界面放置时，有可能在不产生泄漏点的情况下这样做。

方法300包括在芯片120上方将单独的歧管130附接330到衬底110，歧管130提供用于将流体引导到芯片120的微流体装置的通道。在一个示例中，歧管130包括在置于芯片120和衬底110上方的面上的通道。流体可在衬底110上方被提供到通道，然后在通道中从衬底110流到芯片120。流体可被形成在歧管130中的通道的壁所容纳。这种类型的通道的一个优势在于：用于在歧管的表面中形成暴露的通道的模具比用于在歧管130中形成内部通道的模具更简单。内部通道可包括嵌件销、多注射(multipleshots)或多层歧管组件130，以便提供所期望的分布。使用更简单的模具可减少原型制作时间以及制造成本。使用芯片120和衬底110表面以提供通道的壁并在流体转运到芯片120中的装置时容纳流体可有助于简化歧管设计。

图4是与所公开的实施方式一致的装置100的截面图。在该示例中，芯片包括在其顶表面上的邻近于歧管并形成在薄膜电路上方的微米级流体通路，所述流体通路用于将流体从歧管连通到微流体装置的部件。如图4中所示，装置包括衬底110中的芯片120。芯片120在芯片120的顶表面的一部分上方(在薄膜电路正上方)具有图案化聚合物层440。图案化聚合物层440用于促进芯片120和歧管130之间的流体路由。图案化聚合物层440可以是多于一个层。

在一个示例中，图案化聚合物层440是经光刻图案化的辐射敏感或光敏材料(诸如，聚合物)的层。在一个示例中，图案化聚合物层440是su-8。辐射敏感聚合物可以是正或负敏感层。辐射照射(例如，紫外光)可要么交联辐射敏感聚合物层的暴露或未暴露部分，和/或要么以其他方式使得难以去除辐射敏感聚合物层的暴露或未暴露部分。

在图案化光敏聚合物层之后，可通过化学、机械、等离子体和/或其他方法去除该层的一些部分，以在芯片120的上表面上产生聚合物图案。图案可包括微流体特征或流体处理元件。例如，图案可包括通道以将流体引导到芯片120的一些部分。图案可包括标准化界面以与常见的歧管130设计相互作用。图案化聚合物层440可包括对准特征。单个歧管设计130可与多种不同的芯片120设计一起使用。在另一个示例中，多种歧管130设计与常见的芯片120设计一起使用以产生多种装置120。通过混合芯片120和歧管130来定制最终装置的能力可减少库存零件的数量及其相关联的成本。

在一个示例中，图案化聚合物层440与芯片120的覆盖区(footprint)共延伸。在一个示例中，图案化聚合物层440覆盖的区域小于芯片120的顶表面的全部。这可允许歧管130和芯片120之间的直接流动。在第三示例中，图案化聚合物层440在衬底110的一部分上方延伸超出芯片120的覆盖区。例如，芯片120可被衬底110包覆模制，然后芯片120-衬底110组件可具有形成在该组件上方的图案化聚合物层440。

图5a和图5b是与所公开的实施方式一致的装置的截面图和俯视图。图5a和图5b示出了具有芯片120的装置100。芯片被衬底110包围。芯片120的上表面的一部分被图案化聚合物层440覆盖。在一个示例中，图案化聚合物层440覆盖芯片120的上表面的全部。歧管130覆盖图案化聚合物层440的一部分和衬底110的一部分。在一个示例中，图案化聚合物层440延伸超出芯片120的覆盖区并且在衬底110的一部分上方延伸。歧管的边缘越过图案化聚合物层440和衬底110之间的界面。歧管130中的通道的边缘越过图案化聚合物层440和衬底110之间的界面。

歧管130可包括在歧管的顶部或侧部上的用于接收流体的端口。端口可以是金属。端口可以是陶瓷。端口可以是聚合物。端口可包括管。歧管130可包括金属、塑料和/或陶瓷管。端口可包括鲁尔件或类似配件。歧管可包括端口，该端口连接到图案化聚合物层440以通过微流体层120向芯片120提供流体。歧管130包括在歧管的面中的通道，该通道接触衬底110和图案化聚合物层440。芯片120和衬底110之间的过渡应该是平滑且连续的，使得穿过通道的流体被容纳且不会泄漏。

在一个示例中，芯片120和衬底110之间的平滑、无间隙界面是在芯片120周围形成衬底110的结果。这避免了间隙或避免了必须参与衬底110和芯片120之间的二次间隙填充操作。在一个示例中，通过将芯片120铸造于衬底110中来实现衬底110和芯片120之间的无间隙界面。在另一个示例中，通过在芯片120周围包覆模制衬底110来实现无间隙界面。在第三示例中，通过在芯片120周围压缩模制衬底110来产生芯片120和衬底110之间的无间隙界面。

图6是与所公开的实施方式一致的截面图。该图示出了被衬底110包围的芯片120。已在歧管130和衬底110之间施加粘合剂550。已在歧管130和芯片120之间施加粘合剂550。在芯片120和歧管130的一些部分之间没有施加粘合剂550。在一些情况下，可以不在衬底110和歧管130的一些部分之间施加粘合剂550。

粘合剂550可以是单组分粘合剂。粘合剂550可以是双组分粘合剂。可将粘合剂施加到歧管130。可将粘合剂550施加到芯片120。可将粘合剂550施加到衬底110。粘合剂550可以是压敏粘合剂。粘合剂550可以是可用紫外光固化的。粘合剂550可以是热固化的。粘合剂550可在室温固化。

在一个示例中，粘合剂550作为固体被施加，然后被结合到相邻的表面。例如，粘合剂可以是环氧树脂预制件。粘合剂550可以作为液体、糊剂、浆料、乳液、凝胶、悬浮液和/或流体被施加。

在一个示例中，粘合剂550在芯片120、衬底110和/或歧管130的表面上被图案化。歧管130和芯片120和衬底110的表面被对准，然后进行接触。粘合剂可用于形成通道或类似的流体处理部件的壁或其他部分。

图7是与所公开的实施方式一致的工艺流程。该工艺流程示出了可以如何实施所描述的原理的示例。

在左上角的第一个图像示出了芯片120附接操作。将芯片120放置在临时结合胶带上。胶带位于载体上。载体可提供刚度。载体可有助于处理和/或模制。胶带可以是双面的。胶带可成形为提供装置100的所期望的最终形状。

在右上角的第二个图像示出了在芯片120上方压缩模制衬底110。胶带防止衬底110浸润芯片120的特征。压缩模制可以是铸造操作。压缩模制可以是注射模制操作。在芯片120周围模制衬底110提供了芯片120和衬底110之间的平滑、无间隙界面。胶带可有助于使衬底110和芯片120之间的界面平滑且水平。

左中图像示出了载体和临时结合胶带的移除。临时结合胶带通过高温烘烤工艺或者uv辐射而失去其粘合强度和/或粘性。衬底110和芯片120已被倒置并且现在面朝上。

右中图像示出了将粘合剂550分配到衬底110和芯片120上。在一个示例中，粘合剂550作为小液滴和/或点被分配。粘合剂被施加到芯片120和衬底110的一些部分，而不被施加到衬底110和120的其他部分。

左下图像示出了歧管130附接到衬底110和芯片120。粘合剂将歧管130固定到芯片120和衬底110。

图8a和图8b是与所公开的实施方式一致的装置100的截面图和俯视图。装置100包括包围芯片120的衬底110。歧管130通过衬垫860与衬底110和芯片120连接。

衬垫860可以是将歧管130连接到衬底110和芯片120的可压缩层。衬垫860可包括粘合剂550。衬垫860可以是能够从衬底110和/或芯片120移除的。

图9a和图9b是与所公开的实施方式一致的装置100的截面图和俯视图。装置100包括包围芯片120的衬底110。图案化聚合物层440覆盖芯片120的一部分。歧管130通过衬垫860与衬底110和图案化聚合物层440连接。

已呈现了前面的描述以图示和描述所描述的原理的示例。该描述并非旨在是穷举的或将这些原理限制到所公开的任何确切的形式。鉴于以上教导，许多修改和变化是有可能的。