[发明专利]微流控结构及其制造方法

说明书

背景技术

近年来流体回路的微型化是个受到相当大重新关注的领域。在固态半导体出现之前首先将它们开发用于逻辑器件，例子是US3,495,604和US3,495,608。在这里于单层的单个表面内形成逻辑器件和它们的互连体(interconnect)，并且由衬垫或其它层的背面来密封。最近存在重新关注，特别对于流体分析的微型化，从而减小样品尺寸并使得可以使用一次性分析片，该分析片类似于安装到使用点(point-of-use)设备内的信用卡。受到较少关注的是使用微流控来用于乳液、聚合物珠等的制备，由此通过大规模并行操作可重复在微级或纳级上的合成，以形成商业规模。有许多潜在优点，这些优点包括：与研究工艺同样精确的大规模生产工艺和可能的极充分混合以例如制备乳液而不需大的能量输入。

多层微流体的制造方法的例子示于马里兰大学2003年秋ENMA490，其可在如下找到：

http://www.mne.umd.edu/ugrad/courses/490 materials design/490fall 2003/enma490 fall2003 final projectresults/final-report-enma490-fall2003.pdf

该方法描述了具有在两个层上的互连体和在中间层内的通孔(via)的三维互连结构，其使用堆叠到硅片上的PDMS和SU8层通过模塑来形成。方法的实例是，使用可能具有某些所需性能(例如韧性、廉价性、平整性)的基体材料例如硅或玻璃，然后用薄涂层或层向其添加层或对其选择性涂敷。

另一方法是使用如GB2395357A中那样的所需材料的基底。在这里制得了氟化聚合物基底，并对其进行等离子蚀刻以形成结构。这是基于半导体片模型，其中用硅片形成硅器件。该方法在确保材料完整性的同时，加工聚合物基底却存在许多问题。另一相关方法是在基体例如硅内形成结构，随后以这种方式涂敷它们的表面，即通过用氟化聚合物涂敷，以致于添加满足器件要求的表面和与流体接触的互连层表面。该方法存在许多问题，相当重要的是将非平面表面涂敷成具有粘性完好的、高质量的和一致的厚度在目前是困难的或不可能的。

发明内容

本申请人已想到，再一所需的制造方法是使用预层压基底并进一步层压来形成与互连层(interconnect levels)分开的有源器件层(activedevice layers)，互连层形成在与该器件分开的层内，并且通过通孔将该器件连接至互连体。对于较高的器件密度，可获得多个器件层(device levels)和互连层的堆叠，以提供紧凑和方便的大量微流控器件的高通量阵列。

还应理解的是，流控器件对包括诸如它们的能级、平滑度/粗糙度、形状等特性的表面极为敏感。所使用的材料在大多数情况下应至少不污染流体(除非需要)，应长期耐久并且优选为由管理机构已核准的标准材料。因此，例如本申请人优选食品药品管理局(FDA)核准的结构材料，而不是可能另外需要涂敷以满足FDA或等同机构准许的易于加工的材料。然而，可能希望的是，至少选择性地修饰表面以产生紊流，使得能够将功能性部件附加至该器件或者以某种方式向该器件添加或产生功能性。

本申请人提出制造或选择由层压材料组成的预制基底。这些层压材料由就图案化加工例如等离子蚀刻而言性能显著不同的平面层组成。某些层可以是供以牺牲的和/或某些层可以不实质性接触流体，因此不需要具有与流体有关的所需性能。

例如用于半导体片制造的公知工艺可以用于对层压材料的一个面(上面)内的器件和另一个面(下面)内的互连结构进行图案化。然后形成衬垫层，该衬垫层可以是单独的层或同一层压材料的一部分。然后用中间插入的衬垫层将层压材料互相堆叠，使得上部器件层面向着下部互连层，其中衬垫层在其二者之间限定互连体。

应当理解，衬垫层可位于层压材料内、同一层压材料的上层和下层之间。

还应当理解，由此形成的通道可用于组成流体、可能包含形成的珠或小滴的输出流体和不直接是工艺的一部分例如提供热控制的流体。

微流控器件内工艺流体的热管理特别适用于聚合物基底，因为这些材料的热传导性低。这起初似乎违反直觉，但正是该低热传导性使器件的分开的区域得以维持在不同温度而没有过多的热通量。例如这种概念不适用于硅基器件。虽然下面描述的热交换器结构可作用于基于硅或玻璃的器件，但其不可适用于维持同一基底的分开的区域在不同温度。