專利名稱：Mems玻璃球面超聲換能器片上集成系統(tǒng)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微流控技術(shù)，具體涉及一種MEMS玻璃球面超聲換能器片上集成系統(tǒng)及其制備方法。
背景技術(shù)：
21世紀(jì)是生物科技將要高度發(fā)展的一個世紀(jì)，生物分析與檢測技術(shù)經(jīng)過多年的實(shí)踐，已經(jīng)逐步發(fā)展成熟。而生物分析與檢測過程中單分子或細(xì)胞檢測實(shí)驗(yàn)中的樣品由于分子大小的不同，需要在不同的條件和設(shè)備中進(jìn)行預(yù)處理、破碎、分離、反應(yīng)、分析和檢測等。 如果能將整個實(shí)驗(yàn)過程的各個步驟進(jìn)行集成化，將大大提高生物實(shí)驗(yàn)的效率和實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物的產(chǎn)率，并同時提高了實(shí)驗(yàn)的精確性。高強(qiáng)度聚焦超聲(High intensity focused ultrasound簡稱HIFU)技術(shù)起源于 20世紀(jì)40年代，是通過一定的方式使超聲波透過體表后聚集在病灶組織上，經(jīng)過細(xì)胞與超聲的相互作用，在病灶組織內(nèi)產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的凝固性壞死，從而達(dá)到治療目的。該技術(shù)以其無創(chuàng)、無害、安全、有效等優(yōu)勢得到了國內(nèi)外許多學(xué)者、醫(yī)生及廣大患者的重視和關(guān)注。目前，HIFU技術(shù)已在泌尿?qū)W、腫瘤學(xué)、神經(jīng)外科、婦科、眼科等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用和推廣。HIFU技術(shù)的核心器件是超聲聚焦換能器，它的任務(wù)是將電信號轉(zhuǎn)換為超聲波信號，并通過一定的方式使超聲能量高度集中在病灶部位，形成很高的聚焦超聲能量以達(dá)到消除病灶的目的。HIFU技術(shù)的應(yīng)用對象是有生命的活體，治療過程中要利用高強(qiáng)度超聲能量消除病灶，但更重要的是要保證治療對象的安全性，所以實(shí)現(xiàn)超聲能量精準(zhǔn)聚焦即超聲換能器的聚焦特性是HIFU技術(shù)治療的關(guān)鍵。在高強(qiáng)度超聲技術(shù)中多采用凹球面自聚焦、聲透鏡聚焦和電子相控陣等方式聚焦。凹球面自聚焦換能器的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)病灶的不同深度進(jìn)行調(diào)整，工作時一般采用機(jī)械掃描方式，是一種簡單而常被采用的聚焦換能器。現(xiàn)有技術(shù)的問題在于，通常需要將流體從微流控系統(tǒng)中取出，再到體積笨拙的超聲系統(tǒng)中進(jìn)行超聲處理，因此效率較低，難以實(shí)現(xiàn)片上集成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、成本低的MEMS玻璃球面超聲換能器片上集成系統(tǒng)及其制備方法，采用該方法可以產(chǎn)生聚焦超聲，對生物細(xì)胞或分子破碎和打斷處理，并對處理的樣品可以進(jìn)行分離、反應(yīng)、檢測等，是集成了多種尺寸的生物細(xì)胞或分子的多種處理手段的片上實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種集成球面玻璃腔聚焦超聲發(fā)射器的微流道網(wǎng)格片上實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的制備方法，其步驟包括
第一步，利用微加工工藝在襯底圓片(5)上刻蝕特定的淺腔和流道圖形，微腔與微流道相連，微腔圖形為方形或圓形圖案，尺寸比依據(jù)制備需求而調(diào)整。第二步，在特定的微腔內(nèi)放置足量的高溫釋氣劑(6)。第三步，將上述襯底圓片與Pyrex7740玻璃圓片(7)在空氣中或者真空中陽極鍵合，使其形成密閉的腔體。第四步，取鍵合好的原片，在Pyrex7740玻璃原片上特定腔上方區(qū)域?yàn)R射Cr、Cu、Au三層結(jié)構(gòu)的金屬圖形(2)。第五步，將上述鍵合好的圓片在空氣中加熱至850°C、80°C，維持?jǐn)?shù)分鐘，高溫釋氣劑受熱分解產(chǎn)生大量氣體并通過流道和淺腔傳輸?shù)礁鱾€微腔內(nèi)，密封腔體內(nèi)的正壓力使得密封腔體對應(yīng)的熔融玻璃呈圓形球腔與圓柱形流道，濺射在玻璃上的金屬經(jīng)過玻璃的熱膨脹變形會有一定的形狀變化， 然后將原片冷卻至常溫，退火。第六步，將制備的原片特定位置進(jìn)行打孔，便于注入樣品和必要的反應(yīng)溶液。第七步，在濺射了金屬條的玻璃腔加以恒定的磁場，并對金屬條通以一定頻率的交變電流，使金屬條上產(chǎn)生周期變化的洛倫茲力，從而激發(fā)玻璃腔的諧振，使其產(chǎn)生頻率在20kHflMHz的超聲波，利用不同頻率的超聲波，可以對不同尺寸的生物分子或細(xì)胞進(jìn)行破碎或打斷處理。本發(fā)明獲得如下技術(shù)效果
1.本發(fā)明基于傳統(tǒng)MEMS加工工藝，首先在硅或者石英或者因瓦合金或者科瓦合金中的一種上加工欲成型的微腔和微流道淺腔結(jié)構(gòu)，在特定的淺腔內(nèi)注入高溫釋氣劑，利用用陽極鍵合工藝將Pyrex7740玻璃與刻蝕淺腔的襯底圓片鍵合，然后加熱至溫度高于玻璃軟化點(diǎn)，釋放出的氣體通過微流道傳輸?shù)礁鱾€微腔中，腔內(nèi)外壓力差使得熔融玻璃形成玻璃球形微腔或玻璃微流道。根據(jù)制備微腔和微流道的要求，調(diào)整微腔和微流道的尺寸比，當(dāng)微腔和微流道尺寸接近時，熱成型時微腔和微流道所受的表面張力接近，成型高度接近，當(dāng)微腔尺寸遠(yuǎn)大于微流道時，熱成型時玻璃微流道所受的表面張力遠(yuǎn)大于微腔，玻璃微流道很難成型圓柱形微流道，此時硅上微流道僅起導(dǎo)通氣體的作用。采用高溫釋氣劑釋提供氣源用于成型玻璃球形微腔和玻璃微流道，具有成本低，方法簡單，成型高度高，球形度好的特點(diǎn)?，F(xiàn)有技術(shù)刻蝕深寬比較大的深腔需要采用干法工藝，花費(fèi)大量的時間，通常需要幾十個小時，工藝成本也較高。高溫釋氣劑通常都有殘留物，由于氣體的運(yùn)動，少量會粘附在玻璃管壁上，污染了微腔。本發(fā)明采用局部填充高溫釋氣劑，高溫成型過后，通過劃片工藝可以將污染的區(qū)域去除。本發(fā)明的優(yōu)勢就在于借助高溫釋氣劑來產(chǎn)生高壓，同時又避免殘留物對MEMS微流道的污染。通過該工藝成型的玻璃諧振腔半徑為0. 05mm-20mm,微腔的厚度為 0. 005mm-0. 2mm。2.本發(fā)明基于玻璃球腔自身在外加電激勵或電磁激勵的條件下，產(chǎn)生頻率在 20kHz^lMHz的諧振。該諧振頻率頻段為超聲頻段，可以用超聲波產(chǎn)生的空化效應(yīng)應(yīng)用于生物或者化學(xué)領(lǐng)域的微處理，例如細(xì)胞破碎、DNA打斷等。由于該超聲波由玻璃諧振腔自身振動產(chǎn)生，并且產(chǎn)生的超聲頻率可以根據(jù)玻璃球腔的尺寸以及球形度等參數(shù)進(jìn)行控制。該玻璃諧振腔產(chǎn)生的由于其良好的球形對稱結(jié)構(gòu)，使球腔內(nèi)超聲波的輻射聲場的焦域可控，從而能對產(chǎn)生的超聲波的聲強(qiáng)(功率密度)進(jìn)行控制，而無需利用其他超聲聚焦系統(tǒng)進(jìn)行超聲聚焦就可獲得所需聲強(qiáng)的聚焦超聲場分布。另外，球形玻璃諧振腔在控制聚焦超聲的同時， 還可同時襯底上的淺腔形狀，使其便于超聲進(jìn)行反射，最大限度提高了球形玻璃諧振腔內(nèi)的超聲能量，減少了能量損耗，大大提升了該聚焦產(chǎn)生系統(tǒng)的能量利用率，避免了功率放大電路的設(shè)計(jì)。3.本發(fā)明在集成玻璃諧振腔的同時，還可集成處理生物分子或者細(xì)胞的其他反應(yīng)腔室，從而形成預(yù)處理-反應(yīng)-檢測為一體的微流道網(wǎng)格片上實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。集成的微流道網(wǎng)格系統(tǒng)以各個玻璃球腔為主體，各腔體之間以玻璃微流道相連通，集成系統(tǒng)中的介質(zhì)為水或其他流體介質(zhì)。每個玻璃球腔可根據(jù)應(yīng)用需要設(shè)計(jì)各種形狀如“T”、“Y”等形狀的入口， 便于進(jìn)行液相_液相或者液相_氣相等多種相混合環(huán)境下的生物或化學(xué)反應(yīng)，并根據(jù)需要在反應(yīng)中可以對樣品進(jìn)行超聲處理。集成的微流道網(wǎng)格由于其材質(zhì)是Pyrex7740玻璃，對波長范圍在300ηπΓ2000ηπι的可見光透光率高達(dá)90%，而且球腔的球面結(jié)構(gòu)便于光線聚焦， 因此整個片上系統(tǒng)十分易于進(jìn)行觀察或?qū)Ξa(chǎn)物進(jìn)行熒光定量檢測等。4.本發(fā)明施加的激勵源可以為電激勵源或者電磁激勵源。可以在諧振腔體表面濺射金屬條帶，金屬條的寬度為100-400微米，呈迂回形，迂回長度為100-400微米，迂回金屬條間距為100-400微米。該金屬條能與玻璃腔牢固粘合。通過對金屬條帶的形狀控制， 可以在利用熱成型方法制備玻璃球腔的過程中使金屬條帶不因熱膨脹而出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。 在濺射了金屬條帶的玻璃球腔出加以垂直于金屬條帶的恒定磁場，并對金屬條帶通以一定頻率的交變電流，使金屬條帶上產(chǎn)生不同周期內(nèi)方向相反的洛倫茲力，從而帶動玻璃球腔的諧振。該玻璃球腔激勵源的施加方法，與熱成型玻璃球腔的制備工藝相結(jié)合，避免了傳統(tǒng)球面聚焦超聲系統(tǒng)在球殼內(nèi)壁集成振動陣列等方法，工藝簡便易行。5.通常陽極鍵合的溫度為400攝氏度，因而其標(biāo)準(zhǔn)溫度為673Κ，成型溫度為850 攝氏度左右，標(biāo)準(zhǔn)溫度為1123Κ左右，根據(jù)PV=IiRT和表面張力產(chǎn)生的附加壓強(qiáng)的影響，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，如果氣體的量不變，膨脹后的體積不足原來的兩倍，由此可見需要刻蝕較深的腔。而本發(fā)明通過引入高溫釋氣劑有效的解決了這一問題，避免了刻蝕高深寬比的腔所帶來的工藝復(fù)雜和高能高成本的問題，而且方法簡單，可靠。由于采用的為高溫釋氣劑，因此放氣過程可控(通過調(diào)節(jié)溫度和溫度維持時間)。6.本發(fā)明采用在襯底上刻蝕淺腔，其成本更低?，F(xiàn)有技術(shù)需要刻蝕深寬比較高的較深的硅腔以提供足夠的氣體。濕法腐蝕工藝難以獲得較大的深寬比。在刻蝕較深的微腔時，其成本較高，耗時較長且深腔會產(chǎn)生穿孔現(xiàn)象。但是濕法工藝成本較低，工藝比較成熟， 在刻蝕淺腔方面具有低成本、高效率的優(yōu)勢。本發(fā)明不需要較大的深寬比，也不需要大的深度，因此采用濕法工藝即可降低成本、提高效率。7.本發(fā)明選用氫化鈦粉末，并對氫化鈦粉末在空氣中400攝氏度下進(jìn)行預(yù)處理。 通常氫化鈦粉末的熱分解溫度為400攝氏度，在空氣中進(jìn)行所述的熱處理后，氫化鈦粉末的表面形成了致密的二氧化鈦，在溫度未達(dá)到分解玻璃融化溫度之前，延緩了氫化鈦的分解，從而避免了密閉腔內(nèi)的壓力過大。8.陽極鍵合具有鍵合強(qiáng)度高，密閉性好的特點(diǎn)，本發(fā)明采用陽極鍵合形成密閉空腔，在第四步的加熱過程中不易發(fā)生泄漏而導(dǎo)致成型失敗。在溫度400°C，電壓直流600V的鍵合條件下，陽極鍵合能夠達(dá)到更好的密封效果。9.采用的退火工藝可以有效的消除Pyrex7740玻璃承受高溫正壓成型過程中形成的應(yīng)力，從而使其強(qiáng)度韌性更高。在該條件下退火，既能有效退去應(yīng)力，還能夠使得微流道腔的形狀基本無改變。10. 本發(fā)明制備與Si的熱膨脹系數(shù)相當(dāng)?shù)腜yrex7740玻璃作為玻璃微流道結(jié)構(gòu)，在制備微腔時不容易使鍵合好的圓片因熱失配產(chǎn)生損壞。


圖1為帶聚焦超聲諧振器的微流道網(wǎng)格片上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意2為球形玻璃微腔(諧振腔)熱成型后橫向截面示意圖
圖3為玻璃諧振腔本征頻率與諧振腔半徑關(guān)系曲線圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
一種集成球面玻璃腔聚焦超聲發(fā)射器的微流道網(wǎng)格片上實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的制備方法，包括以下步驟
第一步，采用干濕氧結(jié)合的方法在單面拋光的硅圓片上氧化5000A的氧化層，拋光面旋涂AZ P4620光刻膠，曝光顯影去除需要刻蝕微腔表面的光刻膠。利用Si微加工工藝在4 英寸Si圓片上刻蝕微腔和微流道淺腔，微流道將淺腔連接起來，所用硅片可以是標(biāo)準(zhǔn)厚度的硅片，厚度為500微米，所述淺腔的深度為60 100微米，微腔為1000微米飛000微米寬的方形或圓形腔，微流道腔為口徑為50微米的條形腔，腔長5毫米，連接相鄰兩個微腔方形腔，所述Si圓片上圖案結(jié)構(gòu)的微加工工藝為濕法腐蝕工藝，所用的腐蝕液為TMAH溶液， 濃度為25%，溫度為90攝氏度，刻蝕時間為1. 5 2. 5h
第二步，在數(shù)個微腔淺腔中放置適量的高溫釋氣劑氫化鈦，可以用粒度較小的化學(xué)純 (質(zhì)量百分比濃度為99%)，顆粒直徑為5 10微米，根據(jù)圓片微腔總體積和成型溫度下高溫釋氣劑氫化鈦分解速率為參考，內(nèi)置氫化鈦質(zhì)量為250微克，滿足圓片50個微腔所需的成型體積(氫化鈦在400攝氏度下空氣中進(jìn)行預(yù)處理，處理時間為24小時)。第三步，將上述Si圓片與PyreX7740玻璃圓片(一種硼硅玻璃的品牌，美國康寧-corning公司生產(chǎn)，其尺寸與Si圓片相同)在0. 5Pa下陽極鍵合，使Pyrex7740玻璃上的上述淺腔形成密封腔體，鍵合表面在鍵合前應(yīng)該保持高度清潔和極小的表面粗糙度，以滿足常規(guī)鍵合的要求，按照陽極鍵合或其他鍵合的工藝要求進(jìn)行常規(guī)清洗和拋光，所述的陽極鍵合工藝條件為溫度400°C，電壓600V。反應(yīng)腔室氣密性良好，便于進(jìn)行生化實(shí)驗(yàn)。 同時，制備微流道集成反應(yīng)系統(tǒng)的透明性好，對可見光的透光度高達(dá)90%，便于進(jìn)行反應(yīng)后的產(chǎn)物定量檢測和分析。第四步，在鍵合圓片上方特定區(qū)域?yàn)R射Cr-Cu-Au三層結(jié)構(gòu)的金屬條帶，其中Cr作為金屬粘附層，Cu為主要的導(dǎo)電金屬層，Au增加了該金屬結(jié)構(gòu)的延展性。Cr-Cu-Au三層結(jié)構(gòu)的金屬，在保證了金屬條帶導(dǎo)電性的同時，還克服了因?yàn)闊崴苄岳鞎r金屬因?yàn)槔於赡墚a(chǎn)生斷裂的情況。在Cr-Cu-Au三層結(jié)構(gòu)的金屬中，Cr約為0. 05微米，Cu約為0. 6微米，Au約為0.4微米。第五步，將上述鍵合好的圓片在一個大氣壓下加熱至850°C、80°C，在該溫度下保溫;T5min，高溫釋氣劑快速熱分解，氣體擴(kuò)散至整個密封系統(tǒng)，各微腔內(nèi)部壓強(qiáng)平衡，壓腔內(nèi)外壓力差使軟化后的玻璃形成與上述微腔圖案結(jié)構(gòu)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，微腔尺寸相同，成型時相應(yīng)的玻璃微腔成型是受的表面張力相同，成型的玻璃微腔尺寸基本相同，而微流道尺寸和微腔尺寸相差40倍，表面張力相差40倍，由于表面張力的影響，相同的內(nèi)壓，微流道成型高度將相當(dāng)?shù)汀＠鋮s到常溫25°C，得到圓片級球形微腔，再將圓片置入退火爐，560°C保溫 30min，然后緩慢風(fēng)冷至常溫(譬如25°C )，常壓(一個大氣壓)下退火消除應(yīng)力。第六步，在濺射了金屬條帶的玻璃球腔出加以垂直于金屬條帶的恒定磁場，并對金屬條帶通以一定頻率的交變電流，使金屬條帶上產(chǎn)生不同周期內(nèi)方向相反的洛倫茲力， 從而帶動玻璃球腔的諧振。球面玻璃腔聚焦超聲發(fā)射器的諧振頻率可根據(jù)玻璃微腔的尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為20kHz IMHz。第七步，利用球形玻璃腔的諧振，球面玻璃腔聚焦超聲發(fā)射器的諧振頻率可根據(jù)玻璃微腔的尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為20kHflMHz。利用不同頻率的超聲波，球面玻璃腔聚焦超聲發(fā)射器的焦域能量密度為0. 35W/cm2 0. 5W/cm2，能在液體中產(chǎn)生空化效應(yīng)。將注入球形玻璃腔內(nèi)的不同尺寸的生物細(xì)胞或分子，例如DNA片段進(jìn)行破碎或打斷處理。該系統(tǒng)中進(jìn)行前期處理和產(chǎn)物檢測的生物細(xì)胞或分子的大小可以根據(jù)所需要的破碎頻率或反應(yīng)腔室大小進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)多種尺寸生物細(xì)胞或分子集成片上實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能。實(shí)施例2
一種集成球面玻璃腔聚焦超聲發(fā)射器的微流道網(wǎng)格片上實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的制備方法，包括以下步驟
第一步，采用干濕氧結(jié)合的方法在單面拋光的硅圓片上氧化5000A的氧化層，拋光面旋涂AZ P4620光刻膠，曝光顯影去除需要刻蝕微腔表面的光刻膠。利用Si微加工工藝在4 英寸Si圓片上刻蝕微腔和微流道淺腔，微流道將淺腔連接起來，所用硅片可以是標(biāo)準(zhǔn)厚度的硅片，厚度為500微米，所述淺腔的深度為60 100微米，微腔為1000微米飛000微米寬的方形或圓形腔，微流道腔為口徑為50微米的條形腔，腔長5毫米，連接相鄰兩個微腔方形腔，所述Si圓片上圖案結(jié)構(gòu)的微加工工藝為濕法腐蝕工藝，所用的腐蝕液為TMAH溶液， 濃度為25%，溫度為90攝氏度，刻蝕時間為1. 5 2. 5h
第二步，在數(shù)個淺腔中放置適量的高溫釋氣劑氫化鈦，可以用粒度較小的化學(xué)純(質(zhì)量百分比濃度為99%)，顆粒直徑為5 10微米，根據(jù)圓片微腔總體積和成型溫度下高溫釋氣劑氫化鈦分解速率為參考，內(nèi)置氫化鈦質(zhì)量為250微克，滿足圓片50個微腔所需的成型體積(氫化鈦在400攝氏度下空氣中進(jìn)行預(yù)處理，處理時間為M小時)。第三步，在特定的淺腔內(nèi)沉積多晶硅薄膜或壓電陶瓷薄膜，薄膜厚度為2微米 10 微米。利用加載在薄膜上的交變電壓，可以使薄膜產(chǎn)生激振，從而帶動球形玻璃腔的諧振， 產(chǎn)生頻率在20kHz IMHz的超聲波。第四步，將上述Si圓片與PyreX7740玻璃圓片(一種硼硅玻璃的品牌，美國康寧-corning公司生產(chǎn)，其尺寸與Si圓片相同)在0. 51 下陽極鍵合，使Pyrex7740玻璃上的上述淺腔形成密封腔體，鍵合表面在鍵合前應(yīng)該保持高度清潔和極小的表面粗糙度，以滿足常規(guī)鍵合的要求，按照陽極鍵合或其他鍵合的工藝要求進(jìn)行常規(guī)清洗和拋光，所述的陽極鍵合工藝條件為溫度400°C，電壓600V。反應(yīng)腔室氣密性良好，便于進(jìn)行生化實(shí)驗(yàn)。 同時，制備微流道集成反應(yīng)系統(tǒng)的透明性好，對可見光的透光度高達(dá)90%，便于進(jìn)行反應(yīng)后的產(chǎn)物定量檢測和分析。第五步，將上述鍵合好的圓片在一個大氣壓下加熱至850°C、8(TC，在該溫度下保溫;T5min，高溫釋氣劑快速熱分解，氣體擴(kuò)散至整個密封系統(tǒng)，各微腔內(nèi)部壓強(qiáng)平衡，壓腔內(nèi)外壓力差使軟化后的玻璃形成與上述微腔圖案結(jié)構(gòu)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，微腔尺寸相同，成型時相應(yīng)的玻璃微腔成型是受的表面張力相同，成型的玻璃微腔尺寸基本相同，而微流道尺寸和微腔尺寸相差40倍，表面張力相差40倍，由于表面張力的影響，相同的內(nèi)壓，微流道成型高度將相當(dāng)?shù)汀＠鋮s到常溫25°C，得到圓片級球形微腔，再將圓片置入退火爐，560°C保溫30min，然后緩慢風(fēng)冷至常溫(譬如25°C )，常壓(一個大氣壓)下退火消除應(yīng)力。第六步，在沉積了壓電薄膜材料的球形玻璃腔內(nèi)，給壓電薄膜材料通以一定頻率的交變電壓，使壓電材料產(chǎn)生激振，從而帶動玻璃球腔的諧振。球面玻璃腔聚焦超聲發(fā)射器的諧振頻率可根據(jù)玻璃微腔的尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為20kHflMHz。第七步，利用球形玻璃腔的諧振，球面玻璃腔聚焦超聲發(fā)射器的諧振頻率可根據(jù)玻璃微腔的尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為20kHflMHz。利用不同頻率的超聲波，球面玻璃腔聚焦超聲發(fā)射器的焦域能量密度為0. 35W/cm2 0. 5W/cm2，能在液體中產(chǎn)生空化效應(yīng)。將注入球形玻璃腔內(nèi)的不同尺寸的生物細(xì)胞或分子，例如DNA片段進(jìn)行破碎或打斷處理。該系統(tǒng)中進(jìn)行前期處理和產(chǎn)物檢測的生物細(xì)胞或分子的大小可以根據(jù)所需要的破碎頻率或反應(yīng)腔室大小進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)多種尺寸生物細(xì)胞或分子集成片上實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能。
權(quán)利要求
1.一種玻璃球面MEMS超聲換能器片上集成系統(tǒng)，其特征在于包括玻璃微流道系統(tǒng)(1) 和超聲激勵源(2)，所述玻璃微流道系統(tǒng)(1)是在玻璃圓片(7)上形成的，由圓柱形玻璃微流道(3)及與之相連通的球形玻璃微腔(4)以及襯底(5)構(gòu)成，在玻璃微流道系統(tǒng)內(nèi)充滿流體介質(zhì)，超聲激勵源(2)設(shè)于球形玻璃微腔的壁上，球形玻璃微腔在超聲激勵源的激勵下產(chǎn)生共振并發(fā)出超聲波，并在球面中心進(jìn)行自聚焦。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS玻璃球面超聲換能器片上集成系統(tǒng)，其特征在于所述的玻璃為硼硅玻璃，襯底為硅或者石英或者因瓦合金或者科瓦合金中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS玻璃球面超聲換能器片上集成系統(tǒng)，其特征在于所述超聲激勵源為處于磁場中的一條通入交變電流的金屬條，金屬條被設(shè)于球形玻璃微腔的壁上并與其牢固粘接，交變電流的頻率為超聲頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS玻璃球面超聲換能器片上集成系統(tǒng)，其特征在于球形玻璃微腔的半徑為0. 05mm-20mm。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS玻璃球面超聲換能器片上集成系統(tǒng)的制備方法， 其特征在于包括以下步驟首先，在襯底圓片上制作模板淺槽，模板淺槽包括微流道淺槽及與相連接的圓形淺槽；然后，在所述模板淺槽內(nèi)放置高溫釋氣劑粉末(6)；再用所述玻璃圓片與襯底圓片鍵合使得所述模板淺槽密封；在所述鍵合后的玻璃圓片表面上與圓形淺槽對應(yīng)位置制作粘附于玻璃圓片的金屬條，再將鍵合后的圓片加熱至玻璃軟化點(diǎn)以上的溫度， 高溫釋氣劑釋放出氣體使得軟化后的玻璃成型成帶有金屬條的玻璃微流道系統(tǒng)，金屬條處于磁場中并通入交變電流，交變電流的頻率為能與所制述球形玻璃微腔產(chǎn)生共振的超聲頻率，在玻璃微流道系統(tǒng)內(nèi)通入流體介質(zhì)，即獲得所述MEMS玻璃球面超聲換能器片上集成系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的MEMS玻璃球面超聲換能器片上集成系統(tǒng)，其特征在于所述玻璃為硼硅玻璃，所述襯底為硅，所述鍵合為陽極鍵合，條件為溫度400攝氏度，電壓600伏特。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的MEMS玻璃球面超聲換能器片上集成系統(tǒng)，其特征在于球形玻璃微腔的半徑為0. 05mm-20mm，微腔的厚度為0. 005mm_0. 2mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的MEMS玻璃球面超聲換能器片上集成系統(tǒng)的制備方法，其特征在于金屬條從玻璃表面向外依次是鉻、銅、金，鉻厚度為0. 05-0. 8微米，銅厚度為0. 7-5微米，金厚度為0. 2-0. 6微米。
9.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的MEMS玻璃球面超聲換能器片上集成系統(tǒng)的制備方法，其特征在于金屬條的寬度為100-400微米，呈迂回形，迂回長度為100-400微米，迂回金屬條間距為100-400微米。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的MEMS玻璃球面超聲換能器片上集成系統(tǒng)的制備方法，其特征在于流體介質(zhì)為水。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的MEMS玻璃球面超聲換能器片上集成系統(tǒng)的制備方法，其特征在于在球形玻璃微腔內(nèi)放置DNA或者細(xì)胞樣品。
全文摘要
本發(fā)明公開一種集成球面玻璃腔聚焦超聲發(fā)射器的微流道網(wǎng)格片上實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的制備方法，其特征在于以下步驟第一步，利用熱成型方法制備球形玻璃微腔或圓柱形微流道，第二步，在制備的球形玻璃微腔或圓柱形微流道上集成金屬條帶等振動激勵源，第三步，在集成了激勵源的玻璃微流道網(wǎng)格集成片上實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中放置生物細(xì)胞或分子，第四步，利用該集成片上實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對生物細(xì)胞或分子進(jìn)行處理。本發(fā)明基于玻璃球腔自身在外加電激勵或電磁激勵的條件下，產(chǎn)生頻率在20kHz~1MHz的諧振。該諧振頻率頻段為超聲頻段，可以用超聲波產(chǎn)生的空化效應(yīng)應(yīng)用于生物或者化學(xué)領(lǐng)域的微處理，例如細(xì)胞破碎、DNA打斷等。
文檔編號G01N35/00GK102430512SQ20111030069
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者尚金堂, 秦順金, 羅新虎 申請人:東南大學(xué)