玻璃基芯片及其制作方法

摘要

本发明涉及一种玻璃基微流控芯片及其制作方法。所述玻璃基芯片内部具有微通道，所述微通道包括若干第一微通道，所述第一微通道为封闭的腔室；所述制作方法包括如下步骤：获取底玻璃片和盖玻璃片；将所述盖玻璃片贴合于所述底玻璃片后形成所述微通道，得贴合片；将所述贴合片转移至加热装置中，以0.5～2℃/min的升温速率升温至玻璃的退火温度以上；然后再经退火降温工序，得所述玻璃基芯片。本发明针对包含封闭微结构的玻璃片，通过合理调控升温速率，可以在升温键合的过程中，使第一微通道中的微量水分均匀地汽化、蒸发，保证封闭微通道的结构，能够节省芯片的制作时间，提高生产效率。

权利要求

1.一种玻璃基芯片的制作方法，其特征在于，所述玻璃基芯片内部具有微通道，所述微通道包括若干第一微通道，所述第一微通道为封闭的腔室；

所述制作方法包括如下步骤：

获取底玻璃片和盖玻璃片；

将所述盖玻璃片贴合于所述底玻璃片后形成所述微通道，得贴合片；

将所述贴合片转移至加热装置中，以0.5～2℃/min的升温速率升温至玻璃的退火温度以上；然后再经退火降温工序，得所述玻璃基芯片；

所述升温的方法为：以0.9～1.1℃/min的升温速率升温至545～555℃，并在545～555℃下保温55～65min；然后在55～65min内升温至595～605℃，并在595～605℃下保温175～

185min。

2.根据权利要求1所述的玻璃基芯片的制作方法，其特征在于，所述升温速率为0.8～

1.5℃/min。

3.根据权利要求1所述的玻璃基芯片的制作方法，其特征在于，所述退火降温工序为以

1～3℃/min的平均速率降至室温。

4.根据权利要求1所述的玻璃基芯片的制作方法，其特征在于，所述微通道还包括若干第二微通道；所述第二微通道具有若干与大气相连通的开口。

5.根据权利要求1-4任一项所述的玻璃基芯片的制作方法，其特征在于，所述底玻璃片的表面刻蚀有凹陷部，将所述盖玻璃片贴合于所述表面后，该凹陷部与所述盖玻璃片之间形成所述微通道；

获取所述底玻璃片的方法包括如下步骤：

获取基片，所述基片上刻蚀有基片凹陷部，并开设有与所述基片凹陷部相连通的进液口；所述基片凹陷部与所述底玻璃片表面刻蚀的凹陷部相对应；

将所述基片与玻璃片进行可逆键合，所述基片凹陷部与玻璃片的表面形成腔室；

由所述进液口向所述腔室注入刻蚀液，对所述玻璃片进行刻蚀，即在所述玻璃片的表面形成所述凹陷部；

拆去所述基片，即得所述底玻璃片。

6.根据权利要求5所述的玻璃基芯片的制作方法，其特征在于，所述刻蚀 液包括体积比为1:1～3:15～25的氢氟酸、硝酸和水。

7.根据权利要求5所述的玻璃基芯片的制作方法，其特征在于，所述基片的材料为聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯中的一种或多种组合。

8.根据权利要求5-7任一项所述的玻璃基芯片的制作方法，其特征在于，将所述基片与所述玻璃片进行可逆键合后，对所得芯片进行加热烘烤，烘烤温度为60～70℃，时间为1～3小时。

9.权利要求1-8任一项所述的玻璃基芯片的制作方法制作得到的玻璃基芯片。

说明书

玻璃基芯片及其制作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及微流控芯片制造技术，特别是涉及玻璃基芯片及其制作方法。

背景技术

[0002] 微流控芯片是一种以在微米级尺寸通道内对流体进行操控为主要特征的科学技术，具有将生物、化学等实验室中样品制备、分离分析、检测等基本单元操作微缩到一个几平方厘米芯片上的能力，因此又被称作“微全分析系统”。由于具有集成度高、试剂消耗少、分析速度快、易于自动化等特点，微流控芯片已受到研究者的广泛研究，并已在生物、医药、化学等领域中出现了商品化产品。

[0003] 用于制作微流控芯片的材料有玻璃、聚合物材料、纸等，其中，在很多高校、研究院所都有相关的实验仪器设备制作聚二甲基硅氧烷(PDMS)基微流控芯片——一种聚合物材料芯片。然而，PDMS基微流控芯片的电渗性能差，使其难于适用于电泳实验；PDMS是疏水性材料，在利用水溶性样品进行实验时，往往需要对芯片进行亲水性处理。因此，PDMS基微流控芯片在一定程度上受到使用限制。

[0004] 与PDMS一样，玻璃也是一种常用于加工微流控芯片的材料，其具有高的杨氏模量、稳定的化学性质和热性质、电导率低、透明性好等特点。

[0005] 目前，键合玻璃基微流控芯片的方法众多。尽管有研究者尝试了环氧树脂胶粘法、薄膜粘接法等比较简单的可逆键合方法，但是效果均不理想，因此不可逆的高温键合法应用范围更广。高温键合法是指通过将待键合的两块洁净玻璃片贴合在一起，然后转移到马弗炉里，通过加热加压使温度上升至玻璃的退火温度以上，此时两块玻璃界面发生聚合反应而结合在一起，然后再经过退火、降温等温控阶段完成整个芯片的键合过程。然而，当芯片中含有封闭的微结构时，例如在十字形芯片的分离通道侧边刻蚀上表示距离的刻度线，按照常规的高温键合法难以成型封闭的微通道结构，甚至会破坏芯片的整体结构，难以保证玻璃基微流控芯片的产品质量。

[0006] 此外，目前常用的制作玻璃基微流控芯片的方法为标准光刻结合湿法刻蚀的方法：含有图案结构的掩膜覆盖在预先涂覆有薄光胶层和牺牲层的玻璃上(匀胶铬版)；随后，在一定强度平行紫外光的照射下，掩膜上的图案转移至匀胶铬版；再通过显影、定影和湿法刻蚀等步骤便可在匀胶铬版上制造出所想要的微结构；含有微结构的匀胶铬版接着与一盖玻璃片玻璃键合封装，便可制造出一个完整的芯片。然而，采用该方法需要制作匀胶铬版，涉及到购买昂贵的仪器设备。这不仅使得加工玻璃基微流控芯片的成本大幅上涨，而且对于一些小企业和初入行研究者来说，更是难以有相应的经济能力。尽管目前有人使用激光烧蚀法、粉末轰击法、超声波法等技术在玻璃上加工微通道，但这些机械加工法得到的微通道粗糙度相对较大，难以满足使用要求。

发明内容

[0007] 基于此，有必要提供一种玻璃基芯片的制作方法。

[0008] 一种玻璃基芯片的制作方法，所述玻璃基芯片内部具有微通道，所述微通道包括若干第一微通道，所述第一微通道为封闭的腔室；

[0009] 所述制作方法包括如下步骤：

[0010] 获取底玻璃片和盖玻璃片；

[0011] 将所述盖玻璃片贴合于所述底玻璃片后形成所述微通道，得贴合片；

[0012] 将所述贴合片转移至加热装置中，以0.5～2℃/min的升温速率升温至玻璃的退火温度以上；然后再经退火降温工序，得所述玻璃基芯片。

[0013] 本发明通过研究发现，对于包含封闭微通道(即第一微通道)的玻璃基芯片，当采用传统的高温键合法时，其中包含的微量水分会迅速汽化，致使其在熔融键合时会形成气腔，进而影响甚至破坏第一微通道的结构。而若采用分步的高温键合方法，即将待键合芯片在干燥箱里低温(通常是60～100℃)干燥至次微通道里水分消失后再转移到马弗炉，则需要耗费几个甚至十多个小时，这样无疑会增加芯片的制作时间和步骤。

[0014] 基于此，本发明的玻璃基芯片的制作方法，通过合理调控升温速率为0.5～2℃/min，可以在升温键合的过程中，使第一微通道中的微量水分均匀地汽化、蒸发，保证封闭微通道的结构，能够节省芯片的制作时间，提高生产效率。

[0015] 本发明所述的玻璃的退火温度可根据不同的玻璃材质进行常规确定。

[0016] 在其中一个实施例中，所述升温速率为0.8～1.5℃/min。

[0017] 在其中一个实施例中，以0.9～1.1℃/min的升温速率(平均速率)升温至545～555℃，并在545～555℃下保温55～65min；然后在55～65min内升温至595～605℃，并在595～605℃下保温175～185min。

[0018] 在其中一个实施例中，所述退火降温工序为以1～3℃/min的平均速率降至室温。

[0019] 在其中一个实施例中，所述微通道还包括若干第二微通道；所述第二微通道具有若干与大气相连通的开口。

[0020] 在其中一个实施例中，所述底玻璃片的表面刻蚀有凹陷部，将所述盖玻璃片贴合于所述表面后，所述凹陷部与所述盖玻璃片之间形成所述微通道。

[0021] 在其中一个实施例中，所述底玻璃片的表面刻蚀有凹陷部，将所述盖玻璃片贴合于所述表面后，所述凹陷部与所述盖玻璃片之间形成所述微通道；

[0022] 获取所述底玻璃片的方法包括如下步骤：

[0023] 获取基片，所述基片上刻蚀有基片凹陷部，并设有与所述基片凹陷部相连通的进液口；所述基片凹陷部与所述底玻璃片表面刻蚀的凹陷部相对应；

[0024] 将所述基片与玻璃片进行可逆键合，所述基片凹陷部与玻璃片的表面形成腔室；

[0025] 由所述进液口向所述腔室注入刻蚀液，对所述玻璃片进行刻蚀，即在所述玻璃片的表面形成所述凹陷部；

[0026] 拆去所述基片，即得所述底玻璃片。

[0027] 该底玻璃片的制作方法，通过先采用刻蚀有基片凹陷部的基片与玻璃片进行可逆键合，然后向形成的腔室中注入刻蚀液，刻蚀液根据基片凹陷部的形状对玻璃片进行刻蚀，即可相应在玻璃片表面形成所述凹陷部，由此不需要制作和使用匀胶铬版，避免了昂贵的仪器设备购置费用，避免了使用匀胶铬版造成的重金属污染环境的问题，且操作简单，加工难度和成本均较低，便于批量生产，能够在大多数科研院所所和企业里开展芯片加工，具有良好的应用前景。

[0028] 在其中一个实施例中，所述蚀刻液包括体积比为1:1～3:15～25的氢氟酸(HF)、硝酸和水。

[0029] 对于底玻璃片的制作，若玻璃是含有较多金属氧化物的材质，则容易与氢氟酸反应而生成难容于水的沉淀，进而影响微通道的刻蚀质量。本发明通过采用上述刻蚀液，合理控制氢氟酸、硝酸和水的体积比，在保证刻蚀液对玻璃有足够快的刻蚀速率的同时，不仅避免因氢氟酸和硝酸的浓度过高而破坏基片与玻璃片的键合，还保证了底玻璃片上微通道形成的精确性和均一性。

[0030] 上述刻蚀的时间依据所需要的凹陷部的深度而定。在其中一个实施例中，所述刻蚀的时间为40min，温度为25℃。

[0031] 在其中一个实施例中，所述基片的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)中的一种或多种组合。采用该材料的基片，在刻蚀过程中，不与刻蚀液发生反应，能够避免对刻蚀液与玻璃片的反应造成影响。

[0032] 在其中一个实施例中，将所述基片与所述玻璃片进行可逆键合后，对所得芯片进行加热烘烤，烘烤温度为60～70℃，时间为1～3小时。以增加基片与玻璃片之间的粘合。

[0033] 在其中一个实施例中，所述可逆键合的方法为加压键合、粘贴键合、氧等离子体法中的一种或几种的组合。

[0034] 在其中一个实施例中，所述刻蚀液的注入速率为0.1μL/min～5μL/min。当所述可逆键合的方法为氧等离子体法时，所述刻蚀液的注入速率优选为0.5μL/min～2μL/min。

[0035] 在其中一个实施例中，拆去所述基片的方法为：利用浓硫酸或浓硫酸与其它强酸所组成的混合液浸泡后去除。

[0036] 在其中一个实施例中，拆去所述基片后，用水冲洗所述底玻璃片，并用氮气吹出所述凹陷部中的液体。

[0037] 本发明还提供所述的玻璃基芯片的制作方法制作得到的玻璃基芯片。

[0038] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0039] 本发明的玻璃基芯片的制作方法，针对包含第一微通道的玻璃基芯片，通过合理调控升温速率为0.5～2℃/min，可以在升温键合的过程中，使第一微通道中的微量水分均匀地汽化、蒸发，保证封闭微通道的结构，能够节省芯片的制作时间，提高生产效率。

[0040] 本发明的底玻璃片的制作方法，通过先采用刻蚀有基片凹陷部的基片与玻璃片进行可逆键合，然后再采用刻蚀液进行刻蚀，即可在玻璃片的表面形成所述凹陷部。由此不需要制作和使用匀胶铬版，避免了昂贵的仪器设备购置费用，避免了使用匀胶铬版造成的重金属污染环境的问题，且操作简单，加工难度和成本均较低，便于批量生产，能够在大多数科研院所所和企业里开展芯片加工，具有良好的应用前景。

附图说明

[0041] 图1为本发明一实施例中的底玻璃片的结构示意图；

[0042] 图2为本发明一实施例中的底玻璃片的制作流程示意图；

[0043] 图3为本发明一实施例中的基片的制作流程示意图；

[0044] 图4为本发明一实施例制作得到的玻璃基微流控芯片的实物图。

具体实施方式

[0045] 以下结合具体实施例对本发明的玻璃基芯片及其制作方法作进一步详细的说明。

[0046] 实施例

[0047] 本实施例提供一种玻璃基微流控芯片的制作方法，所述玻璃基微流控芯片内部具有微通道，该微通道包括第一微通道，所述第一微通道不具有与大气相连通的开口，为封闭的微结构。在本实施例中，所述玻璃基微流控芯片还设置有开孔，该微通道还包括第二微通道，所述第二微通道的两端连接至所述开孔，形成两个可与大气相连通的开口。可理解，在其它实施例中，也可将第二微通道的两端连接至所述玻璃基微流控芯片的边缘，以形成与大气相连通的开口。

[0048] 上述制作方法包括如下步骤：

[0049] (1)获取底玻璃片和盖玻璃片；

[0050] (2)将底玻璃片和盖玻璃片清洗干净，在超纯水中贴合在一起，形成上述微通道，得贴合片；

[0051] (3)将所述贴合片转移至马弗炉中，以0.5～2℃/min的升温速率升温至玻璃的退火温度以上，再经退火降温工序后，即得玻璃基微流控芯片。

[0052] 在本实施例中，采用的底玻璃片和盖玻璃片材质为钙钠玻璃；所述退火温度为500～530℃。

[0053] 在本实施例中，升温的方法具体为以1℃/min的平均速率升温至550℃，并在550℃下保温60min；然后在60min内升温至600℃，并在600℃下保温180min。然后以2℃/min的平均速率退火降温降至室温。

[0054] 由此可以在升温键合的过程中，最大限度的使微通道，尤其是第一微通道中的微量水分均匀地汽化、蒸发，保证封闭微通道的结构，能够节省芯片的制作时间，提高生产效率。

[0055] 在本实施例中，如图1所示，底玻璃片10的表面刻蚀有凹陷部，该凹陷部包括第一凹陷部11以及第二凹陷部12，同时还设置有开孔13。其中，第一凹陷部11的两端部均位于底玻璃片10的边缘以内，将底玻璃片与盖玻璃片相贴合后，第一凹陷部11与盖玻璃片之间形成所述第一微通道；第二凹陷部12的两端连接至开孔13处，将底玻璃片与盖玻璃片相贴合后，第二凹陷部12与盖玻璃片之间形成所述第二微通道。

[0056] 如图2所示，获取底玻璃片10的方法包括如下步骤：

[0057] 1.1获取基片，如图2a所示，基片20上设置有基片凹陷部21，基片凹陷部21的图形根据底玻璃片10的表面所需刻蚀的凹陷部制作，与该凹陷部相对应。具体地，基片凹陷部21包括第一基片凹陷部和第二基片凹陷部，所述第一基片凹陷部与第一凹陷部11相对应，且基片20上还设置有连通至所述第一基片凹陷部的进液口22，具体可采用打孔器在合适的位置进行打孔形成，数量也可根据需要进行设置，保证所有第一基片凹陷部在后续均能够进行刻蚀液的灌注即可。所述第二基片凹陷部与第二凹陷部12相对应。

[0058] 在本实施例中，基片的材料为PDMS。可理解，在其它实施例中，也可采用PMMA和/或PC，由此在刻蚀过程中，保证基片不与刻蚀液发生反应，能够避免对刻蚀液与玻璃片的反应造成影响。

[0059] 取玻璃片30，通过激光、超声波或金刚石钻头对玻璃片30进行打孔，形成开孔13(图2中未示出)。

[0060] 1.2如图2b所示，将基片20与玻璃片30(江苏世泰实验器材有限公司，标准级显微镜载玻片)进行可逆键合，第一基片凹陷部与玻璃片30的表面形成第一腔室，第二基片凹陷部与玻璃片30的表面形成第二腔室，得PDMS-玻璃杂合微流控芯片。

[0061] 在本实施例中，该可逆键合的方法为氧等离子体法，并在键合后对所得芯片进行加热烘烤，烘烤温度为65℃，时间为2h，以增加基片20与玻璃片30之间的粘合。可理解，在其它实施例中，也不进行加热烘烤，或采用其它可逆键合方法，如粘贴键合、加压键合中的一种或几种的组合。

[0062] 1.3向所述第一腔室和第二腔室中灌注刻蚀液：

[0063] 如图2c所示，对于所述第一腔室，将塑料管的一端与基片20的进液口22相连，另一端与预先装有刻蚀液的注射器40相连，然后将注射器40固定在进样泵50上。通过设定进样泵50流速，使进样泵50在启动后连续或间歇地向第一腔室中灌注刻蚀液，由此对玻璃片30进行刻蚀，即在玻璃片的表面形成所述第一凹陷部。

[0064] 对于所述第二腔室，由于第一基片凹陷部与开孔13相连通并形成开口，可无需额外开孔，将塑料管的一端与该开口相连，另一端与注射器40相连即可。然后同理地，通过设定进样泵50流速，使进样泵50在启动后连续或间歇地向第二腔室中灌注刻蚀液，由此对玻璃片30进行刻蚀，即在玻璃片的表面形成所述第二凹陷部。

[0065] 在本实施例中，采用的刻蚀液包括体积比为1:2:21的HF、硝酸和水，刻蚀液的注入速率为0.5μL/min～2μL/min。而灌注刻蚀液所需的时间依据刻蚀液的刻蚀速率和所需的玻璃基微流控芯片通道深度而定，在本实施例中刻蚀的时间为40min，温度为25℃。

[0066] 1.4拆去基片，然后将所得玻璃片置于浓硫酸中，以进一步除去残留的PDMS，取出后再用水冲洗所得玻璃片，氮气吹出凹陷部中的液体，以免残留的刻蚀液对玻璃片进行继续刻蚀，即得具有与基片凹陷部21图形相对应的凹陷部的玻璃片，即底玻璃片10，如图2d所示。

[0067] 更具体地，在本实施例中，如图3所示，步骤1.1中获取基片的方法可包括如下步骤：

[0068] 1.1.1硅片清洗：通过常规的脱脂、酸洗、水洗步骤使硅片表面得以洁净，具体可依次经丙酮、浓硫酸和超纯水清洗；然后将其除湿干燥，图3a。

[0069] 1.1.2匀胶：将洁净的硅片置于匀胶机上，通过旋转涂覆法使其涂上具有一定厚度的负光刻胶(SU-8光刻胶)，图3b。

[0070] 1.1.3前烘：通过热平板或恒温加热箱等方式烘烤涂有负光刻胶的硅片，以使负光刻胶液中的溶剂挥发，烘烤条件为在95℃下烘烤15min。

[0071] 1.1.4曝光：将掩膜置于负光刻胶与光刻机的光源之间，利用紫外光进行曝光，曝光时间可为10s，使掩膜上的通道图案转移至负光刻胶上，图3c。

[0072] 1.1.5后烘：曝光结束后，将曝光后的硅片置于热平板或恒温加热箱中进行后烘，后烘的条件为先在65℃下烘烤1min后，再在95℃下烘烤15min，以促进负光刻胶中曝光区域的交联反应。

[0073] 1.1.6显影：完成后烘后，通过显影液除去负光刻胶中非曝光区域的胶，以获得与掩膜相反的通道图形，亦即得到带有微通道图案的硅片。在这里，该硅片也被称为阳模，图3d。

[0074] 1.1.7坚模：为增加胶模与硅片基片之间的粘附力，显影结束后得到的阳模需要在65℃烘烤2h。

[0075] 1.1.8倒胶：聚二甲基硅氧烷(PDMS)单体与固化剂按10:1比例混匀后，脱气，得到无气泡的透明预聚物；然后将预聚物倒入预先制作好的带有围堰结构的阳模上，图3e。随即转移至热平板或恒温加热箱等中进行加热，加热的温度为65℃，时间为3h，使预聚物完全固化。

[0076] 1.1.9脱模、打孔：小心地从阳模上剥离固化的带有微通道结构(即基片凹陷部)的PDMS，图3f，然后利用打孔器打孔形成进液通道，即得基片20。

[0077] 可理解，在其它实施例中，步骤1.1.1中，所使用的硅片可以由玻璃、金属等代替。

[0078] 在步骤1.1.2中，匀胶工序也可以通过刷涂法、喷涂法等方法在硅片上面涂覆一定厚度的负光刻胶。

[0079] 在步骤1.1.4中，曝光工序也不仅限于采用光刻机，也可以通过其他方法来光刻过程。

[0080] 通过上述玻璃基微流控芯片的制作方法制作得到的玻璃基微流控芯片的显微照片如图4所示。

[0081] 任意在制作得到的玻璃基微流控芯片的第一微通道和第二微通道上取点进行测量，得到的平均宽度为73μm，相对标准偏差(RSD)为0.03％。由此说明制得的玻璃基微流控芯片微通道的宽度均一性高，加工质量高。同时，也可以观察到第一微通道的结构较为完整。

[0082] 对比例

[0083] 本对比例一种玻璃基微流控芯片的制作方法，其步骤同实施例，区别在于：步骤(3)中，以5℃/min的平均升温速率升温至玻璃的退火温度以上(600℃)。

[0084] 制作得到的玻璃基微流控芯片的第一微通道，与实施例相同位置的第一微通道相比，发现对比例的第一微通道严重变形，形成了鼓起的泡状，不仅导致芯片表面不平整，还引起附近第二微通道发生扭曲变形。

[0085] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

[0086] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。