一种微悬浮结构的多流道热传感器及其制备方法

1.本发明涉及热传感器领域，特别涉及一种微悬浮结构的多流道热传感器及其制备方法。背景技术：2.热传感器是一种可以收集分析待检测的样本与检测元件的温差信息的装置。随着材料科学、电子科学等学科的发展，热传感器成为研究热点，近年来出现各种性能优越的新型热检测传感器，对热传感器的精度、检测速度、体积的要求也越来越高。随着集成化技术的发展，提供尺寸小、重量轻、检测精度高的传感器成为发展趋势。3.随着微机电系统(micro-electro-mechanical system，mems)的发展，由于微系统性能或结构等方面的需求，对各种微结构的性能和加工工艺提出了更高要求。其中微悬浮结构因可以有效地避免与基底之间的分子间和表面间的影响及热传递，并增大与周围环境的接触面积，而拥有广泛的需求。悬浮结构由于本身与基底的相对隔离，可以最大限度减少其他外界因素造成热量流动，提高传感器检测精度。将悬浮结构与热传感器相结合，能够有效地检测热传递中散失的热量，提高传感器的检测精度和灵敏度。4.现有在微结构间制造悬浮结构的工艺包括体硅工艺刻蚀、电纺工艺、化学气相沉积等，由于所需设备或实验条件较高，往往工艺成本较高、或难以在微悬浮结构与微结构之间建立准确而坚固的机械结合以及有效的电接触。5.随着mems技术水平的不断提升，相比于笨重的传统热传感器，微悬浮结构热传感器凭借mems技术将微流道结构与微悬浮结构相结合，具有高性能、体积小、成本低、稳定性高等诸多优势。6.在微悬浮热传感器中，传感器通常是被制备在悬空薄膜结构上用于改善器件的绝热性以提传感器的高灵敏度，而微流道通常被直接键合在传感器上方作为反应物样品的容器和反应腔室，方便对反应物样品进行操控。悬空结构可以有效改善器件的热绝缘性减少器件的热容，从而增加装置的热敏性。目前，硅、玻璃、聚合物等不同基底材料已较成熟地应用于微流控结构的加工制造。硅是比较常用的一种材料，具有突出的热稳定性、化学惰性和良好的导热性，目前已经有一整套成熟的加工工艺。玻璃的价格相对较便宜，加工方便，且生物兼容性好。聚合物具有成本低、可加工性好、光学透明度高、加工步骤简单、生物相容性良好等优点，成为了常用的微流控芯片基底材料，例如pdms材料和su-8材料。pdms材料耐高低温，低温下不发硬，高温下不变形和软化，始终保持柔性特质，具备良好的介电性能和一定的透气效果。su-8材料在一定波长下透明度高，折射率大，损耗低，被认为是光波导应用的良好材料。7.目前采用的微流控基底材料中，硅基材料的制备工艺成熟，但刻蚀流程相对繁琐，对于环境的要求严苛、加工周期长，限制了该加工技术的大规模应用。此外基于硅材料的悬空薄膜非常脆弱并且制造工艺复杂。而玻璃虽然是透明的，但由于其不定形性，其相对于硅片垂直截面刻蚀难度大。虽然硅片和玻璃均可批量加工，但物件的密封工艺需在超净环境中进行并要求高电压或高温。与硅基材料相比，聚合物材料具有更好的拉伸强度和更低的热导率，更易于被制备成薄膜结构。但聚合物材料的缺点是通常需要进行表面改性，而且大多数不耐高温。虽然pdms是制作微流体系统的优良材料，但大多有机溶液会使pdms溶胀。此外，虽然pdms可高保真地复制图形，但有些几何图形不易脱模。制备的pdms流体结构需要与传感器芯片集成的粘接工艺，这需要保证密封性并且难以粘接到悬浮的微观结构上。而且pdms流体系统芯片的负载力会破坏热传感器的悬浮结构，在微传感器装置的悬浮结构中应用。8.与其他悬臂相比，su-8基悬臂对温度变化表现出更高的耐受性，可以降低噪音并提高灵敏度。由于具有高耐化学性，采用su-8聚合物制造微传感器装置的微流体系统。具有薄su-8盖的制备微通道能够应用光学和荧光检测。悬浮微流体结构与热电偶传感器集成，与传统的笨重的pdms室相比，可以降低热损失并提高灵敏度。技术实现要素：9.本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种微悬浮结构的多流道热传感器及其制备方法。10.为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：11.本发明提供了一种微悬浮结构的多流道热传感器，包括微流道入口、微流道和微流道出口，所述微流道入口与微流道出口之间接通有多个微流道，所述微流道包括微流体通道顶盖、微流体通道壁和微流体通道底板，所述微流体通道底板的底部设置有悬浮桥式结构衬底，所述微流体通道顶盖与微流体通道底板的边沿处连接有微流体通道壁，同时内部形成微流体通道空腔，所述微流体通道空腔的内部设置有参考热电偶和主热电偶，所述微流体通道底板的顶端两侧分别设有加热器和接地处。12.作为本发明的一种优选技术方案，所述微流道均匀间隔分布，且间距为200um。13.作为本发明的一种优选技术方案，所述微流体通道空腔为长条形，且中间处容积大于两侧，所述微流道的制备材料为su-8光刻胶。14.本发明同时提供一种微悬浮结构的多流道热传感器的制备方法，包括如下步骤；15.s1：准备加工用基板，以绝缘硅片作为衬底，使用离子注入工艺，在硅衬底中掺杂二氧化硅，降低传感器电阻；16.s2：制备分离层，通过化学气相沉积技术将二氧化硅薄膜沉积在基板上作为分离层，在二氧化硅层上通过缓冲氢氟酸蚀刻液蚀刻，为热电偶电极打开窗口；17.s3：实现加热器和传感器的电极图案，将光刻胶涂覆在二氧化硅的正面，通过光刻形成加热器的电极图案，定义加热器电极的区域；18.s4：制备热电偶电极的端口，在光刻工艺后通过溅射沉积技术将铬/金层沉积在顶部，使用au/cr的剥离过程来制作加热器和传感器的电极图案；19.s5：制备微流道支撑壁，设计相同的结构微通道，微通道壁和分离层由su-8光刻胶制成，通过bhf蚀刻和硅刻蚀，将顶部悬臂结构制成桥接结构；20.s6：实现微流道覆盖图案，用力和温度控制将su-8干膜覆盖在基板上，通过光刻法制作通道上的覆盖膜图案；21.s7：制备二氧化硅层底部空腔结构，蚀刻二氧化硅的底部，形成底部空腔。22.s8：剥离二氧化硅层底部的光刻胶，完成具有悬浮结构空腔的mems热传感器的制备23.作为本发明的一种优选技术方案，在步骤s1当中，硅衬底的离子注入条件是100kev电压和1020cm-3载流子浓度24.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：25.1：本发明传感器含有悬浮桥式结构的微流体通道，实现了灵敏度的提高和热损失的减小。26.2：本发明通过微流控测量室对小体积液体样品进行敏感测量，以最大限度地减少生物流控样品加载剂量，将助力便携式医疗保健应用。27.3：本发明传感器含有多条微流体通道，能够实现快速响应以及小体积样品检测，可以同时处理多种溶液，进行成分检测，解决了传统mems热传感器检测信息少、处理时间长的问题。28.4；采用标准mems工艺，可实现传感器的一次性大批量生产，同时制作成本低，不需要复杂设备即可生产，具备广泛使用的潜力。附图说明29.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：30.图1是本发明的mems热传感器的结构示意图；31.图2是本发明的微悬浮结构的多流道热传感器的正视结构示意图；32.图3是本发明的微悬浮结构的多流道热传感器的单个微流体通道的结构爆炸图；33.图4是本发明的微悬浮结构的多流道热传感器的制备工艺图；34.图5是本发明的微悬浮结构的多流道热传感器的微流体通道的响应时间；35.图6是本发明的微悬浮结构的多流道热传感器的微流体通道的灵敏度测试结果；36.图中：1、微流道入口；3、微流道；4、微流道出口；6、加热器；7、微流体通道上顶盖；8、微流体通道壁；9、接地处；10、微流体通道底板；11、参考热电偶；12、主热电偶；13、微流体通道空腔。具体实施方式37.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。38.实施例139.如图1-3所示，本发明提供一种微悬浮结构的多流道热传感器，包括微流道入口1、微流道3和微流道出口4，微流道入口1与微流道出口4之间接通有多个微流道3，微流道3包括微流体通道顶盖7、微流体通道壁8和微流体通道底板10，微流体通道底板10的底部设置有悬浮桥式结构衬底，微流体通道顶盖7与微流体通道底板10的边沿处连接有微流体通道壁8，同时内部形成微流体通道空腔13，微流体通道空腔13的内部设置有参考热电偶11和主热电偶12，微流体通道底板10的顶端两侧分别设有加热器6和接地处9。40.进一步的，微流道3均匀间隔分布，且间距为200um。41.进一步的，微流体通道空腔13为长条形，且中间处容积大于两侧，中间处为正方体容腔，边长为500um，高为50um，微流道3的制备材料为su-8光刻胶。42.具体的，加热器6与接地处9配合，用于传感器生产之后评估，模拟产生的反应热；当热传感器开始工作时，首先将待测的患者眼液通过滴定的方法注入到微流道入口1处，经过分流分别注入每个微流道3，使溶液充满整个微流体通道空腔13和流道；此时，5个腔室内都充满了各种类型的酶，酶放置于微流体通道空腔13的中间区域，当中1个为实验组，剩下4个为对照组，不同的酶与溶液进行反应，产生反应热，随后参考热电偶11和主热电偶12感受热量，并对释放出的热量进行检测，最后将电信号传输至电脑上进行处理。43.如图4-6所示，本发明还提供一种微悬浮结构的多流道热传感器的制备方法，包括如下步骤：44.s1：参照图4(a)，准备加工用基板，以绝缘硅片(soi)作为衬底，绝缘硅片(soi)的厚度分别为10μm、1μm和400μm，绝缘硅片(soi)衬底的器件层为n型硅；45.s2：参照图4(b)，制备分离层，将500nm的sio2薄膜通过化学气相沉积沉积在基板上，作为分离层，在500nm的二氧化硅(sio2)层上通过缓冲氢氟酸(bhf)蚀刻液蚀刻，为打开离子注入窗口，以制备pn结；46.s3：参照图4(c)，实现加热器和传感器的电极图案，将光刻胶涂覆在二氧化硅的正面，通过光刻形成加热器的电极图案，定义加热器电极的区域；47.s4：参照图4(d)，制备热电偶电极的端口，200nm的铬/金(cr-au)层在光刻工艺后通过溅射沉积法沉积在顶部，具体为使用溅射装置在500μm厚的二氧化硅的正面先溅射40nm厚的铬(cr)层，再于铬(cr)层上溅射160nm厚的金(au)层，最终完成沉积铬/金(cr-au)层金属膜，使用铬/金(cr-au)刻蚀液去除未被光刻胶掩模覆盖的铬/金(cr-au)层，将基板加热至450℃并保持1分钟，以实现热电偶传感器的欧姆接触；48.s5：参照图4(e)，制备微流道支撑壁，根据设计，微通道具有相同的结构，微通道壁和分离层由su-8光刻胶制成，光刻50μm，在基材的清洁过程之后，通过光刻工艺在基板上制造su-8壁，微通道的宽度为50μm，高度为50μm。通过缓冲氢氟酸(bhf)蚀刻和硅刻蚀，将顶部悬臂结构制成桥接结构；49.s6：参照图4(f)，实现微流道覆盖图案，由干燥的su-8薄膜(50μm)制备通道盖的厚度，首先，将带有支撑膜的干燥su-8薄膜在55℃的通道上覆盖3分钟，暴露80s后，基板在85℃下预烘烤30s，之后，移动支撑膜，将基板在95℃下加热5分钟，以使基板上的图案变硬；50.s7：参照图4(g)，制备二氧化硅层底部空腔结构，蚀刻二氧化硅的底部，形成底部空腔，使用su-8显影液对在su-8薄膜进行显影，10min后，洗去显影液，在基板上完成中空结构的制备；51.s8：参照图4(h)，剥离二氧化硅层底部的光刻胶，经过背面硅蚀刻和缓冲氢氟酸(bhf)蚀刻工艺，制备了具有桥式结构的mems热传感器。52.在步骤s8之后，利用仿真软件对mems热传感器进行仿真测试，如图5所示，对实施例所述多目标检测mems热传感器进行响应时间测试；可以看出，当输入阶跃温度时，传感器能够很快地对温度变化有所反应，在不到200ms的时间内，热电偶就检测到温度变化并输出响应信号，随后转化为电信号输出，结果表明，该热传感器具有快速响应和良好的热特性。53.如图6所示，对实施例所述多目标检测mems热传感器进行灵敏度测试，测试结果显示出传感器具有极高的热表征精度，证实了所制备的微传感器可以测量酶的催化反应热，本发明所提出的悬浮桥式结构可以提高热检测的灵敏度。54.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。