專利名稱：具有高效散熱能力的集成磁泳分離芯片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是微電子技術(shù)領(lǐng)域的一種方法，特別是通過微加工方法集成電磁線圈的玻璃/硅/玻璃結(jié)構(gòu)的磁泳分離芯片的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，微納技術(shù)迅速向各個學科滲透，進而由于多學科的交叉發(fā)展而催生出新興的前沿科技領(lǐng)域，微流控技術(shù)就是在這樣的背景下產(chǎn)生和發(fā)展起來的。磁性微球(磁珠)是將納米磁性物質(zhì)(如四氧化三鐵)包埋在高分子材料中形成的功能微球，由于其功能表面修飾的多樣性及良好的磁操控性，使其在精細化工，水處理與環(huán)境監(jiān)測以及生物醫(yī)學等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。近年來，將磁珠技術(shù)與微流控平臺相結(jié)合，引起了越來越多研究者的關(guān)注。其中，快速高效的磁泳分離是實現(xiàn)這類微流控芯片上化學分析和生物檢測的關(guān)鍵。為分離微通道內(nèi)的磁珠,需要在微小范圍內(nèi)產(chǎn)生較大的磁場梯度，因而磁場的產(chǎn)生已不能采用常規(guī)尺度的永磁體。一種有效的替代方式是采用微加工工藝在芯片上集成微電磁線圈，線圈產(chǎn)生的磁場可以靈活的控制磁珠的捕獲與釋放。早期的一些研究已經(jīng)驗證了集成電磁線圈的可行性，同時，為便于顯微觀察及熒光檢測，這類芯片的微加工大多采用透明的玻璃或高分子聚合物如聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。但是，線圈通電后不可避免的產(chǎn)生焦耳熱，且由于電磁線圈面積微小，產(chǎn)生的熱流密度通常較大。由于玻璃及PDMS的導(dǎo)熱系數(shù)都很低(玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)為I. 38ff/mK, PDMS的導(dǎo)熱系數(shù)為O. 18W/mK)，不利于芯片焦耳熱的及時散出。須采用復(fù)雜的微加工方法加工多層線圈及磁芯以減小輸入電流或者輔以散熱裝置等方式來避免磁泳分離過程產(chǎn)生的焦耳熱對生化樣品的影響?？梢?，要使得磁泳芯片同時具有良好的可視性和散熱能力還存在問題，而本發(fā)明的集成高效散熱磁泳分離芯片可有效的解決這一問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計了一種簡單，透明且具有良好散熱性能的磁泳分離芯片及其制備方法，采用玻璃/硅/玻璃結(jié)構(gòu)鍵合形成芯片，既解決了以硅為芯片基底材料的不透明問題，又克服了以高分子聚合物為芯片基底材料的散熱能力差的問題。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案本發(fā)明所述的集成高效散熱磁泳分離芯片，由玻璃蓋片、硅片以及玻璃基底片鍵合而成，微通道刻蝕在硅片上，硅片減薄后的厚度與微通道的深度相等，在硅片與玻璃基底片的接觸面上，采用微加工工藝沉積有電磁線圈陣列。電磁線圈陣列由一系列大小相等的電磁線圈串聯(lián)而成，并沿著微通道軸線方向布置。電磁線圈為金金屬，線圈的與玻璃基底片之間濺射了一層粘附層鈦/鎢，而其與流體(即微通道)接觸一側(cè)鍍了一層二氧化硅絕緣層。
本發(fā)明上述的集成高效散熱磁泳分離芯片的工作原理為在微通道內(nèi)通入含有磁珠的生化樣品，當集成電磁線圈通電后，載流線圈產(chǎn)生磁場，懸浮于流體中的磁珠在磁場力的作用下從復(fù)雜的生化樣品中分離出來。與此同時，線圈通電后會產(chǎn)生焦耳熱，焦耳熱通過夾在兩玻璃片之間的導(dǎo)熱良好的娃夾層快速的向外傳導(dǎo)(娃的導(dǎo)熱系數(shù)為150W/mK,遠大于玻璃和PDMS的導(dǎo)熱系數(shù))，避免了磁泳分離過程中由于熱量的聚集導(dǎo)致溫升而破壞生化樣品的問題，同時，玻璃蓋片和玻璃基底片又保證了芯片微通道內(nèi)的可視性。本發(fā)明提供一種集成高效散熱磁泳芯片的制備方法，該方法將微通道刻蝕在硅片上，然后將玻璃和硅片鍵合，通過深刻蝕微加工工藝將硅片整體減薄，使其厚度與微通道的深度相等。與此同時，在另一塊玻璃基底上沉積微電磁線圈，將玻璃基底片與前述的玻璃/ 娃鍵合片再次鍵合，形成本發(fā)明的集成高效散熱磁泳分離芯片。本發(fā)明所述制備方法具體包括如下步驟一、硅微通道的加工(I)取〈100〉型硅片，進行標準清洗，甩膠；(2)光刻，在表面預(yù)置腐蝕圖形(微通道)；(3)用等離子體干法刻蝕在硅片上加工出預(yù)置圖形；(4)利用等離子去膠機去光刻膠。二、玻璃蓋片/硅通道靜電鍵合及硅片的整體減薄(I)取Pyrex7740玻璃片，清洗，進行硅一玻璃的靜電鍵合；(2)利用深刻蝕工藝(Deep Reactive Ion Etching)進行娃片的整體減薄,使得娃片的厚度與微通道的高度相等。三、集成金(Au)微電磁線圈的底層玻璃片(I)取Pyrex7740玻璃片，清洗。光刻，奠定電阻圖形區(qū)域；(2)先濺射鈦鎢(Ti/W)作為種子層，再濺射金(Au)；(3)將玻璃片置入丙酮中浸泡，加以超聲振動，直至剝離出電磁線圈圖形；(4)再次光刻，等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)沉積SiO2作為絕緣層。四、鍵合形成磁泳分離芯片(I)將前面整體減薄的硅玻璃鍵合片與預(yù)置有電磁線圈的玻璃片進行熱鍵合，最終形成包含微流道的玻璃/硅/玻璃三層結(jié)構(gòu)。采用上述技術(shù)方案之后，本發(fā)明芯片的上下兩層玻璃保證了微通道內(nèi)的可視性， 同時，中間的硅夾層使得在磁泳分離過程中由電磁線圈產(chǎn)生的焦耳熱能夠得到及時的散出，避免了熱量的聚集導(dǎo)致微通道內(nèi)溫度快速升高而破壞生化分析樣品。本發(fā)明同時具備了良好的可視性和高效的散熱能力，可保證磁泳分離安全而快速的完成。


圖I為本發(fā)明的集成高效散熱磁泳分離芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖I中，I為玻璃蓋片，2為〈100〉硅夾層，3為集成電磁線圈陣列，4為玻璃基底片， 5為微通道。圖2為本發(fā)明集成高效散熱磁泳分離芯片的截面示意圖；圖2中，I為玻璃蓋片，2為〈100〉硅夾層，3為集成電磁線圈陣列，4為玻璃基底片，5為微通道。圖3為本發(fā)明的集成電磁線圈組成結(jié)構(gòu)示意圖；圖3中，6為二氧化硅絕緣層，7為金線圈，8為鈦鎢粘附層；圖4為本發(fā)明的集成高效散熱磁泳分離芯片工作時的表面溫度分布。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例I如圖I所示，本實施例提供一種集成高效散熱磁泳分離芯片，該芯片由玻璃蓋片
I、硅片2以及玻璃基底片4鍵合而成，微通道5刻蝕在硅片2上，硅片2減薄后的厚度與微通道5的深度相等，在硅片2與玻璃基底片4的接觸面上，采用微加工工藝沉積有電磁線圈陣列3 ;電磁線圈陣列3由一系列大小相等的電磁線圈串聯(lián)而成，并沿著微通道5軸線方向布置；電磁線圈為金金屬7，電磁線圈與玻璃基底片4之間濺射了一層粘附層鈦/鎢8，而其與微通道5接觸一側(cè)鍍了一層二氧化硅絕緣層6。本實施例芯片采用玻璃-硅-玻璃鍵合片，這不僅能保證良好的透光性，還能利用硅的高導(dǎo)熱性能有效散熱，降低磁泳分離過程中線圈產(chǎn)生的焦耳熱的影響。所述的玻璃蓋片為硼硅酸玻璃Pyrex7740，導(dǎo)熱系數(shù)為I. 38ff/mK,硅片為〈100〉型硅，導(dǎo)熱系數(shù)為150W/mK。所述的微通道橫截面為矩形，深度為50-100 μ m,寬度為100-1000 μ m。所述的電磁線圈陣列為圓形的金線圈組成，厚度為IOO-IOOOnm,每個線圈的內(nèi)徑為 20-50 μ m,外徑為 100-300 μ m。如圖2所示，微通道采用干法刻蝕工藝加工而成，通道截面為矩形。在微通道底部采用濺射工藝集成有均勻布置的厚為200nm的金(Au)微線圈，線圈內(nèi)徑為50 μ m，外徑為 150 μ m0如圖3所示，為提高線圈與玻璃的結(jié)合力，在線圈與玻璃之間鍍有厚度為20nm的鈦鎢合金(Ti/w)作為粘附層。每個線圈陣列沿微通道方向總長9. 75_。線圈表面鍍有厚度為0. 5 μ m的絕緣層，以保證通電線圈不與流體直接接觸。如圖4所示，在芯片工作時，電磁線圈上所施加的電壓為4. 0V，對應(yīng)的電流為 36. 4mA，采用紅外熱像儀測得的芯片表面的溫度分布。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在芯片正常工作時芯片表面的最大溫升僅3. 4°C，顯示出良好的散熱性能。實施例2本實施例提供一種附圖1-3所示結(jié)構(gòu)的集成高效散熱磁泳分離芯片的制備方法如下首先取350 μ m厚的〈100〉硅片，進行標準清洗，甩膠；將甩膠后的硅片進行光刻， 在表面預(yù)置腐蝕圖形(即微通道5);然后用等離子體干法刻蝕在硅片上加工出預(yù)置圖形， 刻蝕深度為100 μ m ;之后利用等離子去膠機去光刻膠。取500 μ m厚的Pyrex7740玻璃片1，用120°C的高溫濃硫酸(H2SO4)清洗，將清洗后的玻璃和前述的預(yù)置有微通道的硅片進行硅一玻璃的陽極靜電鍵合，鍵合溫度為380°C，鍵合電壓為1000V ;鍵合完畢后將鍵合片利用深刻蝕工藝(De印Reactive Ion Etching)進行硅片的整體減薄，使得硅片的厚度與微通道的高度相等，即厚度為100 μ m，減薄后的硅片為娃片2。再次取500 μ m厚的Pyrex7740玻璃片4，用120°C的高溫濃硫酸(H2SO4)清洗，甩膠；將甩膠后的玻璃片進行光刻，奠定電阻圖形區(qū)域(旋涂1912#膠I. 6 μ m厚，前烘30秒， 正面套刻對準，曝光時間5. 5秒，無后烘);將玻璃片放入濺射機中，先濺射200A厚的鈦鎢 (Ti/W)作為種子層8，再濺射2000A厚的金7 (Au);之后將濺射后的玻璃片置入丙酮中浸泡，加以超聲振動，直至剝離出電磁線圈陣列3 ;再次光刻，利用等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)沉積O. 5 μ m的SiO2作為絕緣層6。將前面整體減薄的硅-玻璃鍵合片與預(yù)置有電磁線圈陣列的玻璃片進行熱鍵合， 鍵合溫度400°C，鍵合加壓2kg，最終形成包含微流道和集成電磁線圈陣列的玻璃/硅/玻璃三層結(jié)構(gòu)的磁泳分離芯片。進一步的，可以利用金絲球焊機從微通道外側(cè)引出接線。從以上實施例可以看出，本發(fā)明采用玻璃/硅/玻璃結(jié)構(gòu)鍵合形成芯片，既解決了以硅為芯片基底材料的不透明問題，又克服了以高分子聚合物為芯片基底材料的散熱能力差的問題。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應(yīng)當認識到上述的描述不應(yīng)被認為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種具有高效散熱能力的集成磁泳分離芯片，其特征在于所述芯片由玻璃蓋片(I)、硅片(2)以及玻璃基底片(4)鍵合而成，微通道(5)刻蝕在硅片(2)上，硅片(2)減薄后的厚度與微通道(5)的深度相等，在硅片(2)與玻璃基底片(4)的接觸面上，采用微加工工藝沉積有電磁線圈陣列⑶；電磁線圈陣列⑶由一系列大小相等的電磁線圈串聯(lián)而成， 并沿著微通道(5)軸線方向布置；電磁線圈為金金屬(7)，電磁線圈與玻璃基底片(4)之間濺射了一層粘附層鈦/鎢(8)，而其與微通道(5)接觸一側(cè)鍍了一層二氧化硅絕緣層(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有高效散熱能力的集成磁泳分離芯片，其特征在于所述的玻璃蓋片為硼硅酸玻璃Pyrex7740，導(dǎo)熱系數(shù)為I. 38ff/mK,硅片為〈100〉型硅，導(dǎo)熱系數(shù)為 150ff/mKo
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有高效散熱能力的集成磁泳分離芯片，其特征在于所述的微通道橫截面為矩形，深度為50-100 μ m,寬度為100-1000 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的具有高效散熱能力的集成磁泳分離芯片，其特征在于所述的電磁線圈陣列為圓形的金線圈組成，厚度為IOO-IOOOnm,每個線圈的內(nèi)徑為 20-50 μ m,外徑為 100-300 μ m。
5.一種權(quán)利要求1-4任一項所述的具有高效散熱能力的集成磁泳分離芯片的制備方法，其特征在于將微通道刻蝕在硅片上，然后將玻璃和硅片鍵合，通過深刻蝕微加工工藝將硅片整體減薄，使其厚度與微通道的深度相等。與此同時，在另一塊玻璃基底上沉積微電磁線圈，將玻璃基底片與前述的玻璃/硅鍵合片再次鍵合，形成所述集成高效散熱磁泳分離芯片。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有高效散熱能力的集成磁泳分離芯片的制備方法，其特征在于包括如下步驟.1)取〈100〉硅片，進行標準清洗，甩膠；將甩膠后的硅片進行光刻，在表面預(yù)置腐蝕圖形即微通道(5);然后用等離子體干法刻蝕在硅片上加工出預(yù)置圖形；之后利用等離子去膠機去光刻膠；.2)取PyreX7740玻璃片(I)，清洗，將清洗后的玻璃片和前述的預(yù)置有微通道的硅片進行硅一玻璃的陽極靜電鍵合；鍵合完畢后將鍵合片利用深刻蝕工藝進行硅片的整體減薄， 使得硅片的厚度與微通道的高度相等，得到減薄后的硅片(2)；.3)再次將Pyrex7740玻璃片(4)清洗，甩膠；將甩膠后的玻璃片進行光刻，奠定電阻圖形區(qū)域；將玻璃片放入濺射機中，先濺射鈦鎢Ti/W作為種子層(8)，再濺射金(7);之后將濺射后的玻璃片置入丙酮中浸泡，加以超聲振動，直至剝離出電磁線圈陣列(3);再次光刻，利用等離子體增強化學氣相沉積法沉積SiO2作為絕緣層(6)；.4)將前面整體減薄的硅-玻璃鍵合片與預(yù)置有電磁線圈陣列的玻璃片進行熱鍵合，鍵合溫度400°C，鍵合加壓2kg，最終形成包含微流道和集成電磁線圈陣列的玻璃/硅/玻璃三層結(jié)構(gòu)的磁泳分離芯片。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有高效散熱能力的集成磁泳分離芯片的制備方法，其特征在于步驟I)中，所述〈100〉硅片的厚度為350 μ m;所述用等離子體干法刻蝕在硅片上加工出預(yù)置圖形，刻蝕深度為100 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有高效散熱能力的集成磁泳分離芯片的制備方法，其特征在于步驟2)中，所述Pyrex7740玻璃片厚度為500 μ m，用120°C的高溫濃硫酸清洗；所述鍵合溫度為380°C，鍵合電壓為1000V ;所述減薄使得硅片的厚度與微通道的高度相等，即厚度為100 μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有高效散熱能力的集成磁泳分離芯片的制備方法，其特征在于步驟3)中，所述Pyrex7740玻璃片厚度為500 μ m，用120°C的高溫濃硫酸清洗；所述種子層(8)厚度為200A，所述金(7)厚度為2000A;絕緣層(6)厚度為O. 5 μ m。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有高效散熱能力的集成磁泳分離芯片的制備方法，其特征在于步驟4)中，所述鍵合溫度400°C，鍵合加壓為2kg。
全文摘要
本發(fā)明公開一種具有高效散熱能力的集成磁泳分離芯片及其制備方法，所述芯片由玻璃/硅/玻璃三層結(jié)構(gòu)通過兩次鍵合而成。將微通道刻蝕在硅片上，然后將玻璃和硅片鍵合，通過深刻蝕微加工工藝將硅片整體減薄，使其厚度與微通道的深度相等。與此同時，在另一塊玻璃基底上沉積微電磁線圈，將玻璃基底片與前述的玻璃/硅鍵合片再次鍵合，形成本發(fā)明的芯片。該芯片的上下兩層玻璃保證了微通道內(nèi)的可視性，同時，中間的硅夾層使得在磁泳分離過程中由電磁線圈產(chǎn)生的焦耳熱能夠得到及時的散出，避免了熱量的聚集導(dǎo)致微通道內(nèi)溫度快速升高而破壞生化分析樣品。本發(fā)明同時具備了良好的可視性和高效的散熱能力，可保證磁泳分離安全而快速的完成。
文檔編號B01L3/00GK102600917SQ20121005877
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月7日
發(fā)明者吳信宇, 吳慧英, 胡定華 申請人:上海交通大學