專利名稱：分體式微機電系統(tǒng)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微加工技術(shù)，尤其涉及生物微機電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著微加工技術(shù)的不斷發(fā)展，體積小、功耗低、無需復(fù)雜外部設(shè) 備、多種臨床功能集成的便攜式臨床生物微機電系統(tǒng)成為當(dāng)前研究的 熱點，也被認為是下一代臨床檢驗和監(jiān)測并構(gòu)建真正的床邊醫(yī)學(xué)
(Point of Care )的關(guān)鍵技術(shù)之一。與相關(guān)實驗室研究蓬勃發(fā)展形成 鮮明對比的是，生物微機電系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展一直緩慢甚至停滯不 前，這其中最終器件的成本問題被公認為是亟待解決的關(guān)鍵問題。
由于生化反應(yīng)需要，生物微機電系統(tǒng)通常尺寸較大(cm量級)， 這就喪失了在微機械式傳感器/執(zhí)行器中由微加工技術(shù)所帶來的單位 高產(chǎn)出的優(yōu)勢。同時在生物微機電系統(tǒng)中由于復(fù)雜功能實現(xiàn)的需要， 器件需要集成微金屬電極(加熱器、溫度傳感器等)以及CMOS電 路等昂貴的單步或集成工藝，這無疑使得本身已無法實現(xiàn)高單片產(chǎn)出
率的生物微機電系統(tǒng)的成本再次大為提高。盡管釆用聚合物材料，應(yīng) 用軟光刻技術(shù)等非微電子工藝能夠制備出具有一定功能的、低成本的 生物芯片，但面對多功能以及復(fù)雜功能集成需要，該技術(shù)從根本上力 有不逮。與此同時，生化檢測與分析的特殊性決定了與樣品及反應(yīng)試 劑直接接觸的芯片無法重復(fù)使用，這使得相應(yīng)的生物微機電系統(tǒng)必須 是一次性可拋棄的，在制備過程中所發(fā)生的所有費用都將成為相關(guān)生 化檢測和分析的成本。因此，如何降低芯片制備成本成為擺在生物微 機電系統(tǒng)進入日常生活、真正為社會服務(wù)道路中亟待解決的關(guān)鍵問題 之一。
如Motorola公司提出了 一種全集成的生物微機電系統(tǒng)，該系統(tǒng)將微流體通道、微泵、微閥、微加熱器、溫度傳感器、微檢測器集成在 一個芯片系統(tǒng)中，在芯片中完成了血液樣品的裂解、提取、擴增和檢 測。該芯片包含多種功能，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但制備成本較高；而微流體通 道的片上集成使得生物樣品直接與芯片接觸，從而使得芯片無法重復(fù)
使用；如前所述，上述兩方面因素使得該芯片單位操作成本過高，不 具有實用性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供 一種分體式生物微機電系統(tǒng)及其制備方法， 該分體式生物微機電系統(tǒng)在提供優(yōu)異功能的同時能夠明顯降低單位 搡作的成本，具有更大的實用價值和更廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景。
本發(fā)明的 一個方面提供了 一種分體式生物微機電系統(tǒng)，所述系統(tǒng)
包括結(jié)構(gòu)上彼此獨立的聚合物微流控芯片與功能基底；所述聚合物微 流控芯片包含樣品通道，所述樣品通道與所述聚合物微流控芯片的連 接處具有多個通口；所述功能基底包括形成于所述功能基底的底部 內(nèi)表面上的絕緣層；以相同的間隔均勻分布于所述功能基底內(nèi)的多個 隔熱結(jié)構(gòu)，所述多個隔熱結(jié)構(gòu)的頂部與所述功能基底的頂部表面相連 接，其底部與所述絕緣層相連接；位于所述功能基底的底部外表面上 的多個溫度控制單元，每一所述多個溫度控制單元位于兩個相鄰的隔 熱結(jié)構(gòu)之間。
其中，每一所述多個隔熱結(jié)構(gòu)包括連接結(jié)構(gòu)和空氣間隙結(jié)構(gòu)，每 一所述空氣間隙結(jié)構(gòu)分別位于 一 個與之相對應(yīng)的連接結(jié)構(gòu)的上方且 所述空氣間隙結(jié)構(gòu)的寬度大于所述相對應(yīng)的連接結(jié)構(gòu)的寬度。
其中，每一所述多個溫度控制單元包括微加熱器和溫度傳感器。 本發(fā)明的另 一方面提供了 一種分體式生物微機電系統(tǒng)的制備方 法，所述方法包括聚合物微流控芯片的制備過程和功能基底的制備過 程。
其中，所述聚合物微流控芯片的制備過程包括釆用標準硅微加工工藝制備硅基模具；按比例配置聚合物預(yù)聚體且將其澆注于所述硅
基模具上；將所述澆注步驟后的模具置于真空中且去除澆注過程中產(chǎn) 生的氣泡；將所述去除氣泡步驟后的模具烘烤獲得聚合物；將所述烘 烤步驟后的固化的所述聚合物脫模；在所述脫模步驟后的所述聚合物 上制備通口；將所述制備通口步驟后的所述聚合物與無圖形聚和物薄 膜鍵和；
其中，所述功能基底的制備過程包括對功能襯底進行熱氧化以 形成絕緣層；對功能襯底進行第一次光刻，先后濺射一定厚度的不同 金屬，釆用剝離工藝制備出工作電極與引線電極；對功能襯底進行第 二次光刻，通過深刻蝕方式形成隔離槽，再通過淀積一定厚度的聚合 物來填充所述隔離槽的方式形成連接結(jié)構(gòu)；對功能襯底進行第三次光 刻，通過氧等離子體刻蝕所述淀積的聚合物，在工作電極與其對應(yīng)引 線電極之間形成互連窗口；對功能襯底進行濺射金屬種子層，并進行 第四次光刻，由電鍍金屬制備相應(yīng)的所述工作電極與引線電極之間的 互連引線，去除光刻膠及種子層后獲得所述工作電極與引線電極之間 的電互連功能；對功能襯底再次淀積一定厚度的聚合物作為電隔離保 護，然后進行第五次光刻，并用氧等離子體刻蝕所述淀積的聚合物獲 得引線電極與外界的引線接口 ；對功能襯底進行背面第六次光刻， 并進行功能襯底的深刻蝕實現(xiàn)空氣間隙結(jié)構(gòu)，進而實現(xiàn)溫度控制單元 陣列。
其中，所述背面第六次光刻包括對所述功能襯底深刻蝕直到暴 露出所述淀積的聚合物隔離槽，構(gòu)成空氣間隙結(jié)構(gòu)。
其中，所述背面第六次光刻包括對所述功能襯底深刻蝕至釋放 所有殘余襯底元素，再次淀積一定厚度的聚合物以填充多個所述淀積 的聚合物所填充的隔離槽之間的空間，形成空氣間隙結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的分體式微機電系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)上彼此獨立的功能基底和聚 合物微流控芯片組成，兩者相互結(jié)合，共同完成特定的生化分析和檢測等功能，釆用分體式的系統(tǒng)架構(gòu)，能夠揚長避短，充分發(fā)揮不同基 質(zhì)及不同微加工技術(shù)的優(yōu)點。其中，功能基底是由高精度硅基微機電 系統(tǒng)加工技術(shù)實現(xiàn)，為最終分體式生物微機電系統(tǒng)提供包括溫度傳 感、加熱、電學(xué)驅(qū)動、電學(xué)檢測等功能或多種功能的組合；它的幾何 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸精細，制備工藝中包含多種高成本工藝，制備成本較
高；同時，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，性能可靠，能夠重復(fù)使用。而聚合物微流控芯 片是由高通量的聚合物微加工技術(shù)實現(xiàn)的，用于提供生化分析和檢測 所需試劑及反應(yīng)物等在最終分體式生物微機電系統(tǒng)中輸運的通道、反 應(yīng)腔式等載體；它的幾何結(jié)構(gòu)較為簡單，尺寸精度要求低，可采用高 批量、低成本加工工藝實現(xiàn)，能夠極低成本地制備出微流體通道及反 應(yīng)腔室，保證生化檢測與分析所需芯片透光性以及表面生化特性等特 殊需求，并且芯片最終成品成本極低，適于一次性使用。
本發(fā)明可以在不同的場合下應(yīng)用，特別適于低成本、快速、多功 能集成的便攜式臨床生物微機電系統(tǒng)的設(shè)計。


圖l是本發(fā)明實施例的分體式微機電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2是本發(fā)明實施例的分體式微機電系統(tǒng)的制備方法中聚合物微
流控芯片的制備方法示意圖3是本發(fā)明實施例的分體式微機電系統(tǒng)的制備方法中功能基底
的制備方法示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提出的分體式微機電系統(tǒng)及其制備方法，結(jié)合附圖和實施 例說明如下。
本發(fā)明的分體式微機電系統(tǒng)的實施例如圖l所示，所述系統(tǒng)包
括聚二甲基硅氧烷制備的微流控芯片1，其厚度約為2-3mm,所 述微流控芯片1含有待檢測分析的樣品通道3，所述通道的寬12為 200nm，厚度13為50(im，長度方向為蛇行排布，共2m長；所述凹形通道與所述微流控芯片的連接處具有兩個孔徑為lmm的通口 4，5; 功能基底2包括:形成于功能基底底部內(nèi)表面上的二氧化硅絕緣層6， 其厚度為3000 A;以相同的間隔均勻分布在功能基底2內(nèi)的的多個 聚對二甲苯連接結(jié)構(gòu)8和空氣間隙結(jié)構(gòu)9，連接結(jié)構(gòu)8用于實現(xiàn)不同 溫度控制區(qū)之間的隔熱及表面平面化功能，每一連接結(jié)構(gòu)8的寬18 為100pm，深19為100pm;每一空氣間隙結(jié)構(gòu)9位于與之相對應(yīng)的 連接結(jié)構(gòu)8的上方且寬度20為200(im，深度21為300|mi;每個空氣 間隙結(jié)構(gòu)9和與其對應(yīng)的連接結(jié)構(gòu)8共同構(gòu)成一個完整的隔熱結(jié)構(gòu)； 形成于功能基底底部外表面上的多個溫度控制單元7，每一溫度控制 單元7位于兩個相鄰的隔熱結(jié)構(gòu)之間，其尺寸為2mmx3mm,且每 一溫度控制單元包括一個微加熱器14和一個溫度傳感器15,其中， 微加熱器14為疊狀電極，其寬度為lOO^tm,拉伸后的總長度為 36220jxm，高度為0.2pm;溫度傳感器15為疊狀電極，其寬度為30pm, 拉伸后總長度為27860|am,高度為0.2pm。
本發(fā)明的分體式微機電系統(tǒng)的實施例的微流控芯片的制備方法 如圖2所示，本實施例采用經(jīng)典軟光刻技術(shù)對微流控芯片l進行加工 首先，釆用標準硅微加工工藝制備硅基模具10，尺寸與微流控芯片 的樣品通道3相同；按10:1比例配制聚二甲基硅氧烷前聚體11，并 將其澆鑄于硅基模具10上，之后將澆注步驟后的模具置于真空中， 去除澆注操作過程中產(chǎn)生的氣泡；然后將去除氣泡后的模具置于烘箱 中，在80。C條件下烘烤2小時，待聚二甲基硅氧烷預(yù)聚體完全固化 后將其與模具脫離；根據(jù)圖l所示實施例的樣品通道的進出口位置通
過打孔器在脫模后的聚二甲基硅氧烷預(yù)聚體上制備孔徑均為lmm的 進出通口 4, 5;最后將制備了通口的聚二甲基硅氧烷預(yù)聚體與一無 圖形聚二甲基硅氧烷薄膜鍵合，從而實現(xiàn)本實施例的微流控芯片1。 其中，微流控芯片還可以釆用激光加工、注塑等方法實現(xiàn)。 本發(fā)明的分體式微機電系統(tǒng)的實施例的功能基底的制備方法如圖3所示，首先，對硅片襯底進行熱氧化，形成厚度為3000 A的絕緣
層6，進行第一次光刻，再先后濺射厚度分別為150A和2000A的Cr和 Pt，通過剝離工藝制備出微加熱器14和溫度傳感器15;然后進行第二 次光刻，對硅襯底深刻蝕得到深度為100pm，寬度"pm的熱隔離槽， 再淀積5pm聚對二甲苯16填充隔離槽，形成連接結(jié)構(gòu)8;再進行第三 次光刻，對硅片襯底進行氧等離子體刻蝕，暴露出芯片內(nèi)Pt工作電極 與引線電極的互連窗口；對硅襯底濺射Au種子層，并進行第四次光 刻，由電鍍Au制備Pt工作電極與引線電極之間的互連引線17，繼而去 光刻膠、去種子層后獲得所述互連引線的既定的電互連功能；對硅襯 底再次淀積5pm聚對二甲苯16作為電隔離保護，再進行第五次光刻， 并用氧等離子體體刻蝕聚對二甲苯以獲得芯片引線電極與外部電路 之間的互連窗口 (引線接口)；背面第六次光刻，硅襯底深刻蝕至暴 露聚對二甲苯隔離槽，構(gòu)成空氣間隙結(jié)構(gòu)9;或，背面第六次光刻， 硅襯底深刻蝕至釋放所有殘余硅(包括聚對二甲苯隔離槽之間的殘余 硅)，再次淀積5)am聚對二甲苯，使得聚對二甲苯隔離槽之間的間隙 被新淀積的聚對二甲苯所填充，同時形成空氣間隙結(jié)構(gòu)9;最終獲得 溫度控制單元陣列7。
其中，隔離槽內(nèi)聚合物(聚對二甲苯)可以釆用其他低導(dǎo)熱系數(shù) 可化學(xué)氣相淀積的材料代替；第一次濺射金屬(Cr和Pt)可以釆用 (Ti/W/Cu)等常規(guī)微電子常用金屬材料代替；金屬種子層(Au種子 層)可以釆用Cu種子層代替。
以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關(guān) 技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下， 還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明 的范疇，本發(fā)明的專利保護范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1、一種分體式微機電系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括結(jié)構(gòu)上彼此獨立的聚合物微流控芯片與功能基底；所述聚合物微流控芯片包含樣品通道，所述樣品通道與所述聚合物微流控芯片的連接處具有多個通口；所述功能基底包括形成于所述功能基底的底部內(nèi)表面上的絕緣層；以相同的間隔均勻分布于所述功能基底內(nèi)的多個隔熱結(jié)構(gòu)，每一所述多個隔熱結(jié)構(gòu)的頂部與所述功能基底的頂部表面相連接，其底部與所述絕緣層相連接；位于所述功能基底的底部外表面上的多個溫度控制單元，每一所述多個溫度控制單元位于兩個相鄰的隔熱結(jié)構(gòu)之間。
2、 如權(quán)利要求i所述的分體式微機電系統(tǒng)，其特征在于，每一所 述多個隔熱結(jié)構(gòu)包括連接結(jié)構(gòu)和空氣間隙結(jié)構(gòu)，每一所述空氣間隙結(jié) 構(gòu)分別位于 一 個與之相對應(yīng)的連接結(jié)構(gòu)的上方且所述空氣間隙結(jié)構(gòu) 的寬度大于所述相對應(yīng)的連接結(jié)構(gòu)的寬度。
3、 如權(quán)利要求l所述的分體式微機電系統(tǒng)，其特征在于，每一 所述多個溫度控制單元包括微加熱器和溫度傳感器。
4、 一種分體式微機電系統(tǒng)的制備方法，其特征在于，所述方法 包括制備聚合物微流控芯片的過程和制備功能基底的過程。
5、 如權(quán)利要求4所述的分體式微機電系統(tǒng)的制備方法，其特征 在于，所述制備聚合物微流控芯片的過程包括以下步驟采用標準硅微加工工藝制備硅基模具； 按比例配置聚合物預(yù)聚體且將其澆注于所述硅基模具上； 將所述澆注步驟后的模具置于真空中且去除澆注過程中產(chǎn)生的 氣泡；將所述去除氣泡步驟后的模具烘烤獲得聚合物； 將所述烘烤步驟后的固化的所述聚合物脫模；在所述脫模步驟后的所述聚合物上制備多個通口 ；將所述制備通口步驟后的所述聚合物與無圖形聚和物薄膜鍵和；
6、 如權(quán)利要求4所述的分體式微機電系統(tǒng)的制備方法，其特征在于，所述制備功能基底的過程包括以下步驟對功能襯底進行熱氧化以形成絕緣層；對功能襯底進行第一次光刻，先后濺射一定厚度的不同金屬，釆 用剝離工藝制備出工作電極與引線電極；對功能襯底進行第二次光刻，通過深刻蝕方式形成隔離槽，再通 過淀積一定厚度的聚合物來填充所述隔離槽的方式形成連接結(jié)構(gòu)；對功能襯底進行第三次光刻，通過氧等離子體刻蝕所述淀積的聚 合物，在工作電極與其對應(yīng)的引線電極之間形成互連窗口；對功能襯底進行濺射金屬種子層，并進行第四次光刻，由電鍍金 屬制備相應(yīng)的所述工作電極與引線電極之間的互連引線，去除光刻膠 及種子層后獲得所述工作電極與引線電極之間的電互連功能；對功能襯底再次淀積一定厚度的聚合物作為電隔離保護，然后進 行第五次光刻，并用氧等離子體刻蝕所述淀積的聚合物獲得引線電極 與外界的引線接口；對功能襯底進行背面第六次光刻，并進行功能襯底的深刻蝕實現(xiàn) 空氣間隙結(jié)構(gòu)，進而實現(xiàn)溫度控制單元陣列。
7、 如權(quán)利要求6所述的分體式微機電系統(tǒng)的制備方法，其特征在于，所述背面第六次光刻包括對所述功能襯底深刻蝕直到暴露出 所述淀積的聚合物所填充的隔離槽，構(gòu)成空氣間隙結(jié)構(gòu)。
8、 如權(quán)利要求6所述的分體式微機電系統(tǒng)的制備方法，其特征 在于，所述背面第六次光刻包括對所述功能襯底深刻蝕至釋放所有 殘余襯底元素，再次淀積一定厚度的聚合物以填充多個所述淀積的聚 合物所填充的隔離槽之間的空間，形成空氣間隙結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及微加工技術(shù)，特別地，涉及生物微機電系統(tǒng)。本發(fā)明提供了一種分體式微機電系統(tǒng)及其制備方法。所述分體式微機電系統(tǒng)包括結(jié)構(gòu)上彼此獨立的聚合物微流控芯片和功能基底。其中，功能基底是由高精度硅基微機電系統(tǒng)加工技術(shù)實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，性能可靠，能夠重復(fù)使用；微流控芯片由高通量的聚合物微加工技術(shù)實現(xiàn)，成本極低，適于一次性使用。本發(fā)明可以在不同的場合下應(yīng)用，特別適于低成本、快速、多功能集成的便攜式臨床生物微機電系統(tǒng)的設(shè)計。
文檔編號B81B7/00GK101445216SQ20081023901
公開日2009年6月3日 申請日期2008年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月4日
發(fā)明者李志宏, 瑋 王, 雷銀花 申請人:北京大學(xué)