一种高精度微流道网络制作方法与流程

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种高精度微流道网络制作方法。

背景技术：

微流道网络作为微流体技术的关键载体零件，现在已经发展到采用尺寸为微米量级的微细管道，进行体积为纳升到阿升的微小流体处理或操纵。因为其体积小、样品消耗少、可以实现多功能集成的快速检测，因此在便携临床检测诊断方向有巨大应用潜力。同时，微流道网络非常适合离线反应及组织器官体外模型构建，已经成为系统生物学研究所不可或缺的重要步骤。

但本申请发明人在实现本发明实施例中技术方案的过程中，发现上述现有技术至少存在如下技术问题：

传统的制备方法工艺流程复杂，且制备出的材料作为模具容易破裂、柔韧性差的问题。

技术实现要素：

本发明实施例通过提供一种高精度微流道网络制作方法，用以解决传统的制备方法工艺流程复杂，且制备出的材料作为模具容易破裂、柔韧性差的问题，实现了可避免直接采用硅等高精度图形转移材料作为模具的容易碎裂、韧性差等问题。工艺流程简单可控，重复性好，可用于自动化宏量生产的技术效果。

为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种高精度微流道网络制作方法，所述方法包括：

步骤110：获得一衬底；

步骤120：对所述衬底进行清洗和表面处理后，采用光刻的方法将设计好的微流道网络图形结构图形化至所述衬底表面；

步骤130：对完成刻蚀步骤的衬底，进行光刻胶去除及衬底清洗，完成第一模具零件；对所述第一模具零件表面进行涂层材料处理，形成种子层；

步骤140：利用第一模具零件加工成第二模具零件的精密结构部分；

步骤150：对第二模具零件的精密结构部分进行处理后，获得所有图形化刻蚀的第二模具零件的加工完成部分；

步骤160：选定金属衬背材料，按照第三模具零件的尺寸，结合第二模具零件的加工完成部分加工成背衬腔体结构，并在所述背衬腔体结构上保留后续工艺进料入口，进而完成后道注塑工艺后的第三模具零件；

步骤170：采用高分子材质，采用注塑工艺，在所述第三模具零件中注塑成型第一层微流道网络零件关键结构；

步骤180：获得网络盖板零件，并在所述网络盖板零件上设置粘附材料；

步骤190：将所述网络盖板零件和所述第一次微流道网络零件关键结构密封粘合，获得第一层微流道网络。

优选的，所述方法还包括：

按照步骤110-190加工第二层微流道网络，并将所述第一层微流道网络和所述第二层微流道网络加工成双层微流道网络。

优选的，所述方法还包括：

在所述步骤180中，所述网络盖板零件上设置有通孔。

优选的，所述方法还包括：

所述双层微流道网络内部的反应腔区域中设置微柱阵列，或条形结构阵列，或阻拦槽结构。

优选的，所述方法还包括：

对于大于10um的大尺度图形结构，采用深槽干法刻蚀工艺进行刻蚀。

优选的，所述方法还包括：

对于凹槽结构处的图形化刻蚀，采用高侧壁覆盖率光刻胶，采用均胶、喷涂方案进行光刻胶涂布，采用大景深光刻机或采用激光直写方案进行聚焦、对准及曝光，之后完成曝光的衬底图形结构进行刻蚀。

优选的，所述方法还包括：

对大面积类似结构的图形，采用激光直写的曝光方式，对所述大面积类似结构的图形阵列进行光刻，之后对完成曝光的衬底图形结构进行刻蚀。

优选的，所述方法还包括：

所述通孔结构采用在模板制备过程中的深刻蚀工艺，或者采用激光烧蚀的方法完成。

优选的，所述方法还包括：

所述盖板零件上的正面或者正反两面设置有所述粘附材料

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：

本发明提供一种高精度微流道网络制作方法，该方法结合半导体加工与高精度机械加工方案，采用了光刻、刻蚀、电铸、电镀、注塑、键合、粘接等程序，进行了微纳加工、电化学等方法的多套微流道网络高精度模具制备，突破了高质量图形结构和使用寿命的金属模具制备技术难点。该发明将微纳加工与高精度机械加工技术融合，集成微流控传感芯片跨尺度制备技术，制备出具有较大深宽比、侧壁陡峭、表面平整的精细的结构微流道网络。可以构建适用于多种微小样本的高通量、微型化、高性能微流道网络芯片，能够适用于多种终端应用如样品流通池、生物芯片、芯片实验室、细胞分选机、分离和分析设备、高压分析芯片等，可以广泛应用于生物、化学、医学分析等科研及工程领域。该方案是一种简单易行高精度微纳加工技术，可避免直接采用硅等高精度图形转移材料作为模具的容易碎裂、韧性差等问题。工艺流程简单可控，重复性好，可用于自动化宏量生产。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种高精度微流道网络制作方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种高精度微流道网络内部结构俯视图；

图3为本发明实施例提供的一种高精度微流道网络内部结构剖面图；

图4为本发明实施例提供的另一种高精度微流道网络内部结构俯视图；

图5为本发明实施例提供的另一种高精度微流道网络内部结构剖面图；

图6为本发明实施例提供的又一种高精度微流道网络内部结构俯视图；

图7为本发明实施例提供的又一种高精度微流道网络内部结构剖面图；

图8为本发明实施例提供的衬底材料结构示意图；

图9为本发明实施例提供的深凹槽结构示意图；

图10为本发明实施例提供的一种衬底图形结构示意图；

图11为本发明实施例提供的另一种衬底图形结构示意图；

图12为本发明实施例提供的第一模具零件；

图13为本发明实施例提供正倾斜胶边光刻胶的结构示意图；

图14为本发明实施例提供的倾斜侧壁结构示意图；

图15为本发明实施例提供的光刻胶圆弧胶边示意图；

图16为本发明实施例提供的圆弧结构被刻蚀图形示意图；

图17为本发明实施例提供的表面处理涂层材料示意图；

图18为本发明实施例提供的电化学方式制备的材料及结构示意图；

图19为本发明实施例提供的背衬腔体入口结构示意图；

图20为本发明实施例提供的一种双层微流道网络内部结构剖面图；

图21为本发明实施例提供的一种微流道网络采集过滤结构处局部扫描电镜照片；

图22为本发明实施例提供的一种微流道网络内部的不同反应腔区域中布置微柱阵列垂直圆柱台阶仪测试结果图；

图23为本发明实施例提供的一种微流道网络内部的不同反应腔区域中布置微柱阵列圆弧顶部圆柱台阶仪测试结果图。

附图标记说明：1、光刻胶，2、衬底，3、狭缝凹槽结构，4、凹槽结构，5、大尺度深凹槽结构，6、厚光刻胶，7、深槽结构中的凹槽结构，8、深槽内部的光刻胶，9、正倾斜胶边光刻胶，10、倾斜侧壁结构，11、光刻胶圆弧胶边，12、圆弧结构光刻胶，13、圆弧结构被刻蚀图形，14、表面处理涂层材料，15、电镀等电化学方式制备的材料及结构，16、衬背材料，17、背衬腔体入口，18、电铸等电化学方式制备的材料及结构，19、通孔结构，20、粘附材料，21、蓄液池结构，22、柱结构底部直径，23、柱结构横向间距，24、柱结构纵向间距，25、圆柱结构高度，26、倾斜台阶圆柱结构顶部直径，27、倾斜台阶圆柱结构高度，28、圆弧侧壁柱结构柱顶部曲率半径，29、圆弧侧壁柱结构高度，30、条形结构宽度尺寸，31、条形结构横向间距，32、阻拦槽结构横向轴心间距，33、阻拦槽结构横向缝隙间距，34、阻拦槽结构内槽曲率半径，35、阻拦槽结构外围曲率半径阻，36、拦槽结构纵向间距。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种高精度微流道网络制作方法，用以解决传统的制备方法工艺流程复杂，且制备出的材料作为模具容易破裂、柔韧性差的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案总体思路如下：步骤110：获得一衬底；步骤120：对所述衬底进行清洗和表面处理后，采用光刻的方法将设计好的微流道网络图形结构图形化至所述衬底表面；步骤130：对完成刻蚀步骤的衬底，进行光刻胶去除及衬底清洗，完成第一模具零件；对所述第一模具零件表面进行涂层材料处理，形成种子层；步骤140：利用第一模具零件加工成第二模具零件的精密结构部分；步骤150：对第二模具零件的精密结构部分进行处理后，获得所有图形化刻蚀的第二模具零件的加工完成部分；步骤160：选定金属衬背材料，按照第三模具零件的尺寸，结合第二模具零件的加工完成部分加工成背衬腔体结构，并在所述背衬腔体结构上保留后续工艺进料入口，进而完成后道注塑工艺后的第三模具零件；步骤170：采用高分子材质，采用注塑工艺，在所述第三模具零件中注塑成型第一层微流道网络零件关键结构；步骤180：获得网络盖板零件，并在所述网络盖板零件上设置粘附材料；步骤190：将所述网络盖板零件和所述第一次微流道网络零件关键结构密封粘合，获得第一层微流道网络。实现了可避免直接采用硅等高精度图形转移材料作为模具的容易碎裂、韧性差等问题。工艺流程简单可控，重复性好，可用于自动化宏量生产的技术效果。

下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

实施例一

本发明实施例提供了一种高精度微流道网络制作方法，请参考图1，所述方法包括：

步骤110：获得一衬底2；

具体而言，如图8所示，根据需求选取衬底2，所述衬底材料包括硅片、二氧化硅、氮化硅、、玻璃、聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯和纸基等。

步骤120：对所述衬底进行清洗和表面处理后，采用光刻的方法将设计好的微流道网络图形结构图形化至所述衬底表面；

具体而言，对所述衬底进项清洗及表面处理之后，采用光刻的方法将设计的微流道网络图形结构图形化至衬底表面。

选择的光刻种类及涂胶厚度，可以根据同批批次不同线宽的图形结构，可以刻蚀出不同深度的凹槽结构。

如图9所示，对于>10μm的大尺度图形结构，可以直接采用深槽干法刻蚀工艺进行刻蚀。

如图10所示，对于凹槽结构处的图形化刻蚀，可以选择高侧壁覆盖率光刻胶，采用匀胶、喷涂等方案进行光刻胶涂布，之后采用大景深光刻机或者采用激光直写的方案进行聚焦、对准及曝光，之后对完成曝光的衬底图形结构进行刻蚀。

如图11所示，对大面积类似结构的图形，可以采用激光直写的曝光方式，对大面积类似结构的图形阵列进行光刻，之后对完成曝光的衬底图形结构进行刻蚀。

如图13所示，对于需要倾斜侧壁图形结构的微流道，在光刻工艺中，选择合适的光刻胶，设定合适的曝光强度(2～500mj/cm²)、曝光时间(0.5秒～60秒)、显影液(naoh溶液、su8、fhd-5、az300mif、az400k、ed238等)及显影液浓度(naoh0.1％～2％，su8、fhd-5、az300mif、az400k、ed238等10％～100％)、显影时间(5～120秒)、烘烤温度(90℃～220℃)、烘烤时间(前烘0.5分钟～10分钟，后烘0分钟～20分钟，煎膜0分钟～60分钟)等参数，可以实现光刻胶侧壁形成倾斜侧壁(30°～89°)。

如图14所示，选择合适干法刻蚀参数(选择比：衬底:光刻胶＝10:1～1:1)，对完成曝光的衬底图形结构进行刻蚀倾斜侧壁图形结构刻蚀。

如图15对于需要圆弧侧壁图形结构的微流道，在光刻工艺中，选用合适的光刻机，在光刻工艺中，选择合适的光刻胶(光刻胶厚度与关键图形尺寸相当，±50％，例如线宽5μm的圆柱图形，光刻胶厚度2.5μm～7.5μm)，设定合适的曝光强度(2～500mj/cm²)、曝光时间(0.5秒～60秒)、采用非真空接触式曝光模式进行曝光，并选用合适的显影液(naoh溶液、su8、fhd-5、az300mif、az400k、ed238等)及显影液浓度(naoh0.1％～2％，su8、fhd-5、az300mif、az400k、ed238等10％～100％)、显影时间(5～120秒)进行显影。光刻工艺中设定合适的烘烤温度(120℃～220℃)、烘烤时间(前烘0.5分钟～10分钟，后烘0分钟～20分钟，煎膜0分钟～60分钟)等参数，利用掩膜及衬底衍射效应等方案，实现光刻胶形成圆弧形状侧壁(30°～89°)。

如图16所示，选择合适干法刻蚀参数(选择比：衬底:光刻胶＝10:1～1:1)，利用选择比控制及侧向扩蚀等方法，对完成曝光的衬底图形结构进行刻蚀圆弧侧壁图形结构刻蚀。

步骤130：对完成刻蚀步骤的衬底2，进行光刻胶1去除及衬底清洗，完成第一模具零件；对所述第一模具零件表面进行涂层材料处理，形成种子层；

具体而言,如图12、图17所示，对第一模板零件表面进行涂层材料处理，采用物理气相沉积(如蒸发、溅射、激光脉冲沉积(pld))、化学气相沉积(lpcvd、pecvd、ald)，电化学(如电镀)的沉积等方法，沉积材料种类为高导电性金属或类金属材料作为种子层14，包括金属铝、金、镍、钼、铬、钴、钯、钛、铂、铜、铼、铪、钨、铂硅合金、铁铜合金、石墨烯等。

步骤140：利用第一模具零件加工成第二模具零件的精密结构部分；

具体而言，如图18所示，利用第一模具，采用电化学的方法，例如如电铸、电镀等方法，实现第二模具零件的精密结构部分的制备，第二模具零件的材料种类为用于大批量生产、表面光洁度高、具备耐磨耐压性的模具用金属材料，如s136esr、8407supreme、stavax、elmax、asp23、xw-41、sld、optimax、hpm38、stavax、corrax、yag300、pak90、pm-35、奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、沉淀硬化不锈钢、双相不锈钢等。

步骤150：对第二模具零件的精密结构部分进行处理后，获得所有图形化刻蚀的第二模具零件的加工完成部分；

具体而言，对第二模具零件精密结构部分进行后续处理之后，包括脱模、加固、块体焊接、清洗等，完成所有图形化刻蚀的第二模具零件。

步骤160：选定金属衬背材料，按照第三模具零件的尺寸，结合第二模具零件的加工完成部分加工成背衬腔体结构，并在所述背衬腔体结构上保留后续工艺进料入口，进而完成后道注塑工艺后的第三模具零件；

具体而言，如图19所示，选定金属衬背材料16，按照第三模具结构尺寸，结合第二模具加工成背衬腔体结构，并在腔体上保留后续工艺进料入口17，完成后道注塑工艺需要的第三模具零件。

步骤170：采用高分子材质，采用注塑工艺，在所述第三模具零件中注塑成型第一层微流道网络零件关键结构；

具体而言，选用合适的较低成本、较好韧性、具有良好的化学惰性及生物安全性的高分子材质，如聚氯乙烯(pvc)，聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、聚苯乙烯(ps)、聚碳酸酯(pc)、abs、聚氨酯、聚酰胺、热塑性弹性体、聚砜和聚醚醚酮等，采用注塑工艺，采用注塑机，在第三模具中注塑成型单层微流道网络零件关键结构。

步骤180：获得网络盖板零件，并在所述网络盖板零件上设置粘附材料；

进一步的，在所述步骤180中，如图20所示，所述网络盖板零件上设置有通孔19。所述通孔结构采用在模板制备过程中的深刻蚀工艺，或者采用激光烧蚀的方法完成。所述盖板零件上的正面或者正反两面设置有所述粘附材料。

步骤190：将所述网络盖板零件和所述第一次微流道网络零件关键结构密封粘合，获得第一层微流道网络。

具体而言，在特定温度环境下，施加压力，完成完整附带通孔结构的单层微流道网络与盖板结构的密封粘合，以保证该单层微流道网络具有低的液体漏率，从而获得第一层微流道网络。

进一步的，按照步骤110-190加工第二层微流道网络，并将所述第一层微流道网络和所述第二层微流道网络加工成双层微流道网络。

具体而言，采用与第一层同样的工艺，加工第二层微流道网络，最后完成双层微流道网络，并且该零件附带有通孔结构，可以在零件完成加工之后进行钻孔，也可以在头号模具制备时即进行定制，以方便待检测液体进样。多层微流道网络逐层结合，可以制备出缓冲液池、废液池、样品池等大容积腔体结构。

进一步的，所述方法还包括：所述双层微流道网络内部的反应腔区域中设置微柱阵列，或条形结构阵列，或阻拦槽结构。

具体而言，如图2和图3所示，为方便特殊标记物的采集和过滤，微流道网络内部的不同反应腔区域中，布置了微柱阵列，每根微柱可以采用垂直圆柱、斜台阶圆柱、圆弧顶部圆柱等不同结构，其中垂直圆柱具有10～200μm的22、柱结构直径，5～100μm的25、高度，10～200μm的23、柱结构横向间距，和10～200μm的24、柱结构纵向间距；斜台阶圆柱具有10～300μm的22、柱结构底部直径，5～250μm的26、倾斜台阶圆柱结构顶部直径，5～100μm的高度，15～500μm的23、柱结构横向间距，和15～500μm的24、柱结构纵向间距；圆弧顶部圆柱具有10～300μm的22、柱结构底部直径，1～150μm的28、圆弧结构曲率半径，5～100μm的高度，15～500μm的23、柱结构横向间距，和15～500μm的24、柱结构纵向间距

为方便特殊标记物的采集和过滤，如图21所示，为微流道网络采集过滤结构处局部扫描电镜照片，微流道网络内部的不同反应腔区域中，布置了条形结构阵列，如图4和图5所示，每根条形结构可以采用垂直台阶、斜台阶、圆弧顶部台阶等不同结构，其中垂直条形结构具有10～200μm的30、线宽，5～100μm的25、高度，10～500μm的31、条形结构间距；斜台阶圆柱具有10～300μm的30、底部线宽，5～250μm的26、倾斜台阶条形结构顶部直径，5～100μm的27、高度，10～300μm的30、底部线宽，和10～500μm的31、条形结构间距；圆弧顶部条形结构具有10～300μm的30、底部线宽，1～150μm的28、圆弧结构曲率半径，5～100μm的29、高度，10～500μm的31、条形结构间距。

为方便特殊标记物的采集和过滤，如图22-23所示，为方便特殊标记物的采集和过滤，微流道网络内部的不同反应腔区域中，布置了微柱阵列的检测效果图，微流道网络内部的不同反应腔区域中，布置了阻拦槽结构，如图6和图7所示，阻拦槽结构尺寸将根据标记物关键尺寸范围进行设计，以实现固定尺寸标记物的拦截与过滤。每个阻拦槽结构具有15～500μm32、阻拦槽结构横向轴心间距，10～200μm33、阻拦槽结构横向缝隙间距，1～100μm的33、阻拦槽结构横向缝隙间距，10～100μm的34、阻拦槽结构内槽曲率半径，15～200μm的35、阻拦槽结构外围曲率半径阻，15～500μm的36、拦槽结构纵向间距，同时其结构剖面，可以采用垂直台阶、斜台阶、圆弧顶部台阶等不同结构，其中垂直台阶结构具有10～200μm的22、剖面宽度，5～100μm的25、高度，10～200μm的23、横向间距；斜台阶结构具有10～300μm的22、剖面宽度，5～250μm的26、倾斜台阶顶部剖面宽度，5～100μm的高度，15～500μm的23、横向间距；圆弧顶部结构具有10～300μm的22、剖面宽度，1～200μm的28、圆弧结构曲率半径，5～100μm的高度，15～500μm的23、横向间距。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：

本发明提供一种高精度微流道网络制作方法，该方法结合半导体加工与高精度机械加工方案，采用了光刻、刻蚀、电铸、电镀、注塑、键合、粘接等程序，进行了微纳加工、电化学等方法的多套微流道网络高精度模具制备，突破了高质量图形结构和使用寿命的金属模具制备技术难点。该发明将微纳加工与高精度机械加工技术融合，集成微流控传感芯片跨尺度制备技术，制备出具有较大深宽比、侧壁陡峭、表面平整的精细的结构微流道网络。可以构建适用于多种微小样本的高通量、微型化、高性能微流道网络芯片，能够适用于多种终端应用(如样品流通池、生物芯片、芯片实验室、细胞分选机、分离和分析设备、高压分析芯片等)，可以广泛应用于生物、化学、医学分析等科研及工程领域。该方案是一种简单易行高精度微纳加工技术，可避免直接采用硅等高精度图形转移材料作为模具的容易碎裂、韧性差等问题。工艺流程简单可控，重复性好，可用于自动化宏量生产。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。