CN102398890A - 一种玻璃基微流控芯片的超声波加工方法 - Google Patents

Abstract

一种玻璃基微流控芯片的超声波加工方法，先加工探头，然后在玻璃基板上表面粘贴胶带下表面贴一块玻璃片，再进行超声波加工，化学腐蚀抛光，最后清洗完成芯片制作，本发明可广泛应用于玻璃基微流控芯片和其它硬质材料生物芯片的制作，具有操作简便，精度高，加工效率高，降低加工成本的特点。

Description

一种玻璃基微流控芯片的超声波加工方法

技术领域

本发明涉及微流控芯片技术领域，特别涉及一种玻璃基微流控芯片的超声波加工方法。

背景技术

微流控芯片技术(Microfluidics)是把生物和化学等领域的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程的微型分析实验装置；以微管道网络为结构特征的微流控芯片是当前十分活跃的研究领域。制作微流控芯片的材料主要有硅片、玻璃、石英和以PDMS为代表的高分子聚合物等。其中，玻璃和石英由于其很好的热特性、电渗性质和优良的光学性质，以及有利于表面改性的表面吸附和表面反应能力，已广泛用于制作微流控芯片。

目前玻璃基微流控分析芯片上微通道的制作主要采用湿法刻蚀、干法刻蚀、激光烧蚀等方法。

湿法刻蚀是通过光刻掩模层工艺，把玻璃浸泡在一定的化学试剂或试剂溶液中，使没有被抗蚀剂掩蔽的那一部分材料表面与试剂发生化学反应而被除去的刻蚀方法。它的优点是操作简便、易于实现大批量生产、刻蚀的选择性好。但对设备要求高，化学反应的各向异性较差，图形保真度不强；横向腐蚀的同时，往往会出现侧向钻蚀，且难在玻璃上加工较大高深宽比的通道。

干法刻蚀是指利用高能束与表面薄膜反应，形成挥发性物质，或直接轰击薄膜表面使之被腐蚀的工艺。其最大特点是能实现各向异性刻蚀，即在纵向的刻蚀速率远大于横向刻蚀的速率，从而保证细小图形转移后的保真性。由于设备价格昂贵，干法刻蚀较少用于微流控芯片的制造。同样，使用激光烧蚀的方法制作微流控芯片由于加工难度大，加工效率低等因素也较少用于微流控芯片的制作。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种玻璃基微流控芯片的超声波加工方法，针对传统加工方法加工成本高，加工设备复杂，刻蚀速度慢，不适合大规模加工的不足，在磨料悬浮液环境下，将具有微流控芯片结构特征形貌的加工探头置于玻璃基板上方，通过超声波振动冲击和抛磨作用在玻璃基材料上制作微流控芯片结构，并且通过化学抛光方法提高芯片微通道的表面质量，从而制作具有深宽比大于10、良好表面特性的玻璃基微流控芯片；本发明具有操作简便，精度高，加工效率高，降低了加工成本，对加工环境要求低，适用于大批量生产的特点。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种玻璃基微流控芯片的超声波加工方法，包括以下步骤：

步骤一、制作与微流控芯片结构相一致的的加工探头，然后通过锡焊将加工探头与超声波探头焊接在一起；

步骤二、在玻璃基板上表面粘贴胶带；

步骤三、在玻璃基板下表面打孔位置粘贴一块玻璃片；

步骤四、将超声波加工探头对准玻璃基板进行超声波加工，获得设计所需深度的微通道和通孔结构，在超声波加工过程中，要保证不断供给流动的金刚砂悬浮液，金刚砂悬浮液在使用时调配至流动即可；

步骤五、将市售工业用氢氟酸溶液稀释后加入氟化铵，使得所配得的溶液中HF∶NH₄F的浓度比为1∶1，溶液中HF与NH₄F各自的浓度均为0.5mol/L～1mol/L，在超声水浴环境下，将步骤四中加工后的玻璃基板放入所配溶液中，时间不大于10分钟；

步骤六、将经过步骤五化学腐蚀抛光的玻璃基板置于质量浓度为1％～5％的NaOH溶液中煮沸，去除玻璃基板的表面胶带和反面的玻璃片；

步骤七、清洗加工好的玻璃芯片，进行微流控芯片键合和封装，完成芯片制作。

步骤四超声波加工过程中，当加工长度不超过20mm的通道结构或者直径不超过3mm的腔体结构时，超声波输出功率控制在25W以内；对于毫米量级以内深度的微流控芯片，加工时间可控制在30s以内；化学抛光腐蚀时，化学抛光时间控制在10min以内。

步骤六去除玻璃基片上表面胶带和下表面玻璃片时，NaOH溶液质量浓度在1％～5％之间，煮沸至胶带和反面玻璃片与玻璃基板脱离即可。

步骤七将加工好的玻璃基片依次置于丙酮、酒精、超纯水中各超声清洗处理5分钟；最后通过在马弗炉中570摄氏度2小时以上进行高温热键合或者使用中间粘接层常温键合的方法对玻璃微流控芯片进行键合和封装，完成芯片制作。

所述的加工探头包括直线微通道、蛇形蜿蜒结构微通道、圆形腔体结构、圆形微细通孔、异型微细通孔和微腔结构，以及以上单个结构的组合结构。

所述的加工探头的材料包括铜、铝合金、铁合金、镀金/铜合金钢。

所述的玻璃基板的材料包括普通硅酸盐玻璃、耐热玻璃、石英等硅盐基玻璃材料。

在制作具有微流控芯片结构的加工探头时，可根据微流控芯片一体化加工和多模块分步骤加工两种思路进行加工探头的设计和制作。微流控芯片一体化加工方法，如图2a所示，是指将整个芯片结构制作在一块加工探头上，通过一次超声波加工即可获得整个微流控芯片结构，该设计思路适合大批量快速生产。多模块分步骤加工，如图2b所示，是指将微流控芯片的各个不同功能结构分别制作在不同加工探头上，通过多步骤对准和超声波加工获得微流控芯片，该方法操作灵活，适用于微流控片设计阶段和实验室操作。多模块分步骤加工方法是一种模块化加工微流控芯片方法，通过不同形状、尺寸的加工探头，对玻璃的圆孔、异形孔、型腔、沟槽、微细孔、流道、蛇形通道等各种型孔、型腔进行组合加工，可以模块化加工微流控芯片。

相对于传统的玻璃基微流控芯片加工方法，本发明提供的利用超声波加工玻璃基微流控芯片的加工方法操作简单、成本低廉、制作周期短、重复性好，非常适合于几十微米至毫米结构的微流控芯片制作。通过贴胶带和反面粘贴玻璃片的方法，提高了玻璃微流控芯片的加工质量，避免了表面划伤、通道口崩裂等缺陷发生；同时，通过化学腐蚀抛光工艺，改善了超声波加工之后的微流道表面质量。

超声波加工是利用加工工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工超硬材料的一种加工方法，是磨料在超声波振动作用下的机械高速撞击和抛磨作用与超声波空化作用的综合结果，其中磨料的连续冲击是主要的。在超声波作用下，加工工具具有“自准直作用”，增强了加工工具的刚度，提高了加工精度。超声波加工玻璃和石英超硬材料时，切屑为均匀细小的粉末，很容易排出，减小了工作噪声，可获得比较高的加工精度。

超声波加工技术不依靠工件的导电性，且是非热加工过程，不受工件的电、化学特性影响，工件表面损伤和残余应力都很小，这些特点展示了超声加工技术对硬脆性材料的加工有着广泛应用前景。玻璃、石英等玻璃基硬脆性材料，很适合超声磨料冲击和抛磨加工；由于超声波加工硬脆材料的上述特性，超声波加工方法可获得大深宽比、高精度的微流控芯片。

附图说明

图1是玻璃基微流控芯片的超声波加工流程示意图。

图2是加工探头两种加工设计方案示意图，其中图2a是一体化加工设计方案示意图，图2b是多模块分步骤加工方案示意图。

具体实施方式

下面结合图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

一种玻璃基微流控芯片的超声波加工方法，参照图1，包括以下步骤：

步骤一、制作与微流控芯片结构相一致的的加工探头，然后通过锡焊将加工探头与超声波探头焊接在一起，焊接过程中注意先将加工探头表面的油污、锈污处理干净，避免虚焊。

步骤一中加工探头的设计方法，包括一体化加工和多模块分步骤加工两种加工方案，采取传统机械切削加工或者对金属进行湿法腐蚀加工。两种加工方案的区别主要在于设计和制作加工探头时，一体化加工方案将微流控芯片的整个结构设计在单个加工探头上；而多模块分步骤加工方案对微流控芯片的各个功能结构，如直线微流道、蜿蜒蛇形微流道或微腔体等分别制作不同的加工探头，超声波加工时通过多次对准分步骤加工，这两种方案的区别仅体现在设计思路上，在加工方法上具有一致性。

参照图2，举例说明两种加工探头的设计方案，设计单腔体微流控结构芯片加工探头：图2a是一体化加工设计方案示意图，图2b是多模块分步骤加工方案示意图。在玻璃基板1上设计加工单腔体微流控芯片，一体化加工方法将单腔体和微通道设计加工成单个加工探头6；多模块分步骤加工方法设计制作腔体加工探头7和微通道加工探头8，顺序加工微流体芯片结构；通孔结构一般在芯片加工的最后阶段完成，使用打孔加工探头9加工通孔结构。

步骤二、在玻璃基板1上表面粘贴胶带2，参照图1a和图1b所示；作用是在玻璃基片进行超声波加工时进行精确定位，防止加工探头在玻璃基板表面产生滑移和金刚砂冲击而划伤芯片表面；同时在后续的化学抛光过程中起保护玻璃表面的作用。

步骤三、在玻璃基板下表面打孔位置粘贴一块玻璃片3，参照图1c；在对玻璃材料进行超声波打孔操作时，玻璃孔加工出口处易发生崩裂现象，粘贴玻璃片可防止玻璃孔加工出口崩裂，并且在后续的化学抛光过程中起保护玻璃表面的作用。

步骤四、参照图1d，图1e，将超声波加工探头对准玻璃基板进行超声波加工，获得设计所需深度的微通道及通孔结构，在超声波加工过程中，要保证不断供给流动的金刚砂悬浮液，金刚砂悬浮液在使用时调配至流动即可；

步骤五、将市售工业用氢氟酸溶液稀释后加入氟化铵，使得所配得的溶液中HF∶NH₄F的浓度比为1∶1，溶液中HF与NH₄F各自的浓度均为0.5mol/L～1mol/L，在超声水浴环境下，将步骤四中加工后的玻璃基板放入所配溶液中，时间不大于10分钟；

步骤六、将经过步骤五化学腐蚀抛光的玻璃基板置于质量浓度为1％～5％的NaOH溶液中煮沸，参照图1f，去除玻璃基板的表面胶带和反面的玻璃片；

步骤七、清洗加工好的玻璃芯片基板和芯片盖板，进行微流控芯片键合和封装，完成芯片制作，参照图1g，图中标号5是微流控芯片盖板。

步骤四超声波加工过程中，可根据加工的结构尺寸大小调节超声波输出功率，一般加工长度不超过20mm的通道结构或者直径不超过3mm的腔体结构时，超声波输出功率控制在25W以内；对于毫米量级以内深度的微流控芯片，加工时间可控制在30s以内。化学抛光腐蚀时，化学抛光时间根据要求进行调整，一般控制在10min以内。

步骤五超声水浴环境有利于提高化学腐蚀抛光效率，增强化学腐蚀抛光效果。

步骤六、去除玻璃基片上表面胶带和下表面玻璃片时，NaOH溶液质量浓度在1％～5％之间，煮沸至胶带和反面玻璃片与玻璃基板脱离即可，获得具有微通道结构的玻璃基板芯片4；

步骤七将加工好的玻璃基板芯片4依次置于丙酮、酒精、超纯水中各超声清洗处理5分钟；最后通过在马弗炉中570摄氏度2小时以上进行高温热键合或者使用中间粘接层常温键合的方法对玻璃微流控芯片进行键合和封装，完成芯片制作。

Claims (5)

1.一种玻璃基微流控芯片的超声波加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、制作与微流控芯片结构相一致的的加工探头，然后通过锡焊将加工探头与超声波探头焊接在一起；

步骤二、在玻璃基板上表面粘贴胶带；

步骤三、在玻璃基板下表面打孔位置粘贴一块玻璃片；

步骤四、将超声波加工探头对准玻璃基板进行超声波加工，获得设计所需的微通道深度，在超声波加工过程中，要保证不断供给流动的金刚砂悬浮液，金刚砂悬浮液在使用时调配至流动即可；

步骤五、将市售工业用氢氟酸溶液稀释后加入氟化铵，使得所配得的溶液中HF∶NH₄F的浓度比为1∶1，溶液中HF与NH₄F各自的浓度均为0.5mol/L～1mol/L，在超声水浴环境下，将步骤四中加工后的玻璃基板放入所配溶液中，时间不大于10分钟；

步骤六、将经过步骤五化学腐蚀抛光的玻璃基板置于质量浓度为1％～5％的NaOH溶液中煮沸，去除玻璃基板的表面胶带和反面的玻璃片；

步骤七、清洗加工好的玻璃芯片，进行微流控芯片键合和封装，完成芯片制作。

2.根据权利要求1所述的超声波加工方法，其特征在于，所述的加工探头包括直线微通道、蛇形蜿蜒结构微通道、圆形腔体结构、圆形微细通孔、异型微细通孔和微腔结构，以及以上单个结构的组合结构。

3.根据权利要求1所述的超声波加工方法，其特征在于，所述的加工探头的材料包括铜、铝合金、铁合金、镀金/铜合金钢。

4.根据权利要求1所述的超声波加工方法，其特征在于，所述的玻璃基板的材料为硅盐基玻璃材料。

5.根据权利要求1所述的超声波加工方法，其特征在于，步骤四超声波加工过程中，当加工长度不超过20mm的通道结构或者直径不超过3mm的腔体结构时，超声波输出功率控制在25W以内；对于毫米量级以内深度的微流控芯片，加工时间可控制在30s以内；化学抛光腐蚀时，化学抛光时间控制在10min以内。

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