一种多层MEMS结构及其制作方法与应用与流程

一种多层mems结构及其制作方法与应用技术领域1.本发明属于微机电系统(mems)器件加工技术领域，涉及一种多层mems结构及其制作方法与应用。背景技术：2.微机电系统(micro electro mechanical systems，简称mems)器件具有微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产的特点，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，需要超精密机械加工，若结构误差较大，将对器件性能产生不良影响。技术实现要素：3.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种多层mems结构及其制作方法与应用，用于解决现有技术中mems结构误差较大的问题。4.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种多层mems结构的制作方法，包括以下步骤：5.第一次覆膜及图形化步骤：在衬底上覆盖第一光敏干膜，图形化所述第一光敏干膜，得到第一空腔于所述第一光敏干膜中；6.第二次覆膜及图形化步骤：在所述第一光敏光膜上覆盖第二光敏干膜，图形化所述第二光敏干膜，得到第二空腔于所述第二光敏干膜中。7.可选地，继续执行覆膜及图形化步骤至少一次，得到自下而上依次堆叠于所述衬底上的至少三层图形化的光敏干膜。8.可选地，所述覆膜通过手动或/和自动贴膜机完成。9.可选地，在每一次覆膜过程中或每一次覆膜之后，加热所述衬底至预设温度，并在所覆盖的光敏干膜表面施加预设压力。10.可选地，所述预设温度的范围是40℃～90℃，所述预设压力的范围是2kpa～10kpa，施加所述预设压力的持续时间是1分钟～10分钟。11.可选地，所述图形化包括紫外光照射曝光步骤、曝光后烘烤步骤及显影步骤。12.可选地，所述第一光敏干膜或所述第二光敏干膜的厚度范围是5微米～1000微米。13.可选地，所述第二空腔与所述第一空腔连通。14.可选地，所述第二空腔的开口面积大于或小于所述第一空腔的开口面积。15.可选地，所述衬底表面设有电极层，所述第一空腔暴露出所述电极层。16.可选地，执行第一次覆膜及图形化步骤之前，清洁所述衬底表面。17.本发明还提供一种多层mems结构在纳米孔测序芯片中的应用，所述多层mems结构采用如上任意一项所述的mems结构的制作方法制作得到，所述纳米孔测序芯片包括样品腔、磷脂层及蛋白纳米孔，所述第一空腔及所述第二空腔作为所述样品腔的组成部分，所述磷脂层固定于所述样品腔的内壁，并悬设于所述样品腔中，所述蛋白纳米孔与所述磷脂层连接，并在垂直方向上贯穿所述磷脂层。18.本发明还提供一种多层mems结构，包括：19.衬底；20.至少两层光敏干膜，自下而上依次堆叠于所述衬底上，所述光敏干膜中设有空腔。21.可选地，所述光敏干膜的厚度范围是5微米～1000微米。22.可选地，相邻两层所述光敏干膜中的所述空腔的开口面积不同。23.可选地，所述衬底表面设有电极层，位于底层的所述光敏干膜中的所述空腔暴露出所述电极层。24.本发明还提供一种多层mems结构在纳米孔测序芯片中的应用，所述多层mems结构采用如上任意一项所述的多层mems结构，所述纳米孔测序芯片包括样品腔、磷脂层及蛋白纳米孔，各层所述光敏干膜中的所述空腔作为所述样品腔的组成部分，所述磷脂层固定于所述样品腔的内壁，并悬设于所述样品腔中，所述蛋白纳米孔与所述磷脂层连接，并在垂直方向上贯穿所述磷脂层。25.如上所述，本发明的多层mems结构及其制作方法使用至少两层光敏干膜实现多层mems结构的制造，各层结构更为平整，曝光更加均匀，可以减小结构误差，从而提高多层mems结构制造的良率。该多层mems结构及其制作方法可应用于多种微结构，包括但不限于纳米孔测序芯片。附图说明26.图1显示为本发明的多层mems结构的制作方法的工艺流程图。27.图2显示为本发明的多层mems结构的制作方法执行第一次覆膜及图形化步骤的示意图。28.图3显示为本发明的多层mems结构的制作方法执行第二次覆膜及图形化步骤的示意图。29.图4显示为图3所示结构的俯视图。30.图5显示为另一实施例中制作的多层mems结构的剖面图。31.图6显示为图5所示结构的俯视图。32.图7显示为一种多层mems结构的设计及制作流程图。33.图8显示为一种采用所述多层mems结构作为支撑结构的纳米孔测序芯片的剖面结构示意图。34.元件标号说明35.s1～s2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ步骤[0036]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ衬底[0037]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第一光敏干膜[0038]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第一空腔[0039]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第二光敏干膜[0040]401ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ悬空部分[0041]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第二空腔[0042]6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ磷脂层[0043]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ蛋白纳米孔[0044]8ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ电极层具体实施方式[0045]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。[0046]请参阅图1至图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。[0047]实施例一[0048]本实施例中提供一种多层mems结构的制作方法，请参阅图1，显示为该方法的工艺流程图，包括以下步骤：[0049]s1：第一次覆膜及图形化步骤：在衬底上覆盖第一光敏干膜，图形化所述第一光敏干膜，得到第一空腔于所述第一光敏干膜中；[0050]s2：第二次覆膜及图形化步骤：在所述第一光敏光膜上覆盖第二光敏干膜，图形化所述第二光敏干膜，得到第二空腔于所述第二光敏干膜中。[0051]首先请参阅图2，执行步骤s1：第一次覆膜及图形化步骤：通过手动或/和自动贴膜机在衬底1上覆盖第一光敏干膜2，图形化所述第一光敏干膜2，得到第一空腔3于所述第一光敏干膜2中。[0052]具体的，所述衬底1作为一支撑平台，可采用硅片、剥离、高分子材料层等任何合适的材料。在执行第一次覆膜及图形化步骤之前，可采用化学或者物理方法清洁所述衬底1表面。所述第一光敏干膜2的厚度可以根据需要进行选择，例如可以是5微米～1000微米。根据干膜的的类型，可将衬底加热到40℃～90℃，使干膜软化。并可根据衬底面积施加一定压力，例如2kpa～10kpa，以帮助干膜覆膜，持续时间可为1-10分钟。所述图形化可包括紫外光照射曝光步骤、曝光后烘烤步骤及显影步骤。本实施例中，在图形化所述第一光敏干膜2之后，可进一步对图形化的所述第一光敏干膜2进行烘烤固化。所述第一空腔3的形状可以根据需要进行调整。[0053]作为示例，所述衬底1表面可预先制作有电极层(图2中未图示，可参见后续图8)，所述第一空腔3暴露出所述电极层，所述电极层可包括一层或多层导电金属层。[0054]然后请参阅图3，执行步骤s2：第二次覆膜及图形化步骤：通过手动或/和自动贴膜机在所述第一光敏光膜2上覆盖第二光敏干膜4，图形化所述第二光敏干膜4，得到第二空腔5于所述第二光敏干膜4中。[0055]具体的，所述第二光敏干膜4的厚度可以根据需要进行选择，例如可以是5微米～1000微米。根据干膜的类型，可将衬底加热到40℃～90℃，使干膜软化。并可根据衬底面积施加一定压力，例如2kpa～10kpa，以帮助干膜覆膜，持续时间可为1-10分钟。所述图形化可包括紫外光照射曝光步骤、曝光后烘烤步骤及显影步骤。本实施例中，在图形化所述第二光敏干膜4之后，可进一步对图形化的干膜进行烘烤固化。所述第二空腔5的形状可以根据需要进行调整。[0056]请参阅图4，显示为图3所示结构的俯视图，本实施例中，所述第二空腔5与所述第一空腔3连通，且所述第二空腔5的开口面积大于所述第一空腔3的开口面积。[0057]请参阅图5及图6，其中，图5显示为另一实施例中制作的所述mems结构的剖面图，图6显示为图5所示结构的俯视图，在该实施例中，所述第二空腔5的开口面积小于所述第一空腔3的开口面积，所述第二光敏干膜4的一部分悬空于所述第一空腔3上方，其中，图6标注了所述第二光敏干膜4的悬空部分401。[0058]至此，制作得到一种包含两层光敏干膜的多层mems结构。在其它实施例中，可根据需要继续执行覆膜及图形化步骤至少一次，得到自下而上依次堆叠于所述衬底上的至少三层(例如3-10层，或者更多)图形化的光敏干膜。请参阅图7，显示为一种多层mems结构的设计及制作流程图，包括以下工艺步骤：[0059](1)确定mems结构层数以及各层的光刻工艺条件；[0060](2)衬底清洁；[0061](3)使用手动或自动方法进行干膜覆膜；[0062](4)图形化覆膜的干膜；[0063](5)对图形化的干膜进行烘烤固化；[0064](6)重复步骤(2)-(5)至少一次，完成对应层数的mems结构。[0065]具体的，上述每一次覆膜可通过手动或/和自动贴膜机完成，各层光敏干膜的厚度可以根据需要进行调整，不同层的厚度可以相同，也可以不同。根据干膜类型，在每一次覆膜过程中或每一次覆膜之后，可加热所述衬底至预设温度，并在所覆盖的光敏干膜表面施加预设压力以帮助覆膜。[0066]本实施例制作的多层mems结构可以应用于多种微结构，下面以应用于纳米孔测序芯片为例进行说明。目前市面上常见的测序产品主要有三种，分别基于第2、3、4代测序技术。第二代测序技术的芯片是通过在玻璃上加工圆形槽阵列，并在槽阵列中修饰测序用的dna片段的方法完成加工的。第三代测序技术的芯片是通过半导体工艺在金属上加工纳米级微孔。第四代测序技术的芯片是通过半导体工艺使用光刻胶加工蛋白纳米孔的支撑结构。其中第四代测序技术又被称为纳米孔测序技术。纳米孔的基本工作原理是在充满电解液的腔内，带有纳米级小孔的绝缘防渗膜将腔体分成两个小室，当电压作用于电解液室，离子或其他小分子物质可穿过小孔，形成稳定的可检测的离子电流。掌握纳米孔的尺寸和表面特性、施加的电压及溶液条件，可检测不同类型的生物分子。由于组成dna的四种碱基腺嘌呤(a)、鸟嘌呤(g)、胞嘧啶(c)和胸腺嘧啶(t)的分子结构及体积大小均不同，单链dna(ssdna)在核酸外切酶的作用下被迅速逐一切割成脱氧核糖核苷酸分子，当单个碱基在电场驱使下通过纳米级的小孔时，不同碱基的化学性质差异导致穿越纳米孔时引起的电流的变化幅度不同，从而得到所测dna的序列信息。[0067]在第四代测序技术的芯片中，支撑结构的功能主要是形成磷脂层从而固定蛋白纳米孔，这种支撑结构一般是由多层结构组成的。请参阅图8，显示为一种采用上述制作的多层mems结构作为支撑结构的纳米孔测序芯片的剖面结构示意图(图8中仅示意了两层光敏干膜，在实际应用中，光敏干膜的层数可以不止两层)，所述纳米孔测序芯片包括样品腔、磷脂层6及蛋白纳米孔7，所述mems结构的由所述第一光敏干膜2围成的所述第一空腔3及由所述第二光敏干膜4围成的所述第二空腔5作为所述样品腔的组成部分，所述磷脂层6固定于所述样品腔的内壁，也就是由光敏干膜支撑，并悬设于所述样品腔中，将所述样品腔分隔为上下两部分，所述蛋白纳米孔7与所述磷脂层6连接，并在垂直方向上贯穿所述磷脂层6，也就是说，所述蛋白纳米孔7嵌于所述磷脂层6中。本实施例中，所述样品腔的底部设有电极层8，其作为测试电路的一个电极。通过测量dna通过蛋白纳米孔过程中的电流变化和并解码电流信息可以确定通过的是哪种碱基。[0068]相较于采用液体光刻胶制作厚度较大的结构时会因为旋涂导致膜层不平整，进而导致在接触式曝光时不均匀，使得最后结构误差较大，本实施例使用至少两层光敏干膜实现多层mems结构的制造，各层结构更为平整，曝光更加均匀，可以减小结构误差，从而提高多层mems结构制造的良率。制作的多层mems结构可应用于多种微结构，包括但不限于纳米孔测序芯片。[0069]实施例二[0070]本实施例中提供一种多层mems结构，包括衬底及自下而上依次堆叠于所述衬底上的至少两层光敏干膜，所述光敏干膜中设有空腔。[0071]作为示例，所述光敏干膜的厚度范围是5微米～1000微米，各层光敏干膜的厚度可以根据需要进行调整，不同层的厚度可以相同，也可以不同。[0072]作为示例，相邻两层所述光敏干膜中的所述空腔的开口面积不同。[0073]作为示例，所述衬底表面设有电极层，位于底层的所述光敏干膜中的所述空腔暴露出所述电极层。[0074]本实施例的多层mems结构可以应用于多种微结构，包括但不限于纳米孔测序芯片。作为示例，所述纳米孔测序芯片包括样品腔、磷脂层及蛋白纳米孔，各层所述光敏干膜中的所述空腔作为所述样品腔的组成部分，所述磷脂层固定于所述样品腔的内壁，并悬设于所述样品腔中，所述蛋白纳米孔与所述磷脂层连接，并在垂直方向上贯穿所述磷脂层。[0075]综上所述，本发明的多层mems结构及其制作方法使用至少两层光敏干膜实现多层mems结构的制造，该多层mems结构中包括至少两层光敏干膜，各层结构更为平整，曝光更加均匀，可以减小结构误差，从而提高多层mems结构制造的良率。该多层mems结构及其制作方法可应用于多种微结构，包括但不限于纳米孔测序芯片。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。[0076]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。