分体式微机电系统及其制备方法

专利名称：分体式微机电系统及其制备方法
技术领域：
本发明涉及微加工技术，尤其涉及生物微机电系统。
背景技术：
随着微加工技术的不断发展，体积小、功耗低、无需复杂外部设 备、多种临床功能集成的便携式临床生物微机电系统成为当前研究的 热点，也被认为是下一代临床检验和监测并构建真正的床边医学
(Point of Care )的关键技术之一。与相关实验室研究蓬勃发展形成 鲜明对比的是，生物微机电系统的产业化发展一直缓慢甚至停滞不 前，这其中最终器件的成本问题被公认为是亟待解决的关键问题。
由于生化反应需要，生物微机电系统通常尺寸较大(cm量级)， 这就丧失了在微机械式传感器/执行器中由微加工技术所带来的单位 高产出的优势。同时在生物微机电系统中由于复杂功能实现的需要， 器件需要集成微金属电极(加热器、温度传感器等)以及CMOS电 路等昂贵的单步或集成工艺，这无疑使得本身已无法实现高单片产出
率的生物微机电系统的成本再次大为提高。尽管釆用聚合物材料，应 用软光刻技术等非微电子工艺能够制备出具有一定功能的、低成本的 生物芯片，但面对多功能以及复杂功能集成需要，该技术从根本上力 有不逮。与此同时，生化检测与分析的特殊性决定了与样品及反应试 剂直接接触的芯片无法重复使用，这使得相应的生物微机电系统必须 是一次性可抛弃的，在制备过程中所发生的所有费用都将成为相关生 化检测和分析的成本。因此，如何降低芯片制备成本成为摆在生物微 机电系统进入日常生活、真正为社会服务道路中亟待解决的关键问题 之一。
如Motorola公司提出了 一种全集成的生物微机电系统，该系统将微流体通道、微泵、微阀、微加热器、温度传感器、微检测器集成在 一个芯片系统中，在芯片中完成了血液样品的裂解、提取、扩增和检 测。该芯片包含多种功能，结构复杂，但制备成本较高；而微流体通 道的片上集成使得生物样品直接与芯片接触，从而使得芯片无法重复
使用；如前所述，上述两方面因素使得该芯片单位操作成本过高，不 具有实用性。

发明内容
本发明的目的是提供 一种分体式生物微机电系统及其制备方法， 该分体式生物微机电系统在提供优异功能的同时能够明显降低单位 搡作的成本，具有更大的实用价值和更广阔的产业化前景。
本发明的 一个方面提供了 一种分体式生物微机电系统，所述系统
包括结构上彼此独立的聚合物微流控芯片与功能基底；所述聚合物微 流控芯片包含样品通道，所述样品通道与所述聚合物微流控芯片的连 接处具有多个通口；所述功能基底包括形成于所述功能基底的底部 内表面上的绝缘层；以相同的间隔均匀分布于所述功能基底内的多个 隔热结构，所述多个隔热结构的顶部与所述功能基底的顶部表面相连 接，其底部与所述绝缘层相连接；位于所述功能基底的底部外表面上 的多个温度控制单元，每一所述多个温度控制单元位于两个相邻的隔 热结构之间。
其中，每一所述多个隔热结构包括连接结构和空气间隙结构，每 一所述空气间隙结构分别位于 一 个与之相对应的连接结构的上方且 所述空气间隙结构的宽度大于所述相对应的连接结构的宽度。
其中，每一所述多个温度控制单元包括微加热器和温度传感器。 本发明的另 一方面提供了 一种分体式生物微机电系统的制备方 法，所述方法包括聚合物微流控芯片的制备过程和功能基底的制备过 程。
其中，所述聚合物微流控芯片的制备过程包括釆用标准硅微加工工艺制备硅基模具；按比例配置聚合物预聚体且将其浇注于所述硅
基模具上；将所述浇注步骤后的模具置于真空中且去除浇注过程中产 生的气泡；将所述去除气泡步骤后的模具烘烤获得聚合物；将所述烘 烤步骤后的固化的所述聚合物脱模；在所述脱模步骤后的所述聚合物 上制备通口；将所述制备通口步骤后的所述聚合物与无图形聚和物薄 膜键和；
其中，所述功能基底的制备过程包括对功能衬底进行热氧化以 形成绝缘层；对功能衬底进行第一次光刻，先后溅射一定厚度的不同 金属，釆用剥离工艺制备出工作电极与引线电极；对功能衬底进行第 二次光刻，通过深刻蚀方式形成隔离槽，再通过淀积一定厚度的聚合 物来填充所述隔离槽的方式形成连接结构；对功能衬底进行第三次光 刻，通过氧等离子体刻蚀所述淀积的聚合物，在工作电极与其对应引 线电极之间形成互连窗口；对功能衬底进行溅射金属种子层，并进行 第四次光刻，由电镀金属制备相应的所述工作电极与引线电极之间的 互连引线，去除光刻胶及种子层后获得所述工作电极与引线电极之间 的电互连功能；对功能衬底再次淀积一定厚度的聚合物作为电隔离保 护，然后进行第五次光刻，并用氧等离子体刻蚀所述淀积的聚合物获 得引线电极与外界的引线接口 ；对功能衬底进行背面第六次光刻， 并进行功能衬底的深刻蚀实现空气间隙结构，进而实现温度控制单元 阵列。
其中，所述背面第六次光刻包括对所述功能衬底深刻蚀直到暴 露出所述淀积的聚合物隔离槽，构成空气间隙结构。
其中，所述背面第六次光刻包括对所述功能衬底深刻蚀至释放 所有残余衬底元素，再次淀积一定厚度的聚合物以填充多个所述淀积 的聚合物所填充的隔离槽之间的空间，形成空气间隙结构。
本发明的分体式微机电系统由结构上彼此独立的功能基底和聚 合物微流控芯片组成，两者相互结合，共同完成特定的生化分析和检测等功能，釆用分体式的系统架构，能够扬长避短，充分发挥不同基 质及不同微加工技术的优点。其中，功能基底是由高精度硅基微机电 系统加工技术实现，为最终分体式生物微机电系统提供包括温度传 感、加热、电学驱动、电学检测等功能或多种功能的组合；它的几何 结构复杂，尺寸精细，制备工艺中包含多种高成本工艺，制备成本较
高；同时，结构稳定，性能可靠，能够重复使用。而聚合物微流控芯 片是由高通量的聚合物微加工技术实现的，用于提供生化分析和检测 所需试剂及反应物等在最终分体式生物微机电系统中输运的通道、反 应腔式等载体；它的几何结构较为简单，尺寸精度要求低，可采用高 批量、低成本加工工艺实现，能够极低成本地制备出微流体通道及反 应腔室，保证生化检测与分析所需芯片透光性以及表面生化特性等特 殊需求，并且芯片最终成品成本极低，适于一次性使用。
本发明可以在不同的场合下应用，特别适于低成本、快速、多功 能集成的便携式临床生物微机电系统的设计。


图l是本发明实施例的分体式微机电系统的结构图2是本发明实施例的分体式微机电系统的制备方法中聚合物微
流控芯片的制备方法示意图3是本发明实施例的分体式微机电系统的制备方法中功能基底
的制备方法示意图。
具体实施例方式
本发明提出的分体式微机电系统及其制备方法，结合附图和实施 例说明如下。
本发明的分体式微机电系统的实施例如图l所示，所述系统包
括聚二甲基硅氧烷制备的微流控芯片1，其厚度约为2-3mm,所 述微流控芯片1含有待检测分析的样品通道3，所述通道的宽12为 200nm，厚度13为50(im，长度方向为蛇行排布，共2m长；所述凹形通道与所述微流控芯片的连接处具有两个孔径为lmm的通口 4，5; 功能基底2包括:形成于功能基底底部内表面上的二氧化硅绝缘层6， 其厚度为3000 A;以相同的间隔均匀分布在功能基底2内的的多个 聚对二甲苯连接结构8和空气间隙结构9，连接结构8用于实现不同 温度控制区之间的隔热及表面平面化功能，每一连接结构8的宽18 为100pm，深19为100pm;每一空气间隙结构9位于与之相对应的 连接结构8的上方且宽度20为200(im，深度21为300|mi;每个空气 间隙结构9和与其对应的连接结构8共同构成一个完整的隔热结构； 形成于功能基底底部外表面上的多个温度控制单元7，每一温度控制 单元7位于两个相邻的隔热结构之间，其尺寸为2mmx3mm,且每 一温度控制单元包括一个微加热器14和一个温度传感器15,其中， 微加热器14为叠状电极，其宽度为lOO^tm,拉伸后的总长度为 36220jxm，高度为0.2pm;温度传感器15为叠状电极，其宽度为30pm, 拉伸后总长度为27860|am,高度为0.2pm。
本发明的分体式微机电系统的实施例的微流控芯片的制备方法 如图2所示，本实施例采用经典软光刻技术对微流控芯片l进行加工 首先，釆用标准硅微加工工艺制备硅基模具10，尺寸与微流控芯片 的样品通道3相同；按10:1比例配制聚二甲基硅氧烷前聚体11，并 将其浇铸于硅基模具10上，之后将浇注步骤后的模具置于真空中， 去除浇注操作过程中产生的气泡；然后将去除气泡后的模具置于烘箱 中，在80。C条件下烘烤2小时，待聚二甲基硅氧烷预聚体完全固化 后将其与模具脱离；根据图l所示实施例的样品通道的进出口位置通
过打孔器在脱模后的聚二甲基硅氧烷预聚体上制备孔径均为lmm的 进出通口 4, 5;最后将制备了通口的聚二甲基硅氧烷预聚体与一无 图形聚二甲基硅氧烷薄膜键合，从而实现本实施例的微流控芯片1。 其中，微流控芯片还可以釆用激光加工、注塑等方法实现。 本发明的分体式微机电系统的实施例的功能基底的制备方法如图3所示，首先，对硅片衬底进行热氧化，形成厚度为3000 A的绝缘
层6，进行第一次光刻，再先后溅射厚度分别为150A和2000A的Cr和 Pt，通过剥离工艺制备出微加热器14和温度传感器15;然后进行第二 次光刻，对硅衬底深刻蚀得到深度为100pm，宽度"pm的热隔离槽， 再淀积5pm聚对二甲苯16填充隔离槽，形成连接结构8;再进行第三 次光刻，对硅片衬底进行氧等离子体刻蚀，暴露出芯片内Pt工作电极 与引线电极的互连窗口；对硅衬底溅射Au种子层，并进行第四次光 刻，由电镀Au制备Pt工作电极与引线电极之间的互连引线17，继而去 光刻胶、去种子层后获得所述互连引线的既定的电互连功能；对硅衬 底再次淀积5pm聚对二甲苯16作为电隔离保护，再进行第五次光刻， 并用氧等离子体体刻蚀聚对二甲苯以获得芯片引线电极与外部电路 之间的互连窗口 (引线接口)；背面第六次光刻，硅衬底深刻蚀至暴 露聚对二甲苯隔离槽，构成空气间隙结构9;或，背面第六次光刻， 硅衬底深刻蚀至释放所有残余硅(包括聚对二甲苯隔离槽之间的残余 硅)，再次淀积5)am聚对二甲苯，使得聚对二甲苯隔离槽之间的间隙 被新淀积的聚对二甲苯所填充，同时形成空气间隙结构9;最终获得 温度控制单元阵列7。
其中，隔离槽内聚合物(聚对二甲苯)可以釆用其他低导热系数 可化学气相淀积的材料代替；第一次溅射金属(Cr和Pt)可以釆用 (Ti/W/Cu)等常规微电子常用金属材料代替；金属种子层(Au种子 层)可以釆用Cu种子层代替。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关 技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下， 还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明 的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
权利要求
1、一种分体式微机电系统，其特征在于，所述系统包括结构上彼此独立的聚合物微流控芯片与功能基底；所述聚合物微流控芯片包含样品通道，所述样品通道与所述聚合物微流控芯片的连接处具有多个通口；所述功能基底包括形成于所述功能基底的底部内表面上的绝缘层；以相同的间隔均匀分布于所述功能基底内的多个隔热结构，每一所述多个隔热结构的顶部与所述功能基底的顶部表面相连接，其底部与所述绝缘层相连接；位于所述功能基底的底部外表面上的多个温度控制单元，每一所述多个温度控制单元位于两个相邻的隔热结构之间。
2、 如权利要求i所述的分体式微机电系统，其特征在于，每一所 述多个隔热结构包括连接结构和空气间隙结构，每一所述空气间隙结 构分别位于 一 个与之相对应的连接结构的上方且所述空气间隙结构 的宽度大于所述相对应的连接结构的宽度。
3、 如权利要求l所述的分体式微机电系统，其特征在于，每一 所述多个温度控制单元包括微加热器和温度传感器。
4、 一种分体式微机电系统的制备方法，其特征在于，所述方法 包括制备聚合物微流控芯片的过程和制备功能基底的过程。
5、 如权利要求4所述的分体式微机电系统的制备方法，其特征 在于，所述制备聚合物微流控芯片的过程包括以下步骤采用标准硅微加工工艺制备硅基模具； 按比例配置聚合物预聚体且将其浇注于所述硅基模具上； 将所述浇注步骤后的模具置于真空中且去除浇注过程中产生的 气泡；将所述去除气泡步骤后的模具烘烤获得聚合物； 将所述烘烤步骤后的固化的所述聚合物脱模；在所述脱模步骤后的所述聚合物上制备多个通口 ；将所述制备通口步骤后的所述聚合物与无图形聚和物薄膜键和；
6、 如权利要求4所述的分体式微机电系统的制备方法，其特征在于，所述制备功能基底的过程包括以下步骤对功能衬底进行热氧化以形成绝缘层；对功能衬底进行第一次光刻，先后溅射一定厚度的不同金属，釆 用剥离工艺制备出工作电极与引线电极；对功能衬底进行第二次光刻，通过深刻蚀方式形成隔离槽，再通 过淀积一定厚度的聚合物来填充所述隔离槽的方式形成连接结构；对功能衬底进行第三次光刻，通过氧等离子体刻蚀所述淀积的聚 合物，在工作电极与其对应的引线电极之间形成互连窗口；对功能衬底进行溅射金属种子层，并进行第四次光刻，由电镀金 属制备相应的所述工作电极与引线电极之间的互连引线，去除光刻胶 及种子层后获得所述工作电极与引线电极之间的电互连功能；对功能衬底再次淀积一定厚度的聚合物作为电隔离保护，然后进 行第五次光刻，并用氧等离子体刻蚀所述淀积的聚合物获得引线电极 与外界的引线接口；对功能衬底进行背面第六次光刻，并进行功能衬底的深刻蚀实现 空气间隙结构，进而实现温度控制单元阵列。
7、 如权利要求6所述的分体式微机电系统的制备方法，其特征在于，所述背面第六次光刻包括对所述功能衬底深刻蚀直到暴露出 所述淀积的聚合物所填充的隔离槽，构成空气间隙结构。
8、 如权利要求6所述的分体式微机电系统的制备方法，其特征 在于，所述背面第六次光刻包括对所述功能衬底深刻蚀至释放所有 残余衬底元素，再次淀积一定厚度的聚合物以填充多个所述淀积的聚 合物所填充的隔离槽之间的空间，形成空气间隙结构。
全文摘要
本发明涉及微加工技术，特别地，涉及生物微机电系统。本发明提供了一种分体式微机电系统及其制备方法。所述分体式微机电系统包括结构上彼此独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机电系统加工技术实现，结构稳定，性能可靠，能够重复使用；微流控芯片由高通量的聚合物微加工技术实现，成本极低，适于一次性使用。本发明可以在不同的场合下应用，特别适于低成本、快速、多功能集成的便携式临床生物微机电系统的设计。
文档编号B81B7/00GK101445216SQ20081023901
公开日2009年6月3日 申请日期2008年12月4日 优先权日2008年12月4日
发明者李志宏, 玮 王, 雷银花 申请人:北京大学