CN1365003A - 电泳微芯片的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种电泳微芯片的制作方法,其特征在于该方法包括下列步骤:(1)电泳微芯片的设计:根据电泳微芯片的功能要求,结合相应的工艺条件,考虑以下几个参数:进样泳道和分离泳道的宽度、长度、管道的形状(包括弯道、弧度、不规格形状等)和管道间的距离等进行芯片图形设计,将设计好的图形制作成掩模版;(2)电泳微芯片的制作步骤是:选择优质石英作为芯片的基片,利用光刻湿法腐蚀方法在基片上形成凹槽等,然后利用键合技术形成微管道网络,构成电泳微芯片。其优点是:湿法腐蚀过程采用铬和光刻胶双层保护,保护可靠,键合过程采用预键合和烧结过程相结合的方法,免除了复杂的升温降温程序,工艺过程更简化,工艺条件较易满足,方法具有通用性,适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及电泳，特别是一种电泳微芯片的制作方法。
背景技术
毛细管电泳是一种新的分离分析技术，由于其具有快速、高效、试剂消耗少等优点，已经被广泛用于生命科学、生物技术、临床医学、药物学和环境保护等领域。近几年来，随着生物芯片技术和各种微组装技术的发展，出现了基于微电子机械系统技术(MEMS)的毛细管电泳微芯片技术，它采用微加工技术，在几平方厘米大小的芯片上刻蚀出微管道网络和其他功能单元，形成进样、反应、分离、检测于一体的快速、高效、低耗的微型分析装置。它的关键技术不仅涉及到微加工技术、芯片材料性能、信号的检测、采集和处理技术方面的知识，还涉及到广泛的基础理论和应用基础知识，例如微管道中粒子的运动规律、芯片的导电和导热性能、通道内壁吸附及微区反应规律等。与传统的毛细管电泳相比，具有易于集成化、微型化等优越性，有可能克服单管毛细管电泳单位时间信息量小和阵列毛细管电泳制作复杂、价格昂贵的缺点等。
制作芯片所用的材料可以是硅、普通玻璃、优质石英以及有机高聚物等。其中硅材料具有良好的微加工性能，散热性好，利用阳极加点法，硅与玻璃易键合形成封闭管道网络，但硅基芯片不能承受高电压，所以不能直接用于实现高效电泳分离。普通玻璃由于是晶态和非晶态的混合体，除非采用特殊成分的玻璃，否则无法用湿法腐蚀的方法来形成管道，而且热键合时需用一个精确控制的升温降温程序。而石英玻璃不仅具有良好的微加工性能，散热性、透光性和绝缘性均良好，而且管道内壁特性与常规毛细管相近，易于处理，所以是使用最多的一种材料，但石英玻璃的键合方法存在较大难度，在文献中未见有详细报道。有机高聚物的优点是便宜，批量生产成本低，管道网络可以用压模技术制作，可以采用热封盖或用胶粘剂粘合；它的缺点是表面特性不是很清楚，而且不耐高温。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，考虑到石英良好的微加工性能、表面特性以及石英的光学特性，易于实现信号的高灵敏光学检测，解决以石英作为芯片基体材料制作电泳微芯片的各种工艺技术，提供一种以石英为基体材料的电泳微芯片的制作方法。
本发明电泳微芯片的制作方法就是进行芯片图形设计，然后选择优质的石英玻璃，利用金属和光刻胶作为双重保护，腐蚀出相应的凹槽等，然后用亲合溶液浸泡并进行预键合，再高温烧结即得到所需的电泳微芯片。
具体地说，一种电泳微芯片的制作方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
(1)电泳微芯片的设计
根据电泳微芯片的功能要求，结合相应的工艺条件，考虑以下几个参数：进样泳道和分离泳道的宽度、长度、管道的形状(包括弯道、弧度、不规格形状等)，管道间的距离等进行芯片图形设计，将设计好的图形制作成掩模版；
(2)电泳微芯片的制作
选择优质石英作为芯片的基片，利用光刻湿法腐蚀方法在基片上形成凹槽等，然后利用键合技术形成微管道网络，构成电泳微芯片；
具体的制作过程包括下列八个步骤：
(1)将石英片按要求裁剪成一定规格如5cm×5cm，清洗干净后，用N2流吹干，80℃预烘10分钟；之后在表面镀上一层金属铬作为腐蚀图形时起保护作用的牺牲层；
(2)然后在甩胶机上涂上一层光刻胶；
(3)在光刻机中将掩模版与基片对准，紫外线曝光，将掩模版上的泳道图形转移到石英基片上；
(4)显影去掉曝光部分的光刻胶，氮气流吹干后在显微镜下检查泳道图形是否良好；
(5)100℃下坚膜1小时，用铬腐蚀液(硝酸铈氨∶高氯酸∶水＝60.4g∶16ml∶320ml)去掉保护层，反应条件为室温25℃，时间2分钟，将图形转移到石英层；
(6)然后再用腐蚀液(氢氟酸∶冰醋酸∶过氧化氢＝2∶1∶1)，40℃水浴条件下腐蚀石英，根据腐蚀时间估算腐蚀深度，并用台阶仪测量最终深度；
(7)根据要求在设计位点打孔作储液池或样品注入和输出口，用丙酮清洗去表层的光刻胶，再用铬腐蚀液腐蚀去掉余下的铬保护层，获得刻蚀好的基片；
(8)最后键合；
所说的在甩胶机上涂光刻胶的条件是：采用1813号正胶，转速3000转/分，然后在80℃烘15分钟；
所说的键合就是把刻蚀好的基片与另一相同材料相同尺寸的盖片清洗干净后一起用亲合溶液进行亲合处理，之后清洗甩干，再在常温下将盖片和基片对齐，加压，挤出其中的气泡，实行预键合；然后在600℃的退火炉中烧结，保温6小时，缓冷出炉；
所说的亲合溶液为氨水、水和过氧化氢的混合物，其比例为氨水∶水∶过氧化氢＝4∶5∶1；所谓亲合处理，就是在亲合溶液中加热至沸腾15分钟。
本发明的优点和效果如下：
(1)本发明的电泳微芯片制作方法，选用优质石英作为基片材料，经湿法腐蚀后的微管道图形良好，内壁平整，而且可以根据腐蚀时间控制腐蚀深度，完全能够满足后续分析实验要求(如图2所示)；
(2)其中湿法腐蚀过程中使用铬和光刻胶双层保护，可进一步增加其它部分的保护作用；
(3)本发明的制作方法采用MEMS技术的加工工艺，工艺条件容易满足，易于实现；工艺过程较简单，特别是键合过程与其他键合方法相比简单，易于实现，只需使用亲合溶液处理，就能进行很好的键合，而且键合又采用预键合和烧结过程相结合的方法，使烧结过程进一步简化，只需高温退火，而不需要一个难以控制的升温降温过程；
(4)本发明的制作方法具有通用性，对选用石英为基体材料的芯片均可采用，如毛细管电泳微芯片、PCR芯片和药物筛选芯片等微流控芯片。
附图说明
图1是本发明电泳微芯片的制作工艺流程。
图2是采用本发明方法制作的电泳微芯片在显微镜下进样口管道内壁结构形状。
图3是本发明单泳道毛细管电泳微芯片设计原理图。
图4是本发明方法制成的单泳道毛细管电泳微芯片。
图5是本发明多泳道阵列毛细管电泳微芯片设计原理图。
图6是本发明方法制成的多泳道阵列毛细管电泳微芯片。
图中：
1、2、3、4、5、6、7、8-工艺步骤，具体为：
1-复盖一层牺牲层 2-涂光刻胶
3-紫外线曝光 4-显影
5-去除牺牲层 6-腐蚀石英层
7-去除剩余光刻胶和牺牲层 8-键合
01-石英 02-牺牲层
03-光刻胶层 04-紫外线
05-掩模版 06-石英
11-缓冲液池 12-样品池
13-进样管道 14-分离管道
15-废液池 16-检测点
17-样品排放池 18-进样口
具体实施方式
本发明电泳微芯片的制作方法包括两部分：
1.电泳微芯片的设计；
2.电泳微芯片的制作工艺，下面结合附图和实施例作详细说明。
实施例一 单泳道毛细管电泳微芯片
在设计芯片时考虑以下几个参数：进样泳道和分离泳道的宽度、长度，进样泳道和分离泳道的形状等，本例的管道图形如图3所示。将设计好的管道图形制作成掩模版，以进一步光刻转移到基片上。
电泳微芯片的制作工艺如图1所示，包括下列步骤：
(1)将石英片按要求裁剪成一定规格如5cm×3cm，清洗干净后，用N2流吹干，80℃预烘10分钟；之后在表面镀上一层金属铬作为腐蚀图形时起保护作用的牺牲层02(图1第1步)；
(2)然后在甩胶机上涂上一层光刻胶03(正胶#1813)，转速3000转/分，80℃烘15分钟(图1第2步)；
(3)在光刻机中将掩模版05与基片对准，紫外线曝光，将掩模版上的泳道图形转移到石英基片01上(图1第3步)；
(4)显影去掉曝光部分的光刻胶，氮气流吹干后在显微镜下检查泳道图形是否良好(图1第4步)；
(5)100℃坚膜1小时，用铬腐蚀液去掉保护层(图1第5步)，将图形转移到石英层；
(6)然后再用腐蚀液(氢氟酸∶冰醋酸∶过氧化氢＝2∶1∶1)，40℃水浴条件下腐蚀石英，根据腐蚀时间估算腐蚀深度，并用台阶仪测量最终深度(图1第6步)，一般为20μm-40μm；
(7)在泳道的顶端各打一个1-2mm孔作为储液池或样品注入和输出口(图1中未画出)，用丙酮清洗去表层的光刻胶，再用铬腐蚀液腐蚀去掉余下的铬保护层(图1第7步)；
(8)另一片相同材料相同尺寸的盖片清洗干净后与刻蚀好的基片一起用亲合溶液(氨水∶水∶过氧化氢＝4∶5∶1)进行亲合处理(加热至沸腾15分钟)，之后清洗甩干，再进行预键合，在常温下将两片对齐、加压挤出其中的气泡，键合好；最后在600℃的退火炉中烧结，保温6小时，缓冷出炉，至此便完成了电泳微芯片的制作(图1第8步)。完成的芯片如图4所示。
实施例二 多泳道阵列毛细管电泳微芯片
本实施例制作的多泳道阵列毛细管电泳微芯片设计时考虑以下几个参数：泳道的数量、泳道的布局，泳道的长度和宽度、泳道的间距、形状，以及储液池的合理分配等，设计图形如图5所示。将设计好的管道图形制作成掩模版，以进一步光刻转移到基片上。
制作过程同实施例一，完成后的芯片如图6所示。
Claims (5)
1.一种电泳微芯片的制作方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
(1)电泳微芯片的设计
根据电泳微芯片的功能要求，结合相应的工艺条件，考虑以下几个参数：进样泳道和分离泳道的宽度、长度、管道的形状(包括弯道、弧度、不规格形状等)，管道间的距离等进行芯片图形设计，将设计好的图形制作成掩模版；
(2)电泳微芯片的制作
选择优质石英作为芯片的基片，利用光刻湿法腐蚀方法在基片上形成凹槽等，然后利用键合技术形成微管道网络，构成电泳微芯片。
2.根据权利要求1所述的电泳微芯片的制作方法，其特征在于具体的制作过程包括下列八个步骤：
(1)将石英片按要求裁剪成一定规格如5cm×5cm，清洗干净后，用N2流吹干，80℃预烘10分钟；之后在表面镀上一层金属铬作为腐蚀图形时起保护作用的牺牲层；
(2)然后在甩胶机上涂上一层光刻胶；
(3)在光刻机中将掩模版与基片对准，紫外线曝光，将掩模版上的泳道图形转移到石英基片上；
(4)显影去掉曝光部分的光刻胶，氮气流吹干后在显微镜下检查泳道图形是否良好；
(5)100℃下坚膜1小时，用铬腐蚀液(硝酸铈氨∶高氯酸∶水＝60.4g∶16ml∶320ml)去掉保护层，反应条件为室温25℃，时间2分钟，将图形转移到石英层；
(6)然后再用腐蚀液(氢氟酸∶冰醋酸∶过氧化氢＝2∶1∶1)，40℃水浴条件下腐蚀石英，根据腐蚀时间估算腐蚀深度，并用台阶仪测量最终深度；
(7)根据要求在设计位点打孔作储液池或样品注入和输出口，用丙酮清洗去表层的光刻胶，再用铬腐蚀液腐蚀去掉余下的铬保护层，获得刻蚀好的基片；
(8)最后键合。
3.根据权利要求2所述的电泳微芯片的制作方法，其特征在于所说的在甩胶机上涂光刻胶的条件是：采用1813号正胶，转速3000转/分，然后在80℃烘15分钟。
4.根据权利要求2所述的电泳微芯片的制作方法，其特征在于所说的键合就是把刻蚀好的基片与另一相同材料相同尺寸的盖片清洗干净后一起用亲合溶液进行亲合处理，之后清洗甩干，再在常温下将盖片和基片对齐，加压，挤出其中的气泡，实行预键合；然后在600℃的退火炉中烧结，保温6小时，缓冷出炉。
5.根据权利要求4所述的电泳微芯片的制作方法，其特征在于所说的亲合溶液为氨水、水和过氧化氢的混合物，其比例为氨水∶水∶过氧化氢＝4∶5∶1；所谓亲合处理，就是在亲合溶液中加热至沸腾15分钟。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |