專利名稱：基于微納集成加工技術(shù)的三維減阻微流道結(jié)構(gòu)及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及基于微納集成加工技術(shù)的三維減阻微流道結(jié)構(gòu)及制備方法。
背景技術(shù)：
微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectro mechanical system,MEMS)是指由微機(jī)械加工技術(shù)制作的包括微機(jī)械傳感器和執(zhí)行器等微機(jī)械基本部件，以及微能源和由集成電路加工技術(shù)制作的高性能電子集成線路組成的微機(jī)電器件、裝置或系統(tǒng)。自上世紀(jì)八十年代出現(xiàn)以來(lái)，作為ー門新興的、高新技術(shù)的多領(lǐng)域交叉學(xué)科，微機(jī)電系統(tǒng)受到國(guó)內(nèi)外研究人員廣泛地關(guān)注，被譽(yù)為新世紀(jì)引領(lǐng)微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新技術(shù)革命。經(jīng)過(guò)近三四十年的發(fā)展，微機(jī)電系統(tǒng)已經(jīng)在光學(xué)、能源、通信、化學(xué)、生物、材料科學(xué)等領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的發(fā)展和進(jìn)步。其中，生物醫(yī)學(xué)微機(jī)電系統(tǒng)(Bio-medical MEMS)作為微機(jī)電系統(tǒng)最重要的分支之一，受到科研機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)界的密切關(guān)注，其中最引人矚目的是微全分析系統(tǒng)(micro total analysis systems,即U TAS)也稱芯片實(shí)驗(yàn)室(Lab-on-a-chip)。微全分析系統(tǒng)是將樣品制備、生化反應(yīng)和結(jié)果檢測(cè)三個(gè)步驟集成在単一器件上，且能執(zhí)行特定分析功能的完整微系統(tǒng)，可分為芯片式與非芯片式兩大類。目前芯片式微全分析系統(tǒng)是發(fā)展重點(diǎn)，具有樣品檢測(cè)閾值低，靈敏度高，分析速度快，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，生產(chǎn)生物芯片的企業(yè)數(shù)以千計(jì)。其中依據(jù)芯片結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理又可分為兩大類即微陣列芯片(Microarray Chip)和微流控芯片(Microfluidic chip)。上述芯片式微全分析系統(tǒng)的核心是在基片上使用微加工技術(shù)制備溝槽結(jié)構(gòu)，以分析化學(xué)和分析生物化學(xué)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)生物樣品的實(shí)時(shí)檢測(cè)、分析和處理。其溝槽結(jié)構(gòu)特征尺寸通常在幾十到幾百微米，與宏觀尺度的溝槽不同，由于尺寸效應(yīng)的影響，流體在微納米量級(jí)的溝槽結(jié)構(gòu)中流動(dòng)時(shí)，其粘滯阻カ變得非常巨大，使得液體流動(dòng)異常困難，根據(jù)泊肅葉定律，通道所需壓差與尺寸的四次方成反比，這意味著微流體的驅(qū)動(dòng)需要很大的外部驅(qū)動(dòng)カ和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置(通常需要借助外部驅(qū)動(dòng)カ的作用才能順暢流動(dòng))，譬如微泵、微閥和微能源等，這帶來(lái)一系列缺點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)穩(wěn)定性低、功耗高、難以實(shí)現(xiàn)微小型化。因此，實(shí)現(xiàn)具有減阻效果的微流道是微全分析系統(tǒng)研究領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。過(guò)去十年間，很多技術(shù)被開(kāi)發(fā)出來(lái)用以實(shí)現(xiàn)具有減阻效果的結(jié)構(gòu)表面，包括高分子減阻劑、減阻涂層、仿生結(jié)構(gòu)復(fù)制、微納雙尺度顆粒修飾等技木。高分子減阻劑和減阻涂層[例Choi K S，Appl Sci Res，1989，46 :209-216]是應(yīng)用最為廣泛的ー類，其エ藝方法簡(jiǎn)単，但這種注入高分子減阻劑或涂覆減阻涂層形成減阻界面的方法，減阻劑浪費(fèi)嚴(yán)重，使用壽命嚴(yán)重不足。仿生結(jié)構(gòu)復(fù)制[例Bechert D ff,AIAA Shear Flow Control Conference,1985]是通過(guò)微加工技術(shù)將天然的具有減阻效果的表面結(jié)構(gòu)重復(fù)出來(lái)，但其減阻效率較低。近年來(lái)研究人員提出了一種基于微納雙尺度顆粒表面修飾的減阻流道設(shè)計(jì)[例盧思，中國(guó)科學(xué)G輯，2010，40 :916-924]，可實(shí)現(xiàn)高效減阻效果，但實(shí)現(xiàn)上述微納雙尺度顆粒結(jié)構(gòu)通常需要多步復(fù)雜エ藝，成本高，更為重要的是很難在溝槽的側(cè)壁和頂面上實(shí)現(xiàn)減阻結(jié)構(gòu)，即無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正的三維減阻微流道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出ー種基于微納集成加工技術(shù)的三維減阻微流道結(jié)構(gòu)及制備方法，利用無(wú)掩膜優(yōu)化深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)エ藝，直接在微米尺度溝槽各表面制備實(shí)現(xiàn)高密度高深寬比納米尺度錐尖陣列，増大其表面積和體積比；同時(shí)可在其表面淀積ー層氟基聚合物，降低表面能，實(shí)現(xiàn)具有超疏水特性的表面結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)真正三維減阻微流道結(jié)構(gòu)，エ藝簡(jiǎn)單、成本低、減阻效率高。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了ー種基于微納集成加工技術(shù)的三維減阻微流道結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括硅基襯底，硅基蓋板，微米尺度溝槽，納米尺度錐尖陣列。上述方案中，所述硅基襯底和硅基蓋板為單晶硅或多晶硅或無(wú)定形硅，其導(dǎo)電類型為N型或P型，厚度為50 u m-1000 u m。上述方案中，所述硅基蓋板鍵合于硅基襯底上。上述方案中，所述微米尺度溝槽制作于硅基襯底上，由硅基襯底和硅基蓋板形成封閉腔體，橫截面為倒三角形或倒梯形或半圓形，其特征尺寸為I U m-1000 y m。上述方案中，所述納米尺度錐尖陣列制作于微米尺度溝槽表面，是直徑為50nm-1000nm,高度 100nm-5000nm,間距 IOOnm-IOOOnm 的娃維。本發(fā)明還提供了ー種基于微納集成加工技術(shù)的三維減阻微流道制備方法，該方法包括步驟I :通過(guò)結(jié)合光刻和化學(xué)或物理腐蝕，在硅基襯底上制作微米尺度溝槽，橫截面為倒三角形或倒梯形或半圓形；步驟2 :利用無(wú)掩膜優(yōu)化深反應(yīng)離子刻蝕エ藝，直接在微米尺度溝槽和硅基蓋板上制作高密度高深寬比納米尺度錐尖陣列；步驟3 :利用DRIE后處理工藝，調(diào)控參數(shù)，對(duì)微米尺度溝槽和硅基蓋板進(jìn)行疏水處理；步驟4 :通過(guò)高溫鍵合或常溫物理施壓，將硅基襯底和硅基蓋板鍵合，形成封閉微流道。上述方案中，步驟2中所述無(wú)掩膜優(yōu)化深反應(yīng)離子刻蝕エ藝，包括以下步驟采用等離子刻蝕或非等離子刻蝕對(duì)硅片表面進(jìn)行粗糙化處理；控制所述DRIE制備納米森林的エ藝參數(shù)，直接制備高密度高深寬比納米尺度錐尖陣列。所述DRIE制備納米森林的エ藝參數(shù)包括線圈功率為800W-900W ；壓強(qiáng)為20mTorr-30mTorr ；刻蝕氣體SF6流量為20sccm-45sccm，鈍化氣體C4F8流量為SOsccm-SOsccnKSFj^P C4F8氣體流量比為I : 1_1 2);平板功率為6W-12W ;刻蝕/鈍化時(shí)間比為IOs 10s-4s 4s ;刻蝕/鈍化循環(huán)60-200次。上述方案中，步驟3中所述DRIE后處理工藝參數(shù)包括線圈功率為800W-900W ;壓強(qiáng)為20mTorr-30mTorr ;刻蝕氣體SF6流量為Osccm,鈍化氣體C4F8流量為30sccm_50sccm ；平板功率為6W-12W ;刻蝕/鈍化時(shí)間比為Os IOs-Os 4s ;刻蝕/鈍化循環(huán)1_40次。本發(fā)明的有益效果I、本發(fā)明提出的基于微納集成加工技術(shù)的三維減阻微流道結(jié)構(gòu)，由于采用無(wú)掩膜優(yōu)化DRIEエ藝，在不破壞原有微米尺度結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，生長(zhǎng)高密度高深寬比納米尺度錐尖陣列，可實(shí)現(xiàn)納米森林對(duì)微米尺度溝槽的100%覆蓋，從而實(shí)現(xiàn)真正的三維減阻微流道。2、本發(fā)明提出的基于微納集成加工技術(shù)的三維減阻微流道結(jié)構(gòu)，由于在微米尺度溝槽各表面制備實(shí)現(xiàn)了高密度高深寬比納米尺度錐尖陣列，因此可以極大地提高其面積體積比，從而使得微流道表面具有超疏水特性，實(shí)現(xiàn)優(yōu)異減阻的效果。 3、本發(fā)明提出的基于微納集成加工技術(shù)的三維減阻微流道制備方法，利用無(wú)掩膜優(yōu)化DRIEエ藝，在微流道表面僅需一歩エ藝，即可實(shí)現(xiàn)納米尺度錐尖陣列，エ藝簡(jiǎn)単，成本低廉，易于產(chǎn)業(yè)化。且硅基襯底與硅基蓋板接觸面的高密度高深寬比納米錐尖陣列具有很強(qiáng)的相互作用力，在常溫下即可通過(guò)物理施壓的方式進(jìn)行鍵合，鍵合強(qiáng)度高。4、本發(fā)明提出的基于微納集成加工技術(shù)的三維減阻微流道制備方法，通過(guò)控制DRIE后處理工藝參數(shù)，在納米森林表面可直接淀積氟基聚合物，進(jìn)ー步增強(qiáng)和提高了微流道表面超疏水特性的均一性和穩(wěn)定性，其接觸角可達(dá)175°以上,且滾動(dòng)角小于1° ,從而進(jìn)一步提聞減阻效果。


當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，通過(guò)參照下面的詳細(xì)描述，能夠更完整更好地理解本發(fā)明以及容易得知其中許多伴隨的優(yōu)點(diǎn)，但此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)ー步理解，構(gòu)成本發(fā)明的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定，其中圖I (a)為本發(fā)明的基于微納集成加工技術(shù)的三維減阻微流道結(jié)構(gòu)之一示意圖；圖I (b)為本發(fā)明的基于微納集成加工技術(shù)的三維減阻微流道結(jié)構(gòu)之ニ示意圖；圖I (C)為本發(fā)明的基于微納集成加工技術(shù)的三維減阻微流道結(jié)構(gòu)之三示意圖；圖2為本發(fā)明的基于微納集成加工技術(shù)的三維減阻微流道制備方法エ藝流程圖；圖3(a)為本發(fā)明的基于微納集成加工技術(shù)的三維減阻微流道微米尺度溝槽的之一掃描電鏡照片；圖3(b)為本發(fā)明的基于微納集成加工技術(shù)的三維減阻微流道微米尺度溝槽的之ニ掃描電鏡照片；圖4為本發(fā)明的基于微納集成加工技術(shù)的三維減阻微流道頂部的硅基蓋板掃描電鏡照片；圖5為本發(fā)明的基于微納集成加工技術(shù)的三維減阻微流道接觸角測(cè)試結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式顯然，本領(lǐng)域技術(shù)人員基于本發(fā)明的宗g所做的許多修改和變化屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)ー步詳細(xì)的說(shuō)明。下面結(jié)合附圖I至圖5闡述本發(fā)明提供的ー種基于微納集成加工技術(shù)的三維減阻微流道結(jié)構(gòu)及其制備方法的具體步驟。參照?qǐng)D1，圖I (a)至圖I (b)為本發(fā)明的基于微納集成加工技術(shù)的三維減阻微流道結(jié)構(gòu)示意圖，其橫截面分別為圖1(a)倒三角形，圖1(b)倒梯形，圖1(c)半圓形。其結(jié)構(gòu)包括硅基襯底I，硅基蓋板2，微米尺度溝槽3，納米尺度錐尖陣列4。參照?qǐng)D2，圖2為本發(fā)明的基于微納集成加工技術(shù)的三維減阻微流道制備方法エ藝流程圖。則圖1(a)至圖1(b)所示結(jié)構(gòu)的制備步驟如下步驟110 :通過(guò)結(jié)合光刻和化學(xué)或物理腐蝕，在硅基襯底I上制作微米尺度溝槽3，橫截面為倒三角形或倒梯形或半圓形，其特征尺寸為I U m-1000 u m ；步驟120 :利用無(wú)掩膜優(yōu)化深反應(yīng)離子刻蝕エ藝，直接在微米尺度溝槽3和硅基蓋板2上制作納米尺度錐尖陣列4，直徑為50nm-1000nm，高度100nm-5000nm，間距IOOnm-IOOOnm ；步驟130 :利用DRIE后處理工藝，調(diào)控參數(shù)，對(duì)微米尺度溝槽和硅基蓋板進(jìn)行疏水處理；步驟140 :通過(guò)高溫鍵合或常溫物理施壓，將硅基襯底I和硅基蓋板2鍵合，形成封閉微流道。參照?qǐng)D3(a)至圖3(b)為本發(fā)明的基于微納集成加工技術(shù)的三維減阻微流道微米尺度溝槽的掃描電鏡照片，其橫截面分別為圖3(a)倒三角形的掃描電鏡照片，圖3(b)倒梯形的掃描電鏡照片。上述步驟110中所述橫截面為倒三角形或倒梯形或半圓形，其槽深為 I U m-500 u m,槽寬為 I u m-1000 u m。參照?qǐng)D4，圖4為本發(fā)明的基于微納集成加工技術(shù)的三維減阻微流道頂部的硅基蓋板掃描電鏡照片。上述步驟120中所述納米尺度錐尖陣列，采用無(wú)掩膜優(yōu)化深反應(yīng)離子刻蝕エ藝制備，無(wú)需掩膜，可一歩刻蝕實(shí)現(xiàn)大面積高密度高深寬比納米尺度錐尖陣列結(jié)構(gòu)。參照?qǐng)D5，圖5為本發(fā)明的基于微納集成加工技術(shù)的三維減阻微流道接觸角測(cè)試結(jié)果圖，其接觸角大于175°，具有優(yōu)異的超疏水減阻特性。
如上所述，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)地說(shuō)明，但是只要實(shí)質(zhì)上沒(méi)有脫離本發(fā)明的發(fā)明點(diǎn)及效果可以有很多的變形，這對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。因此，這樣的變形例也全部包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于微納集成加工技術(shù)的三維減阻微流道結(jié)構(gòu)，其特征包括硅基襯底，硅基蓋板，微米尺度溝槽，納米尺度錐尖陣列； 硅基襯底和硅基蓋板為單晶硅或多晶硅或無(wú)定形硅，其導(dǎo)電類型為N型或P型，厚度為50 u m-1000 u m ； 硅基蓋板鍵合于硅基襯底上； 微米尺度溝槽制作于硅基襯底上，由硅基襯底和硅基蓋板形成封閉腔體，橫截面為倒三角形或倒梯形或半圓形，其特征尺寸為I U m-1000 u m。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于微納集成加工技術(shù)的三維減阻微流道結(jié)構(gòu)，其特征是納米尺度錐尖陣列制作于微米尺度溝槽表面，是直徑為50nm-1000nm，高度100nm-5000nm,間距 IOOnm-IOOOnm 的硅錐。
3.一種基于微納集成加工技術(shù)的三維減阻微流道制備方法，其特征是利用無(wú)掩膜優(yōu)化深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)工藝，直接在微米尺度溝槽各表面制備實(shí)現(xiàn)高密度高深寬比的納米尺度錐尖陣列，增大其表面積和體積比；同時(shí)可在其表面淀積一層氟基聚合物，降低表面能，實(shí)現(xiàn)具有超疏水特性的表面結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)真正三維減阻微流道結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于微納集成加工技術(shù)的三維減阻微流道制備方法，其特征是含有以下步驟 步驟I :通過(guò)結(jié)合光刻和化學(xué)或物理腐蝕，在硅基襯底上制作微米尺度溝槽，橫截面為倒三角形或倒梯形或半圓形； 步驟2 :利用無(wú)掩膜優(yōu)化深反應(yīng)離子刻蝕工藝，直接在微米尺度溝槽和硅基蓋板上制作高密度高深寬比的納米尺度錐尖陣列； 步驟3 :利用DRIE后處理工藝，調(diào)控參數(shù)，對(duì)微米尺度溝槽和硅基蓋板進(jìn)行疏水處理； 步驟4 :通過(guò)高溫鍵合或常溫物理施壓，將硅基襯底和硅基蓋板鍵合，形成封閉微流道。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于微納集成加工技術(shù)的三維減阻微流道制備方法，其特征是步驟2中所述無(wú)掩膜優(yōu)化深反應(yīng)離子刻蝕工藝，包括以下步驟采用等離子刻蝕或非等離子刻蝕對(duì)硅片表面進(jìn)行粗糙化處理；控制所述DRIE制備納米森林的工藝參數(shù)，直接制備高密度高深寬比納米尺度錐尖陣列。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于微納集成加工技術(shù)的三維減阻微流道制備方法，其特征是所述DRIE制備納米森林的工藝參數(shù)包括線圈功率為800W900W ；壓強(qiáng)為20mTorr-30mTorr ；刻蝕氣體SF6流量為20sccm-45sccm，鈍化氣體C4F8流量為30sccm-50sccm(SFf^P C4F8氣體流量比為I : 1_1 2);平板功率為6W-12W ;刻蝕/鈍化時(shí)間比為IOs 10s-4s 4s ;刻蝕/鈍化循環(huán)60-200次。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于微納集成加工技術(shù)的三維減阻微流道制備方法，其特征是步驟3中所述DRIE后處理工藝參數(shù)包括線圈功率為800W-900W ;壓強(qiáng)為20mTorr-30mTorr ;刻蝕氣體SF6流量為Osccm,鈍化氣體C4F8流量為30sccm-50sccm ;平板功率為6W-12W ;刻蝕/鈍化時(shí)間比為Os IOs-Os 4s ;刻蝕/鈍化循環(huán)1-40次。
全文摘要
基于微納集成加工技術(shù)的三維減阻微流道結(jié)構(gòu)及制備方法，涉及微加工技術(shù)領(lǐng)域。利用無(wú)掩膜優(yōu)化深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)工藝，直接在微米尺度溝槽各表面制備實(shí)現(xiàn)高密度高深寬比納米尺度錐尖陣列，增大其表面積和體積比；同時(shí)可在其表面淀積一層氟基聚合物，降低表面能，實(shí)現(xiàn)具有超疏水特性的表面結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)真正三維減阻微流道結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的有益效果在不破壞原有微米尺度結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，生長(zhǎng)高密度高深寬比納米尺度錐尖陣列，可實(shí)現(xiàn)納米森林對(duì)微米尺度溝槽的100％覆蓋，從而實(shí)現(xiàn)真正的三維減阻微流道?？梢詷O大地提高其面積體積比，降低表面能，使得微流道表面具有超疏水特性，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)異減阻的效果。工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，易于產(chǎn)業(yè)化。
文檔編號(hào)B81C1/00GK102627256SQ201210111788
公開(kāi)日2012年8月8日 申請(qǐng)日期2012年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月16日
發(fā)明者張曉升, 張海霞, 朱福運(yùn), 褚世敢 申請(qǐng)人:北京大學(xué)