環(huán)形微流體探頭的制造
【專利摘要】提供了一種制造微探頭(100)的方法，所述方法包括：在包括兩個層(11、12)的相同雙層襯底(10、10a)上提供(S16)n個微流體探頭布局(14)的集合，所述布局環(huán)形地分布在所述雙層襯底上，并且其中所述布局中的每一個布局包括：第一層(110)，其對應(yīng)于所述雙層襯底的所述兩個層(11、12)中的一個(11)的一部分；以及第二層(120)，其對應(yīng)于所述雙層襯底的所述兩個層(11、12)中的另一個(12)的一部分；并且第二層包括由在所述第二層(120)的上表面(120u)上敞開的凹槽限定并且由所述第一層(110)的下表面(110l)的一部分閉合的至少一個微通道(123、124)；大致在所述雙層襯底(10)的中心處機(jī)械加工(S20)出孔(16)，從而產(chǎn)生界定所述孔并且截斷所述布局(14)的所述至少一個微通道中的每一個微通道的圓筒壁(18)，使得所述布局中的每一個布局的所述至少一個微通道(123、124)延伸直到在所述圓筒壁(18)處在所述凹槽的端部處形成的至少一個相應(yīng)的孔口(121、122)；以及最后，分割(S30)所述n個布局的每一個布局以獲得n個微流體探頭(100)。還提供因此獲得的MFP探頭。
【專利說明】
環(huán)形微流體探頭的制造
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明總體上涉及微流體探頭的制造和由此產(chǎn)生的裝置。特別地，本發(fā)明涉及豎 直微流體探頭的制造。
【背景技術(shù)】
[0002] 微流體器件一般指的是微制造裝置，其用于栗送、采樣、混合、分析和定量給送液 體。它的突出特征源自液體在微米長度尺度上表現(xiàn)的特殊行為。微流體器件中的液體的流 動可以典型地為層狀。遠(yuǎn)低于一毫微升的體積可以通過制造具有微米范圍內(nèi)的側(cè)向尺寸的 結(jié)構(gòu)而獲得。在大尺度上(通過反應(yīng)物的擴(kuò)散)受到限制的反應(yīng)因此可以被加速。微流體器 件因此用于各種應(yīng)用。
[0003] 許多微流體裝置具有用戶芯片接口和閉合流動路徑。閉合流動路徑便于將功能元 件（例如，加熱器、混合器、栗、紫外檢測器、閥等)整合到一個裝置中，同時使與泄漏和蒸發(fā) 相關(guān)的問題最小化。
[0004] 最近引入了MFP的新穎和通用概念：豎直MFP (在文獻(xiàn)中也稱為vMFP)，參見 G.Kaigala等人，Langmuir，27(9)，第5686-5693頁，2011 (http://pubs.acs.org/doi/abs/ 10.1021/la2003639)。豎直MFP探頭具有用基礎(chǔ)層在平面中制造的微流體特征。這樣的探頭 在操作中豎直地定向，探頭頂點(diǎn)(處理表面)平行于被處理的表面。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 根據(jù)第一方面，本發(fā)明具體實施為一種制造微流體探頭的方法，所述方法包括：
[0006] 在包括兩個層的相同雙層襯底上提供η個微流體探頭布局的集合，所述布局環(huán)形 地分布在所述雙層襯底上，并且其中所述布局中的每一個布局包括：
[0007] 第一層，其對應(yīng)于所述雙層襯底的所述兩個層中的一個的一部分；以及 [000S]第二層，其
[0009] 對應(yīng)于所述雙層襯底的所述兩個層中的另一個的一部分;并且
[0010] 包括由在所述第二層的上表面上敞開的凹槽限定并且由所述第一層的下表面的 一部分閉合的至少一個微通道；
[0011] 大致在所述雙層襯底的中心處機(jī)械加工孔，從而產(chǎn)生界定所述孔并且截斷所述布 局的所述至少一個微通道中的每一個微通道的圓筒壁，使得所述布局中的每一個布局的所 述至少一個微通道延伸直到在所述圓筒壁處在所述凹槽的端部處形成的至少一個相應(yīng)的 孔口；以及
[0012 ]分割出所述η個布局中的每一個布局以獲得η個微流體探頭。
[0013]在實施例中，所述方法還包括，在分割之前，拋光所述圓筒壁的步驟。
[0014]優(yōu)選地，所述方法還包括:在機(jī)械加工之前，用諸如包括蠟、聚合物或光致抗蝕劑 的材料之類的展性材料填充所述探頭布局的微通道的步驟；以及在機(jī)械加工之后去除所述 展性材料，優(yōu)選地在拋光所述圓筒壁的步驟之后，并且更優(yōu)選地在分割出所述η個布局的每 一個布局之后執(zhí)行展性材料的去除。
[0015] 在優(yōu)選實施例中，所述方法還包括，在提供所述布局之前，制造所述η個微流體探 頭布局的集合，其包括在所述兩個層中的所述另一個的上表面上開槽出所述η個布局中的 每一個布局的所述至少一個微通道。
[0016] 優(yōu)選地，開槽出所述微通道通過例如使用光刻或微機(jī)械加工之類的微制造被執(zhí) 行，并且優(yōu)選地包括濕蝕刻或干蝕刻每個微通道的步驟。
[0017] 在實施例中，所述方法還包括在開槽出每個微通道之后對準(zhǔn)和結(jié)合所述兩個層的 步驟。
[0018] 優(yōu)選地，所述制造還包括對于所述η個布局中的每一個布局，機(jī)械加工出垂直地連 接到所述至少一個微通道的至少一個通孔，所述至少一個通孔優(yōu)選地穿過所述兩個層中的 所述另一個被機(jī)械加工。
[0019] 在優(yōu)選實施例中：所述兩個層的每一個具有大致圓盤形狀;所述雙層襯底的所述 兩個層中的所述一個:具有比所述雙層襯底的所述兩個層中的所述另一個小的平均直徑， 并且相對于所述兩個層中的所述另一個對準(zhǔn)從而留下所述兩個層中的所述另一個的未被 所述兩個層中的所述一個覆蓋的外部部分，并且所述方法還優(yōu)選地包括，在所述相同雙層 襯底上提供所述微流體探頭布局的集合之前:至少部分地金屬化所述兩個層中的所述另一 個使得所述兩個層中的所述另一個的至少所述外部部分被金屬化。
[0020] 優(yōu)選地，所述方法還包括:在機(jī)械加工之前，在相應(yīng)的雙層襯底上提供探頭布局的 若干集合；以及疊加所述相應(yīng)的雙層襯底，其中機(jī)械加工的步驟包括大致在所述疊加的雙 層襯底的中心處、穿過所有疊加的襯底機(jī)械加工出孔，從而產(chǎn)生截斷所述疊加的雙層襯底 的每一個雙層襯底中的所述布局的所述至少一個微通道的每一個微通道的孔圓筒壁，并且 其中，優(yōu)選地，所述方法還包括拋光由此產(chǎn)生的孔圓筒壁。
[0021] 在實施例中，所述提供包括在相同雙層襯底上提供包括內(nèi)集合和外集合的至少兩 個同心環(huán)形集合，所述內(nèi)集合和所述外集合的每一個集合包括環(huán)形地分布在其相應(yīng)的集合 中的探頭布局，所述方法包括機(jī)械加工出孔的兩個步驟，其中：機(jī)械加工出第一孔以產(chǎn)生截 斷所述內(nèi)集合的微通道的第一圓筒壁，并且通過將包括所述內(nèi)集合的所述雙層襯底的一部 分從所述雙層襯底的剩余部分分離而機(jī)械加工出第二孔以產(chǎn)生截斷所述外集合的微通道 的第二圓筒壁。
[0022] 根據(jù)另一方面，本發(fā)明具體實施為一種根據(jù)以上實施例中的任何一個的方法獲得 的微流體探頭，其中所述探頭包括:第一層；以及第二層，第二層包括：由在所述第二層的上 表面上敞開的凹槽限定并且由所述第一層的下表面的一部分閉合的至少一個微通道；以及 在所述第二層的邊緣處、在所述至少一個微通道的端部處的至少一個孔口，所述邊緣限定 所述探頭的處理表面的一部分。
[0023] 在優(yōu)選實施例中，由于所述微流體探頭的制造方法中的所述孔的機(jī)械加工，所述 處理表面的至少一部分是凹的。
[0024] 優(yōu)選地，所述微流體探頭還具有成2π/η ± VlO的角并且優(yōu)選地成2π/η ± π/20的角 的兩個側(cè)緣部分。
[0025] 在實施例中，所述微流體探頭還包括至少兩個微通道，并且優(yōu)選地還包括相應(yīng)地 垂直地連接到所述至少兩個微通道的至少兩個通孔。
[0026] 優(yōu)選地，與限定所述探頭的處理表面的所述邊緣相對的外部部分被金屬化。
[0027] 現(xiàn)在將通過非限制性例子并且參考附圖描述具體實施本發(fā)明的裝置和方法。圖中 所示的技術(shù)特征不必按比例。
【附圖說明】
[0028] 圖1示意性地描繪在根據(jù)本發(fā)明的實施例的微流體探頭的制造方法中包括的各種 步驟；
[0029] 圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的微流體探頭的制造方法的步驟的流程圖；
[0030] 圖3示意性地示出在本發(fā)明的實施例中包括的相同雙層襯底上的微流體探頭布 局；
[0031] 圖4示出圖3的變型；
[0032 ]圖5顯示在實施例中包括的例如圖3中所示的布局的幾何規(guī)范；
[0033] 圖6示意性地示出根據(jù)實施例的使用兩個同心環(huán)形集合的布局的制造方法中的步 驟；
[0034] 圖7示意性地示出根據(jù)實施例的制造方法中的步驟，其中在機(jī)械加工中心孔之前 疊加若干雙層襯底；
[0035]圖8是根據(jù)本發(fā)明的實施例的微流體探頭的簡化表示的3D視圖；以及
[0036] 圖9示出根據(jù)實施例的由微流體探頭進(jìn)行的表面處理(2D視圖，簡化表示）。
【具體實施方式】
[0037] 如引言中所述，豎直MFP探頭具有若干優(yōu)點(diǎn)。這樣的探頭被微制造。制造步驟中的 至少一些(包括拋光）需要單獨(dú)地（即，對于每個單元重復(fù))或以3-4個探頭成組地進(jìn)行。可以 認(rèn)識到這樣的制造步驟是MFP探頭的大規(guī)模制造中的限制步驟。探頭的拋光(和更一般地探 頭的處理表面的制備)是特別勞動密集的并且所以顯著地增加制造成本。另外，有產(chǎn)量問題 (例如，拋光不足或過多），拋光工具具有顯著的占地面積并且昂貴。最后，在拋光期間探頭 的不對準(zhǔn)可以導(dǎo)致不同的頂點(diǎn)尺寸。本發(fā)明通過引入新的制造概念、依賴于環(huán)形分布的MFP 探頭布局解決這些問題中的至少一些(一些實施例解決所有這些問題）。該方法與迄今為止 針對vMFP布局而已知的方法形成對比，在vMFP布局中探頭從探頭布局的二維陣列被切割。
[0038] 更詳細(xì)地，并且一起參考圖1、2和6、7和8，首先描述本發(fā)明的方面，其涉及微流體 探頭(在下文中稱為MFPs) 100的制造方法。
[0039] 最一般地，該新制造概念需要布置在相同雙層襯底10上的η個MFP布局14的集合。 該雙層襯底包括至少兩個層11、12。
[0040] 布局14環(huán)形地分布在雙層襯底10上。更詳細(xì)地，每個布局14包括：
[0041] ?第一層110,即，形成雙層襯底10的層11、12中的一個11的一部分；以及
[0042] ?第二層120,其對應(yīng)于這些層11、12中的另一個的一部分。
[0043] 為了清楚起見:在對應(yīng)于單個布局14(或最后地一個MFP探頭100)的布局部分110、 120之間進(jìn)行區(qū)分，而層11、12是初始形成用于制造 MFP探頭的雙層襯底10的那些更大層。
[0044] 雙層襯底表示包括至少兩個層11、12的任何合適的襯底。第一和第二層11、12中的 每一個最可行地可以是圓盤，例如晶片圓盤。然而，層11、12不必為圓形:唯一需要的是布局 14的環(huán)形分布。兩個層11、12可以是相同材料(或不是）。優(yōu)選材料是玻璃或硅。進(jìn)一步地，層 11、12的材料可以包括(對于層中的任何一個）：塑料，陶瓷，金屬和/或與本制造方法兼容的 任何其它硬材料。
[0045] 在一個布局14處，一個層(例如，第二層120)應(yīng)當(dāng)?shù)湫偷匕ㄔ谄渖辖Y(jié)構(gòu)化的微流 體特征(微通道、通孔等）中的大多數(shù)。嚴(yán)格地說，它包括至少一個微通道123、124,但是在不 損害本申請的情況下，下面所述的實施例多數(shù)假設(shè)兩個微通道123、124。微通道由在層120 的上表面120u上敞開的凹槽限定。凹槽由在這里假設(shè)為"第一"層110(參見圖8)的另一層的 下表面1101的一部分閉合。
[0046] 由于布局的環(huán)形分布(或環(huán)形布置），n個布局14中的每一個的功能特征中的一個 或多個(例如，微通道、通孔等)應(yīng)當(dāng)?shù)湫偷卦谙鄬τ诖┻^由這些布局14限定的環(huán)形的中心 的橫截對稱軸的2π/η旋轉(zhuǎn)下是不變的。因此，襯底10可以在2π/η的旋轉(zhuǎn)下是不變的，至少對 于涉及這些功能特征的方面。當(dāng)然，如果在相同襯底IOa上提供不同布局，如圖4中所示，情 況可能不再是這樣。
[0047] 典型地，可以在相同襯底10上提供6、12乃至24個以上布局。由于產(chǎn)量原因，力求最 大化布局的數(shù)量η，例如，η = 36、48或72。布局的優(yōu)選數(shù)量取決于襯底尺寸，布局的復(fù)雜性 (其取決于預(yù)期的應(yīng)用）。進(jìn)一步地，這里所述的制造方法原則上可以用于任何數(shù)量η多2(例 如，η^3、4、5、7、···）的布局。
[0048] 本制造方法的重要步驟是大致在雙層襯底10的中心處機(jī)械加工孔16(參見圖1或2 中的步驟S20)。機(jī)械加工孔產(chǎn)生圓筒壁18(界定所述孔）。布局和孔設(shè)計成使得圓筒壁18截 斷布局14中的有關(guān)微通道。即，在這些微通道的每一個的端部處產(chǎn)生孔口。因此，微通道 123、124現(xiàn)在延伸直到在圓筒壁18處的相應(yīng)的孔口 121、122(其在機(jī)械加工孔16時形成），如 圖1、3和8中最佳地所見。
[0049] 機(jī)械加工孔16可以包括鉆孔、銑削、切割等。它還可以包括旋轉(zhuǎn)柱或激光、水射流、 蝕刻等。應(yīng)當(dāng)注意在使用同心布局的實施例中（參見圖6)，相同機(jī)械加工技術(shù)可以用于機(jī)械 加工第一（內(nèi)）環(huán)形圈中的孔(圖6中的步驟S20i)和用于切去內(nèi)圈，從而獲得第二(外）圈。在 變型中，不同的孔機(jī)械加工技術(shù)可以用于獲得兩個圈。隨后將詳細(xì)地論述圖6的實施例。
[0050] 最后，并且如圖1中所示，分割η個布局當(dāng)中的每一個（圖1、2中的步驟S30)，因此獲 得η個MFP探頭100。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以領(lǐng)會，徑向分離可以包括通過利用預(yù)制的預(yù)切割 線等切割、割開或分割布局14。圖3顯示可以典型地在本文中使用的切割或切斷線(虛線）的 圖案。
[0051]本文中所述的該制造方法允許MFP探頭的處理表面的晶片級加工，并且由此解決 先前所述的vMFP探頭的制造的一些問題。使用本制造方法，可以在單個步驟中獲得若干探 頭(典型地許多）的處理表面310、320。
[0052]特別地，探頭以這樣一種方式布置在晶片上使得在分割探頭之前可以在單個步驟 中執(zhí)行所有探頭的拋光（晶片級拋光）。在這方面，本制造方法的實施例還可以包括，在分割 之前，拋光（圖1、2中的S24)圓筒壁18的步驟。進(jìn)一步地，拋光可以與機(jī)械加工孔16-起或同 時被執(zhí)行。取決于用于機(jī)械加工孔16的技術(shù)，額外、不同的拋光步驟實際上可能是多余的。 拋光因此可以伴隨機(jī)械加工步驟。現(xiàn)在，拋光可能不一定暗示機(jī)械拋光手段。而是，可以使 用諸如高壓水射流切割的手段。在所有情況下，機(jī)械加工和/或拋光步驟可以允許獲得由此 產(chǎn)生的MFP探頭100的清潔處理表面310、320,其具有低表面粗糙度并且很好地適合于典型 的vMFP應(yīng)用。
[0053]有利地，本制造方法還可以包括，在機(jī)械加工之前，用展性材料填充布局的微通道 的步驟S18,從而在隨后的制造步驟期間，特別是在孔16的機(jī)械加工S20期間保護(hù)微通道。類 似地，可以用展性材料填充布局的其它微流體特征。該材料隨后可以被去除S40 (在步驟S20 之后或隨后）。展性材料優(yōu)選地在拋光S24(如果有的話)之后被去除。更優(yōu)選地，它僅僅在分 害JS30之后被去除，以便也在分割期間保護(hù)微流體特征。
[0054]展性材料表示可以用于填充和堵塞微流體特征以進(jìn)行保護(hù)的任何材料。典型地， 該展性材料可以通過加熱和熔化它、接著通過適當(dāng)?shù)那鍧嵑蜎_洗微流體特征被去除。這樣 的材料可以包括蠟，光致抗蝕劑，或更一般地，一種或多種聚合物。
[0055] 光致抗蝕劑是有利的，原因是它允許通過曝光而將抗蝕劑解交聯(lián)并且由此使它非 常可溶(其允許簡單的隨后去除）而清潔通道。優(yōu)選地，展性材料不應(yīng)當(dāng)在典型地用于切割 操作中的液體(例如，水可能用于冷卻襯底10和探頭）中可溶。光致抗蝕劑很純的并且被過 濾;它們不太可能留下任何顆粒。更一般地，光致抗蝕劑材料可以證明是有利的。
[0056] 可以另外使用低溫(約60-80°C)蠟填充和堵塞通道。在機(jī)械加工孔之后，蠟可以被 加熱并且然后使用真空去除。它也可以例如使用庚烷溶解。具有低粘度(例如，在80°C下）的 任何純低溫蠟可以潛在地適合于本目的。
[0057]在變型中，也可以使用通過光、溫度或溶劑溶解和/或液化的其它聚合物。
[0058]迄今為止，制造方法的大多數(shù)基本方面已被描述，假定預(yù)制造的襯底是可獲得的 (圖1、2中的步驟S16)。進(jìn)一步地，本制造方法的實施例可以包括上游制造步驟（圖1、2中的 S8、S10、S12)〇
[0059] 值得注意地，這樣的步驟可以包括開槽出微通道123、124、224(步驟S12)。在層11、 12中的一個的表面上，例如在層12的上表面120u上開槽出微通道。在兩個層中的哪一個上 開槽出通道是無關(guān)緊要的，只要它們例如在結(jié)合之后由另一層閉合。
[0060] 開槽出微通道Sl 2優(yōu)選地由微制造實現(xiàn)。這可以包括光刻或微機(jī)械加工。凹槽例如 可以由工具直接在基層120的上表面上雕刻和/或銑削。它可以具有任何合適的截面形狀， 例如圓形、方形、U或V形截面。所需工具可以根據(jù)基層的材料被選擇。在變型中，也可以預(yù)料 激光消融。也有利地，深反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)用于微通道的制造。微制造可以另外典型地包 括濕蝕刻或干蝕刻出微通道的每一個的步驟。有利地，由于這里提出的晶片級方法，通道可 以一同被蝕刻。
[0061] 在開槽出微通道的步驟S12之后，制造還可以包括對準(zhǔn)和結(jié)合兩個層11、12,參見 圖1或2中的步驟S14。應(yīng)當(dāng)注意，在圖1中，層12的上面120u面對讀者的眼睛，就像層11的下 面1101(在圖1的底部分中）。然而，層11在結(jié)合S14之前翻轉(zhuǎn)，使得在步驟S16，層11的下面 1101面對圖1中的層12的上面120u。
[0062] 作為第一例子，玻璃層11、12的熱結(jié)合可以在600°C下持續(xù)4小時（加熱和冷卻速 率:75°C/小時）而進(jìn)行。這導(dǎo)致玻璃襯底的融合(不可逆）。當(dāng)使用玻璃襯底時，優(yōu)選的是冷 卻速率不超過l〇〇°C/小時以避免應(yīng)力。此外，玻璃晶片的熱膨脹需要相等。
[0063] 作為另一例子，兩個硅晶片11、12的組件可以通過將~3μπι的聚酰亞胺粘合劑(HD Microsystems GmbH，Neu-Isenburg，德國）旋涂到蓋晶片的拋光側(cè)上并且通過隨后對準(zhǔn)和 結(jié)合兩個晶片實現(xiàn)。結(jié)合在320°C下以2巴壓力進(jìn)行持續(xù)10分鐘01^33￥3 1^，？&111-OttoWeber GmbH，Remshalden，德國）JFP探頭然后可以被切割和儲存。
[0064] 上游制造步驟還可以涉及其它微流體特征，例如，它們可以特別地包括機(jī)械加工 SlO通孔111、112。即，并且對于η個布局14當(dāng)中的每一個，至少一個通孔111、112可以被提供 以垂直地連接到相應(yīng)的微通道123、124。為了簡單起見，通孔優(yōu)選地被機(jī)械加工為貫通層12 的貫通孔，，使得它們可以容易地由已經(jīng)密封通道123、124的相同層11閉合。另外的設(shè)備(管 道端口和管)可以被提供以從與層12中的側(cè)120u相對的側(cè)連接，從而簡單地允許探頭100的 豎直操作。
[0065] 其它制造步驟可以特別地涉及在每個層11、12中產(chǎn)生對準(zhǔn)孔21、22 (相應(yīng)地步驟 S8、S6)，以便在結(jié)合之前對準(zhǔn)層。
[0066] 圖5給出特別適合于對玻璃層11、12鉆孔的幾何規(guī)范的集合的例子。兩個層的對準(zhǔn) 孔21、22可以一起被鉆出。為了該目的，層11、12可以例如用蠟事先結(jié)合在一起。對準(zhǔn)孔21、 22然后可以通過兩個層11、22被鉆出。關(guān)于通孔111、112:鉆孔在兩個層11、12之間的界面處 停止，使得僅僅一個層12包括通孔111、112。
[0067] 當(dāng)使用玻璃晶片時，合適的保持器可以有利地用于精確玻璃鉆孔，例如在計算機(jī) 數(shù)字控制(CNC)機(jī)器中。
[0068] 例如，可以使用5(：11〇1^6〇1'〇|]〇31@33.硼娃酸鹽玻璃晶片，其具有50(^1]1的晶片 厚度和4英寸的晶片尺寸。優(yōu)選的最小孔直徑為0.25mm。在該情況下優(yōu)選的鉆孔參數(shù)為：
[0069] -小孔（0.4mm) :30mm/min@30,000rpm;以及
[0070] -對準(zhǔn)孔（I .5mm) :25mm/min@25,000rpm。
[0071 ]優(yōu)選地在水冷卻液體中執(zhí)行鉆孔?？梢允褂媒饎偸繉鱼@頭。
[0072] 可以使用標(biāo)準(zhǔn)銑床和金剛石鉆頭手動地鉆出中心孔(20_直徑）?？梢允褂脪伖鈮| 和1微米金剛石磨膏執(zhí)行中心孔的拋光。隨后可以執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)切割以分割探頭。
[0073] 相同集合當(dāng)中的布局14不需要全部相同，如圖4中所示，其中襯底IOa的四個布局 相比于剩余布局具有附加微通道。在這里，微通道再次以它們與在隨后階段將被鉆出和拋 光的中心孔相交的方式布置，從而最后形成孔口。對于該布局，晶片尺寸為IOOmm并且將鉆 出的中心孔的直徑為20_。
[0074] 在一些MFP應(yīng)用中，需要在探頭處設(shè)計電極。在那方面，本制造方法可以優(yōu)選地適 應(yīng)金屬化。優(yōu)選地僅僅在層11、12中的一個上執(zhí)行金屬化。例如在玻璃上構(gòu)造 Pt/Ti圖案是 已知的。電極可以有利地實現(xiàn)用于加熱、電化學(xué)感測等。
[0075]在這方面，本方法允許簡單地制造外部電極板(pad)。例如，假設(shè)兩個層11、12的每 一個具有大致圓盤形狀，層11可以帶有比層12更小的平均直徑。當(dāng)對準(zhǔn)兩個層時，層12的外 部部分因此將不被層11覆蓋。這允許在該外部部分處提供附加功能特征。特別地，可以金屬 化(至少部分地，或選擇性性地)層12的上側(cè)120u，例如至少部分地金屬化層12的外部部分。 典型地在整個較大的層上選擇性性地執(zhí)行金屬化。
[0076] 因此可以獲得諸如加熱結(jié)構(gòu)或電化學(xué)電極之類的微結(jié)構(gòu)，其可以通過設(shè)在外部部 分上的金屬化極板被連接。較小的晶片保證自由接近電極的接觸極板。再次地，當(dāng)通道123、 124的制造與金屬化工藝無關(guān)時，通道123、124可以在層11、12中的任何一個上提供。
[0077] 目前，論述了允許本制造方法的產(chǎn)量倍增的改進(jìn)，并且這參考圖6和7。
[0078] 增加制造產(chǎn)量的一種方式是通過采用布局的同心環(huán)（圖6)優(yōu)化晶片表面。例如可 以在相同雙層襯底10上提供布局14的兩個(或更多個)同心環(huán)形集合（內(nèi)集合和外集合）。內(nèi) 集合和外集合的每一個包括環(huán)形地分布在其相應(yīng)集合中的探頭布局14i、14o。然后，可以機(jī) 械加工第一孔(步驟S20i)以產(chǎn)生截斷內(nèi)集合的微通道的第一圓筒壁。接著，可以通過將襯 底10的包括內(nèi)集合14i的部分與襯底10的剩余部分分離而機(jī)械加工(步驟S20o)第二孔。這 產(chǎn)生截斷外集合14〇的微通道的第二圓筒壁。如先前所述，相同或相似的機(jī)械加工技術(shù)可以 用于產(chǎn)生第一和第二圓筒壁。
[0079] 增加制造產(chǎn)量的另一方式是例如通過在機(jī)械加工貫穿的孔之前提供疊加的圓盤 而開拓第三尺寸（即，垂直于晶片表面），參見圖7。例如，在步驟S16,可以在相應(yīng)的雙層襯底 10上提供探頭布局14的若干集合。然后，在步驟S19,在大致疊加的襯底10的中心處穿過所 有疊加的襯底機(jī)械加工S20孔之前，可以疊加襯底10。這導(dǎo)致產(chǎn)生孔16,所述孔的壁18截斷 疊加的襯底I〇的每一個中的微通道。必要時，由此產(chǎn)生的孔16的圓筒壁被拋光，如先前所 述。
[0080] 圖6和7的實施例可以組合。制造產(chǎn)量隨著同心環(huán)的數(shù)量乘以重疊的襯底倍增。
[0081] 現(xiàn)在一起參考圖1、3_5、8和9,現(xiàn)在描述本發(fā)明的另一方面，其涉及根據(jù)本制造方 法獲得的MFPs。與上述的制造方法一致地，這樣的MFP應(yīng)當(dāng)包括:第一層110和第二層120。后 者具有一個或多個微通道123、124,所述微通道由在第二層120的上表面120u上敞開的相應(yīng) 的凹槽限定并且由第一層110的下表面1101的一部分閉合，如圖8中最佳地所見。而且，由于 機(jī)械加工工藝S20、S24,在微通道的端部處限定出孔口 121，并且這在層120的邊緣320處進(jìn) 行，在層120中開槽出所述通道。邊緣表面320形成由探頭的每個層110、120的邊緣表面310、 320限定的處理表面的一部分。當(dāng)然，并且如先前所述，這樣的MFP探頭可以包括其它微流體 特征，例如連接到微通道的通孔111、112。
[0082] 應(yīng)當(dāng)注意，獲得的MFP探頭必然受到先前所述的制造方法影響：
[0083]-首先，并且更特別地參考圖9,由于孔16的機(jī)械加工步驟S20，MFP探頭100的處理 表面310、320可能是凹的（如果不進(jìn)行附加的、顯著的表面加工以去除凹度的話）；
[0084] -其次，現(xiàn)在參考圖5、8和9，探頭100的總體形狀可以進(jìn)一步反映布局14的初始環(huán) 形分布。例如，探頭可以具有側(cè)緣(或其至少部分），其成接近2Vn的角，具有例如土 VlO的 公差。公差取決于布局中的探頭之間的間隔帶(參見圖1或3中的虛線)和使用的分割技術(shù)。 然而，由此產(chǎn)生的邊緣應(yīng)當(dāng)?shù)湫偷鼐哂?Vn±V20的角，假設(shè)在分割步驟期間足夠小心。
[0085] -探頭100還可以具有本制造技術(shù)的其它特征，例如：
[0086] ?由于使用的不同技術(shù)（即，側(cè)緣的分割對比處理表面的機(jī)械加工/鉆孔/拋光）， 側(cè)緣的精細(xì)表面狀態(tài)不同于處理表面；以及
[0087] ?探頭100的扇形的形狀(類似于餅形圖的扇區(qū)）和更一般地，布局的初始環(huán)形分 布、布局的對稱性以及機(jī)械加工以產(chǎn)生處理表面的孔16等的其它情況，可以由本制造技術(shù) 產(chǎn)生。
[0088] 現(xiàn)在，在分割之后，探頭100可以受到隨后的處理或加工，使得它們可以不必保持 上述的所有制造特征。
[0089] 如先前所述，MFP的典型實施例包括至少兩個微通道123、124，和一致地，相應(yīng)地垂 直地連接到微通道的至少兩個通孔111、112。而且，層11、12中的一個的外部部分可以部分 地金屬化，從而提供電極板。該外部部分與處理表面310、320相對。
[0090] 除了微通道123、124之外，還可以提供側(cè)向通道224，如圖9中所示。有趣地，可以利 用分割步驟在側(cè)向通道的端部處限定孔口 222。
[0091] 圖8顯示根據(jù)本制造方法的實施例獲得的雙層MFP探頭100的處理端的視圖。探頭 1 〇〇具有基層120，其中處理液體微通道123、124和浸漬液體微通道224-起被提供(在這里 僅僅描繪側(cè)向通道中的一個）。每個通道與相應(yīng)的孔口 121、122、222流體連通并且在該例子 中每個孔口位于基層120的面上。蓋層110閉合在基層120的上面120u上敞開的通道。孔口在 基層120的邊緣表面320處形成。由于制造工藝，處理表面310、320應(yīng)當(dāng)?shù)湫偷丶怃J，這允許 相關(guān)表面200上的緊湊液體沉積，并且為容易的光學(xué)監(jiān)測留下空間。頂點(diǎn)的凹性在圖8中不 可見。
[0092] 探頭還可以帶有管道端口（未顯示），從而允許與通孔111和112(在圖8、9中不可 見）流體連接。通孔和端口應(yīng)當(dāng)配置成允許通過相應(yīng)的通孔從端口流體連通到孔口 121、 122、222〇
[0093] 作為應(yīng)用的例子，當(dāng)在表面200附近移動探頭時，如圖9中示意性地所示，處理液體 PL可以通過孔口 121分配，其將與浸漬液體IL(可能經(jīng)由探頭的側(cè)向孔口提供，其未在圖9中 顯示)組合。應(yīng)當(dāng)注意，尺寸不太按比例，特別是孔口的尺寸，其為了清楚被故意放大。裝置 100優(yōu)選地配置成能夠獲得層流。孔口的尺寸實際上可以為例如幾十微米。它們典型地間隔 幾十到幾百微米。當(dāng)在這里使用成對的處理通道/孔口時，處理液體PL可以在孔口 122處與 一些浸漬液體IL一起被抽吸?？卓?121和122之間的流動路徑可以顛倒，即處理液體可以從 孔口 122注入，而孔口 121可以抽吸液體。處理液體在操作中基本上位于孔口 121和122附近， 并且由通?？梢詢H僅存在于探頭100附近的浸漬液體圍繞。
[0094]現(xiàn)在，可以利用由制造工藝自然產(chǎn)生的處理表面310、320的凹性來將液體限制在 形成于處理表面和待處理的表面之間的凸形空間中，如圖9中示意性地所示。然而，浸漬液 體仍然可能需要流體動力地限制處理液體，并且由此避免處理液體的分散。然而，當(dāng)裝置與 表面相接觸時，頂點(diǎn)的凹形已經(jīng)保證凹部內(nèi)的處理液體流動的一些限制。在該操作模式下 不需要距離控制。應(yīng)當(dāng)注意，頂點(diǎn)的曲率可以改變以"設(shè)計"待包封的液體的特定體積。最 后，曲率限定影響流動限制的幾何學(xué)的唯一流阻。
[0095] 諸如上述的MFP探頭特別顯著地可用于表面處理應(yīng)用。不同于生物應(yīng)用，表面處理 應(yīng)用包括潛在更小的圖案和更寬范圍的液體和化學(xué)制品。使用薄硅晶片(例如，厚度為?〇〇μ m)來制造基層12,例如可以使用常規(guī)DRIE或聚焦離子束制造具有小于ΙΟμπι的側(cè)向尺寸的良 好成形的孔口，其由于硅蓋11具有足夠的厚度而保證探頭的機(jī)械強(qiáng)度。諸如本文中所述的 多層探頭也更易于使用許多處理液體，原因是孔口可以小并且彼此接近，水平微通道充分 地鋪開以便留下足夠的空間用于在層11、12上增加許多端口。然而更一般地，本MFP技術(shù)在 使表面圖案化、對材料進(jìn)行處理、在表面上沉積和去除生物分子和細(xì)胞、分析表面上的細(xì)胞 和生物分子、在表面上產(chǎn)生化學(xué)梯度、研究諸如組織切片之類的復(fù)雜生物樣本和產(chǎn)生具有 奇特輪廓的結(jié)構(gòu)(如錐形腔)這些方面也具有可能性。
[0096] 本文中所述的方法可以在MFP探頭和MFP芯片的制造中使用。由此產(chǎn)生的探頭/芯 片可以由制造商以原始形式(也就是說，作為結(jié)構(gòu)化的雙層襯底并且以包裝形式)配銷。在 后一種情況下芯片可以安裝在單芯片封裝中。在任何情況下，探頭和芯片然后可以與其它 元件整合，作為(a)中間產(chǎn)品或(b)最終產(chǎn)品的一部分。
[0097]以上實施例已參考附圖簡潔地進(jìn)行了描述并且可以適應(yīng)許多變型?？梢灶A(yù)料以上 特征的若干組合。在圖中給出這樣的組合的例子。盡管已參考有限數(shù)量的實施例、變型和附 圖描述本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解可以進(jìn)行各種變化并且等效物可以被替換而 不脫離本發(fā)明的范圍。特別地，在指定實施例、變型中敘述或在圖中顯示的特征(裝置或方 法)可以與另一實施例、變型或圖中的另一特征組合或替換另一特征，而不脫離本發(fā)明的范 圍。因此可以預(yù)料關(guān)于以上實施例或變型中的任何一個所述的特征的各種組合，其仍然在 附帶的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。另外，可以進(jìn)行許多微小的修改以使特定情況或材料適應(yīng)于本 發(fā)明的教導(dǎo)而不脫離它的范圍。所以，本發(fā)明旨在不限制到所公開的特定實施例，而是本發(fā) 明將包括落在附帶的權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有實施例。另外，可以預(yù)料不同于上面明確描 述的許多其它變型。例如，不同于本文中明確描述的其它材料可以用于層11、12的每一個。 類似地，通道、通孔、孔口可以具有不同尺寸。
[0098] 附圖標(biāo)記
[0099] 10、IOa 雙層襯底
[0100] 100 (一個或多個)微流體探測(MFP)探頭
[0101] 11、12 襯底第一層和第二層
[0102] 110 探頭100的第一(蓋)層
[0103] 1101 第一層11、110的下表面
[0104] 111、112 垂直通孔
[0105] 120 探頭100的第二(基)層
[0106] 120u 第二層12、120的上表面
[0107] 121、122 微通道孔口
[0108] 123,124 微通道
[0109] 14 MFP 布局
[0110] 14i、14o 同心探頭布局
[0111] 16 中心孔
[0112] 18 界定中心孔的圓筒壁
[0113] 21、22 對準(zhǔn)孔
[0114] 222 側(cè)向微通道孔口
[0115] 224 側(cè)向微通道
[0116] 310,320 探頭處理表面
【主權(quán)項】
1. 一種制造微流體探頭（100)的方法，所述方法包括： 在包括兩個層（11、12)的相同雙層襯底（10、10a)上提供(S16)n個微流體探頭布局（14) 的集合，所述布局環(huán)形地分布在所述雙層襯底上，并且其中所述布局中的每一個包括： 第一層（110 )，第一層對應(yīng)于所述雙層襯底的所述兩個層（11、12)中的一個（11)的一部 分；以及 第二層（120)，第二層對應(yīng)于所述雙層襯底的所述兩個層（11、12)中的另一個（12)的一 部分;并且第二層包括由在所述第二層（120)的上表面（120u)上敞開的凹槽限定并且由所 述第一層(110)的下表面(1101)的一部分閉合的至少一個微通道(123、124); 大致在所述雙層襯底（10)的中心處機(jī)械加工（S20)孔（16)，從而產(chǎn)生界定所述孔并且 截斷所述布局（14)的所述至少一個微通道中的每一個微通道的圓筒壁(18)，使得所述布局 中的每一個的所述至少一個微通道（123、124)延伸直到在所述圓筒壁（18)處在所述凹槽的 端部處形成的至少一個相應(yīng)的孔口（12U122);以及 分割(S30)所述η個布局中的每一個布局以獲得η個微流體探頭（100)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括，在分割之前，拋光(S24)所述圓筒壁的步驟。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，還包括： 在機(jī)械加工之前，用諸如包括蠟、聚合物或光致抗蝕劑的材料之類的展性材料填充 (S18)所述探頭布局的微通道的步驟；以及 在機(jī)械加工之后去除（S40)所述展性材料，優(yōu)選地在拋光（S24)所述圓筒壁的步驟之 后，并且更優(yōu)選地在分割(S30)所述η個布局中的每一個之后執(zhí)行展性材料的去除。4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項所述的方法，還包括，在提供所述布局之前，制造(S8、 S10、S12)所述η個微流體探頭布局的集合，其包括在所述兩個層中的所述另一個（12)的上 表面(120u)上開槽出（S12)所述η個布局中的每一個布局的所述至少一個微通道。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中開槽出（S12)所述微通道通過例如使用光刻或微機(jī) 械加工之類的微制造來進(jìn)行，并且優(yōu)選地包括濕蝕刻或干蝕刻每個微通道的步驟。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，還包括在開槽出每個微通道之后對準(zhǔn)和結(jié)合(S14)所述 兩個層的步驟。7. 根據(jù)權(quán)利要求4、5或6所述的方法，其中所述制造還包括對于所述η個布局中的每一 個布局，機(jī)械加工出（S10)垂直地連接到所述至少一個微通道（123、124)的至少一個通孔 (111、112)，所述至少一個通孔優(yōu)選地穿過所述兩個層（11、12)中的所述另一個(12)而被機(jī) 械加工。8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任一項所述的方法，其中 所述兩個層(11、12)的每一個具有大致圓盤形狀;并且 所述雙層襯底的所述兩個層(11、12)中的所述一個(11): 具有比所述雙層襯底的所述兩個層(11、12)中的所述另一個(12)小的平均直徑;并且 相對于所述雙層襯底的所述兩個層中的所述另一個對準(zhǔn)從而留下所述兩個層（11、12) 中的所述另一個(12)的未被所述兩個層(11、12)中的所述一個(11)覆蓋的外部部分， 所述方法優(yōu)選地還包括，在所述相同雙層襯底上提供所述微流體探頭布局（14)的集合 之前:至少部分地金屬化所述兩個層（11、12)中的所述另一個（12)使得所述兩個層中的所 述另一個(11)的至少所述外部部分被金屬化。9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中的任一項所述的方法，其中所述方法還包括： 在機(jī)械加工之前，在相應(yīng)的雙層襯底(10)上提供(S16)探頭布局的若干集合；以及 疊加(S19)所述相應(yīng)的雙層襯底， 其中機(jī)械加工（S20)的步驟包括大致在所述疊加的雙層襯底的中心處、穿過所有疊加 的襯底機(jī)械加工出孔，從而產(chǎn)生截斷所述疊加的雙層襯底中的每一個雙層襯底的所述布局 的所述至少一個微通道的每一個微通道的孔圓筒壁， 并且其中，優(yōu)選地，所述方法還包括拋光由此產(chǎn)生的孔圓筒壁。10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9中的任一項所述的方法，其中所述提供包括在相同雙層襯底上 提供包括內(nèi)集合和外集合的至少兩個同心環(huán)形集合，所述內(nèi)集合和所述外集合中的每一個 集合包括環(huán)形地分布在其相應(yīng)的集合中的探頭布局（14i、14o)，所述方法包括機(jī)械加工出 孔的兩個步驟，其中 機(jī)械加工(S20i)出第一孔以產(chǎn)生截斷所述內(nèi)集合的微通道的第一圓筒壁，并且 通過將包括所述內(nèi)集合（14i)的所述雙層襯底的一部分從所述雙層襯底的剩余部分分 離而機(jī)械加工(S20o)出第二孔以產(chǎn)生截斷所述外集合的微通道的第二圓筒壁。11. 一種根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法獲得的微流體探頭，其中所述探頭 包括： 第一層（110);以及 第二層（120)，第二層包括： 由在所述第二層（120)的上表面（120u)上敞開的凹槽限定并且由所述第一層（110)的 下表面(1101)的一部分閉合的至少一個微通道(123、124);以及 在所述第二層（120)的邊緣(320)處、在所述至少一個微通道的端部處的至少一個孔口 (121)，所述邊緣限定所述探頭的處理表面(310、320)的一部分。12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的微流體探頭，其中由于所述微流體探頭的制造方法中的所 述孔(16)的機(jī)械加工，所述處理表面(310、320)的至少一部分是凹的。13. 根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的微流體探頭，還具有成2Vn±Ji/l〇的角并且優(yōu)選地成2 π/η ± π/20的角的兩個側(cè)緣部分。14. 根據(jù)權(quán)利要求11、12或13所述的微流體探頭，包括至少兩個微通道（123、124)，并且 優(yōu)選地還包括相應(yīng)地垂直地連接到所述至少兩個微通道的至少兩個通孔(111、112)。15. 根據(jù)權(quán)利要求11至14中的任一項所述的微流體探頭，其中與限定所述探頭的處理 表面的所述邊緣相對的外部部分被金屬化。
【文檔編號】B01J19/00GK106061599SQ201580011253
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2015年2月13日 公開號201580011253.1, CN 106061599 A, CN 106061599A, CN 201580011253, CN-A-106061599, CN106061599 A, CN106061599A, CN201580011253, CN201580011253.1, PCT/2015/51075, PCT/IB/15/051075, PCT/IB/15/51075, PCT/IB/2015/051075, PCT/IB/2015/51075, PCT/IB15/051075, PCT/IB15/51075, PCT/IB15051075, PCT/IB1551075, PCT/IB2015/051075, PCT/IB2015/51075, PCT/IB2015051075, PCT/IB201551075
【發(fā)明人】M·博格, E·德拉馬爾什, G·凱加拉, R·洛芙奇克
【申請人】國際商業(yè)機(jī)器公司