一種聚合物矩形光波導(dǎo)與微流控三維集成芯片及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于聚合物光波導(dǎo)三維混合集成芯片制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種聚合物 矩形光波導(dǎo)與微流控三維集成芯片及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光波導(dǎo)和微流控的三維集成傳感芯片具有靈敏度高、響應(yīng)迅速、結(jié)構(gòu)簡單、抗電磁 干擾等特點(diǎn)，在環(huán)境保護(hù)、食品安全、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。光波導(dǎo)微流控集成傳 感芯片屬于免標(biāo)記型生化傳感器，避免監(jiān)測物失活并可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。而按照光波導(dǎo)傳感 機(jī)理，光波導(dǎo)微流控集成傳感器主要分為倏逝波傳感和液體芯傳感。液體芯傳感器其包層 材料折射率要求低于待測液體，制備材料特殊，尚未應(yīng)用于三維光子集成芯片。倏逝波傳感 器其作用范圍為波導(dǎo)表面波長范圍內(nèi)的待測液體，主要采用光波導(dǎo)作為光信號的載體，通 過光波導(dǎo)的表層與待測液體接觸，實(shí)現(xiàn)對信號的傳感。倏逝波傳感器采用光波導(dǎo)和微流控 集成度方式，具有液體流動可控、消耗試樣和試劑極少、分析速度快、集成度高、便攜性好等 優(yōu)勢。
[0003] 目前三維光波導(dǎo)微流控集成型倏逝波液體傳感器的制備材料主要有:硅、二氧化 硅、玻璃、聚合物。聚合物材料相比于其它材料，具有兼容性好、質(zhì)量輕、價(jià)格低廉的特點(diǎn)。聚 合物材料的光波導(dǎo)和微流控集成型倏逝波傳感芯片其結(jié)構(gòu)通常為光波導(dǎo)的芯層與微流控 通道接觸，其制備工藝主要包括上層微流控凹槽的制備、下層波導(dǎo)層的制備、傳感窗口的制 備、兩層芯片的封裝，芯片端口的處理和拋光。
[0004] 現(xiàn)有工藝主要存在如下問題：1.光波導(dǎo)微流控三維集成結(jié)構(gòu)中，下層波導(dǎo)通常采 用表面裸露的倒脊型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)波導(dǎo)器件彎曲時(shí)損耗較大;若采用刻蝕法去除倒脊型結(jié) 構(gòu)的平板層，形成表層裸露的矩形結(jié)構(gòu)，刻蝕帶來的損耗影響光波導(dǎo)的光學(xué)性能。2.光波導(dǎo) 和微流控三維集成器件需要首先制備光波導(dǎo)，旋涂上包層，然后采用對版、光刻、掩模、刻蝕 等方法制備傳感窗口，過程復(fù)雜，且傳感窗口刻蝕過程會影響光波導(dǎo)的光學(xué)性能。3.光波導(dǎo) 和微流控芯片封裝的過程復(fù)雜，通常采用紫外膠水或等離子體處理鍵和，紫外液體膠水容 易阻塞通道和傳感窗口，而等離子體處理會增加傳感區(qū)光波導(dǎo)的散射損耗，且增加工藝成 本。4樣品粘合后，多層樣品尺寸為數(shù)毫米，厚度大于劃片機(jī)劃片切割范圍，端面處理困難。
[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就是克服【背景技術(shù)】的不足：1.通過濕法刻蝕制備矩形光 波導(dǎo)，減小波導(dǎo)表面粗糙度，降低散射損耗，通過一次壓印把矩形結(jié)構(gòu)完全壓入芯片內(nèi)部， 形成上表面裸露的矩形結(jié)構(gòu)，降低波導(dǎo)結(jié)構(gòu)帶來的彎曲損耗;2.采用壓印機(jī)對光波導(dǎo)芯片 和微流控芯片直接對版，二次壓印熱封裝，不需要刻蝕傳感窗口； 3.熱封裝過程成本低廉、 表面光滑，且不會阻塞微流控通道。4.激光切割全聚合物芯片，切割厚度大，經(jīng)濟(jì)快捷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明具體包括采用壓印或二氧化碳激光寫入的方法在甲基丙烯酸甲酯基底上 制備微流控凹槽和注液孔，在與微流控層同種材料的另一襯底上采用玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度高于 甲基丙烯酸甲酯的另一光敏聚合物材料通過濕法刻蝕制備突起的矩形光波導(dǎo)，通過一次熱 壓印把光波導(dǎo)芯層壓入甲基丙烯酸甲酯基底內(nèi)部，使其表層裸露，通過二次熱壓印把上層 微流控通道和下層光波導(dǎo)對準(zhǔn)、封裝，通過激光對樣片端面切割，拋光后完成矩形光波導(dǎo)微 流控的三維集成。
[0007] 具體工藝步驟如下，工藝流程圖如附圖1所示：
[0008] 1)用二氧化碳激光器1切割表面拋光的聚合物基底薄片，在垂直薄片表面切割出 矩形結(jié)構(gòu)的聚合物微流控薄片基底2(該結(jié)構(gòu)便于在平行的兩邊耦合測試）；然后用二氧化 碳激光器1燒蝕或熱壓印的方法在聚合物微流控薄片基底2上制備微流控通道3;微流控通 道3為左、中、右三段式的條形結(jié)構(gòu)，中間段的條形結(jié)構(gòu)為為微流控通道的傳感區(qū)域；
[0009] 表面拋光的聚合物基底薄片的厚度為1~3mm，激光器的切割功率為40~60W，走刀 速度為1~l〇〇mm/s，得到的矩形結(jié)構(gòu)的聚合物微流控薄片基底2的長邊長為2~8cm，短邊長 為1~6cm;
[0010] 二氧化碳激光器1燒蝕制備微流控通道3,即首先在計(jì)算機(jī)中利用軟件設(shè)計(jì)燒蝕圖 形，然后通過計(jì)算機(jī)控制激光器1把設(shè)計(jì)的燒蝕圖形燒蝕于聚合物微流控薄片基底2上，燒 蝕部分的聚合物由于熱效應(yīng)，形成凹槽，即微流控通道3,凹槽的截面呈現(xiàn)高斯分布，凹槽的 寬度為80~400μηι，凹槽的深度為100~800μηι ;凹槽中間段長5~30mm，中間段平行于矩形聚 合物微流控襯底2的長邊，距離較近長邊的距離為3~10mm，中間段的中心位于長邊的中垂 線上;左、右段為長1000~3000μπι的線段或是半徑為1000~3000μπι的1/4圓弧，左、右段與中 間段垂直或相切連接，而左、右段共同位于中間段距離較遠(yuǎn)長邊的一側(cè)，以保證注液孔4的 位置，并保證樣片的緊湊性;計(jì)算機(jī)控制燒蝕功率和走刀速度，燒蝕功率為5~30W，走刀速 度為1~1 〇〇mm/s;
[0011] 熱壓印是指采用熱納米壓印機(jī)11，把條形結(jié)構(gòu)的模板圖形壓印于聚合物微流控薄 片基底2上形成凹槽，即微流控通道3;凹槽的截面為矩形結(jié)構(gòu)，凹槽的寬度為5~500μπι，凹 槽的深度為5~500μπι;凹槽中間段長5~30mm，中間段平行于矩形聚合物微流控襯底2的長 邊，距離較近長邊的距離為3~10mm，中間段的中心位于長邊的中垂線上;左、右段為長1000 ~3000μπι的線段或是半徑為1000~3000μπι的1/4圓弧，左、右段與中間段垂直或相切連接， 而左、右段共同位于中間段距離較遠(yuǎn)長邊的一側(cè)，以保證注液孔4的位置，并保證樣片的緊 湊性;模板材料是Si、二氧化硅、鎳或玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度高于聚合物微流控薄片基底2的聚合 物。
[0012] 2)在步驟1)得到的微流控通道3的端口處用二氧化碳激光器1垂直基底方向貫穿 基底燒蝕出圓柱形注液孔4;然后用乙醇、去離子水依次擦拭或超聲清洗燒蝕后的基底;聚 合物微流控薄片基底2、微流控通道3、注液孔4共同構(gòu)成微流控芯片5;
[0013] 激光器的切割功率為8~60W，走刀速度為8~50mm/s，圓柱形注液孔4的半徑為1~ 10mm；
[0014] 3)在與微流控芯片5尺寸、材料相同的光波導(dǎo)層聚合物襯底薄片6上，沿平行于矩 形襯底的長邊采用光敏性聚合物芯層材料7通過濕法刻蝕制備出條形光波導(dǎo)8;光敏性聚合 物芯層材料7的折射率和玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度均高于光波導(dǎo)層聚合物襯底薄片6的折射率和玻 璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度；
[0015] 所說的濕法刻蝕，即首先在光波導(dǎo)層聚合物襯底薄片6上旋涂光敏性聚合物芯層 材料7(曝光后該材料可通過顯影去除曝光的部分），本發(fā)明所述的旋涂光敏性聚合物芯層 材料7，是指將光敏性聚合物芯層材料7滴在處理過(用乙醇清洗和超聲清洗)的光波導(dǎo)層聚 合物襯底薄片6上，將光波導(dǎo)層聚合物襯底薄片6置于旋轉(zhuǎn)涂覆機(jī)上，在1000~6000轉(zhuǎn)/分的 轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)襯底進(jìn)行涂膜，旋涂的時(shí)間為20~60秒，使光敏性聚合物芯層材料7均勻涂在光 波導(dǎo)層聚合物襯底薄片6上;而后固化光敏性聚合物芯層材料7,本發(fā)明所說的固化光敏性 聚合物芯層材料7是指按照光敏性聚合物芯層材料7的性質(zhì)，通過烘箱或熱板加熱的方式使 得該芯層材料由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)(加熱時(shí)間和溫度與材料相關(guān)）；本發(fā)明所說的光刻是采用光 刻版掩模，對掩模的光刻膠進(jìn)行曝光，本發(fā)明采用條形直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光刻掩膜版(所需的光 刻版根據(jù)材料的不同選取相應(yīng)的正版和負(fù)版，光刻版圖形為波導(dǎo)圖形的水平面投影，波導(dǎo) 寬度5~100μπι(波導(dǎo)寬度小于或等于微流控通道寬度，以保證波導(dǎo)與待測液體充分接觸，為 保證在后續(xù)壓印過程中波導(dǎo)不被壓印過程壓壞，光刻板波導(dǎo)兩側(cè)500~2000微米處設(shè)置承 壓條形的掩膜圖形，該條形長度與波導(dǎo)長度相同，該條形寬度為500~ΙΟΟΟμπι)，本直波導(dǎo)結(jié) 構(gòu)可以直接繼承于各種光波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)中，如ΜΖ干涉型傳感結(jié)構(gòu)的直波導(dǎo)干涉臂）；光