專利名稱：一種磁性微結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁性微結(jié)構(gòu)(如微柱、微線條、微環(huán)、微線圈等)的制 作方法，屬于微細加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
免疫磁珠技術(shù)是20世紀70年代興起的一類新型材料。磁珠即為球內(nèi) 包有磁性氧化鐵的微球，在磁性微球外包被單克隆抗體，可與含有相應(yīng)抗原 的靶物質(zhì)特異性地結(jié)合形成新的復(fù)合物。該復(fù)合物在磁場中具有與其它組分 不同的磁響應(yīng)性，在磁力作用下，該復(fù)合物發(fā)生力學(xué)移動，從而達到分離抗 原的目的。這種與其它組分相分離的過程稱為免疫磁性分離法 (Immuno-Magnetic Separation)。當磁珠的尺寸達到納米量級的時候，納米磁珠的小尺寸效應(yīng)將導(dǎo)致其出 現(xiàn)不同于宏觀磁性材料的特殊磁學(xué)性質(zhì)。在納米尺度下，當磁性顆粒的尺寸 減小到臨界尺度時，磁疇在常溫下也可能重新排列，其矯磁力變?yōu)榱?，此時 材料會轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?，甚至處于超順磁狀態(tài)，這在磁珠的分離中起著重要的 作用。當外加磁場時，磁珠會被磁化并吸附在磁極上，而撤去外加磁場時， 磁珠的磁性消失，磁珠重新分散在溶液中，而不是聚集在一起。由于納米磁 珠對外磁場具有良好的響應(yīng)性，因此可以通過外磁場作用，利用納米磁珠進 行生物樣品的分離和定位等操作，從而實現(xiàn)生物傳感器系統(tǒng)的集成化和自動 化。MEMS器件以其體積小、重量輕、功耗低、速度快、靈敏度高等優(yōu)點在 機械、通信、生物醫(yī)學(xué)等工程領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。而隨著微平面電
磁制作、免疫磁珠技術(shù)的不斷發(fā)展，電磁MEMS技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中也 逐漸得到了越來越廣泛的應(yīng)用，突出表現(xiàn)在以磁致驅(qū)動和以磁珠表面免疫反 應(yīng)為基礎(chǔ)的蛋白或DNA的分離檢測、藥物傳輸?shù)?。盡管電磁MEMS (微機械電子系統(tǒng))和生物醫(yī)學(xué)工程兼容性較好，但是 在應(yīng)用中也存在一些問題，主要是因通電電流帶來的熱效應(yīng)可能對生物樣品 的破壞。如生物應(yīng)用中的大部分酶需要工作在37°C，超過60'C就會失活， 這對電磁BioMEMS (生物微機械電子系統(tǒng))器件提出了控溫要求。 一方面， 為減少驅(qū)動及檢測部分電磁器件的載流熱效應(yīng)，而不損失磁性能，必須增大 導(dǎo)線截面積以通過更大電流。而由于系統(tǒng)幾何尺寸的要求，導(dǎo)線線寬并不能 無限增大，這就使得制作小線寬厚導(dǎo)線成為必要，相應(yīng)在工藝上，電鍍工藝 制作超厚小線條金屬導(dǎo)線成為首選，電阻小，允許電流大；另一方面，選擇 絕緣層、微流路、以及反應(yīng)微腔等的材料時，應(yīng)選用散熱性能好的，如有必 要，采用適當?shù)耐庵蒙岵考，F(xiàn)已有的研究提出在流體芯片內(nèi)，利用電鍍或是電沉積的方法，制作一 些磁性微結(jié)構(gòu)，通過外磁場極化，在芯片內(nèi)部產(chǎn)生局部高梯度磁場來捕獲磁 珠，盡管這種方法可以避免平面電線圈漸生的熱效應(yīng)，但它依舊需要采用電 鍍工藝，流程復(fù)雜，而且制作的磁性微結(jié)構(gòu)的高度受電鍍工藝限制，且一般 都只能在50Wn以下，限制了磁性微結(jié)構(gòu)在微流控芯片中的進一步應(yīng)用和發(fā) 展。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是提供一種磁性微結(jié)構(gòu)的快速制作方法。所提供的制作方法 是一種無需電鍍工藝，而在微流控芯片內(nèi)制作磁性微結(jié)構(gòu)的方法。具體地說 是通過在多層模具中預(yù)填充進磁性粉末，然后采用聚合物芯片鑄模成型工 藝，形成具有超順磁性和高深寬比的微結(jié)構(gòu)。在所述的工藝中，采用SU-8 制作多層模具，在聚合物芯片鑄模成型的同時完成磁性微結(jié)構(gòu)的制作，該芯 片可用作免疫磁性微球的在微流控芯片內(nèi)的磁性分離。
本發(fā)明所述芯片的制作步驟是在硅片上，利用MEMS(微機械電子系統(tǒng)) 技術(shù)制作出多層SU-8微結(jié)構(gòu)的模具，然后在SU-8模具內(nèi)填充磁性粉末，在 聚合物(如聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane， PDMS))鑄模成型時， 使磁性粉末轉(zhuǎn)移并澆注在聚合物芯片的微結(jié)構(gòu)內(nèi)，從而在微流控芯片上，無 需電鍍工藝，形成磁性微結(jié)構(gòu)。具體的說，本發(fā)明提供了一種基于SU-8光刻膠(本發(fā)明所使用之SU-8 為Microchem公司的SU-8系列產(chǎn)品，以下皆同)，制作多層模具，然后在制 作的模具中充填Fe304磁性粉末，將PDMS與玻璃基片材料貼合、經(jīng)鍵合后 制作成內(nèi)含磁性微結(jié)構(gòu)的微流控芯片，微結(jié)構(gòu)的高度和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，可以 通過增加SU-8的層數(shù)來實現(xiàn)，具體特征如下1)多層模具的制作用標準RCA清洗工藝清洗硅片，在硅片表面甩涂多層SU-8光刻膠，前 烘，光刻，后烘顯影得到多層SU-8模具，具體制作過程包括以下幾個步驟:(a) 通過標準RCA清洗工藝，清洗硅片，烘干；(b) 硅片正面甩涂第一層SU-8光刻膠；(c) 曝光，將第一塊掩膜版上的微管道圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上；(d) 將曝光好的基片進行曝光后烘，使得被曝光的部分交聯(lián)，冷卻至室溫；(e) 在第一層SU-8表面再甩涂一層SU-8光刻膠(f) 第二次曝光，將第二塊掩膜板上的微柱圖形轉(zhuǎn)移到第二層SU-8光 刻膠上；(g) 進行曝光后的烘焙，使第二層SU-8曝光的部分交聯(lián)，冷卻至室溫;(h) 重復(fù)步驟(e)-(g)，直至所有SU-8結(jié)構(gòu)制作完成，具體層數(shù)可根據(jù) 制作的結(jié)構(gòu)和高度要求設(shè)定；(i) 對多層SU-8結(jié)構(gòu)同時顯影，沖洗干凈，氮氣吹干； 這樣即完成在硅片上制作多層SU-8模具的目的。2)磁性微結(jié)構(gòu)的制作本發(fā)明通過在多層模具中直接填充磁性粉末，在PDMS芯片鑄模成型的 同時，在芯片內(nèi)部形成磁性微柱結(jié)構(gòu)。利用此方法，可以省卻電鍍工藝，在 微流體芯片內(nèi)快速地制作磁性微結(jié)構(gòu)，具體過程包括以下步驟(a) 將磁性粉末填充到多層模具的凹槽中；(b) 將PDMS前聚體和固化劑的混合物倒入模具中固化；(c) 把從模具上揭下的PDMS芯片和玻璃基片貼合，完成芯片的鍵合。 本發(fā)明具有以下優(yōu)點和效果① 集成式的磁性結(jié)構(gòu)制作成本低；② 磁性結(jié)構(gòu)制作過程簡單快捷，不需要采用電鍍工藝，與一般聚合物 微流控芯片的鑄模工藝一致，降低了對設(shè)備的要求和依賴；③ 本發(fā)明通過在多層模具中填充磁性粉末的方法，可以制作高度在幾 微米至幾百微米的磁性微結(jié)構(gòu)，避免了電鍍工藝對高度的限制。④ 本發(fā)明所述的磁性微結(jié)構(gòu)為微柱、微線條、微環(huán)或微線圈中任一種。


圖1為第一層SU-8圖形的掩模板，在模具上做出微流道結(jié)構(gòu)；圖2為第二層SU-8圖形的掩模板，在模具上做出微柱結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的凹圖3是本發(fā)明實施例1提供的含磁性微柱的微流控芯片的制作工藝流 程。具體包括下述9個工藝步驟(a)—RCA清洗工藝清洗烘干后基片 (b卜基片正面甩涂第一層SU-8， SU-8 2050(C)"前烘后曝光轉(zhuǎn)移微管道圖形，(d卜在第一層SU-8上甩涂第二層SU-8， SU-8 2100(e) "前烘后曝光轉(zhuǎn)移微結(jié)構(gòu)圖形(f) "SU-8后烘后顯影，得到多層SU-8模具(g卜在多層SU-8模具中填充Fe304粉末 (h)""PDMS澆注，固化成型(i卜從模具上剝離PDMS芯片，打洞后和玻璃基片貼合，完成芯片制作 圖4為本發(fā)明提供的以SU-8多層模具，F(xiàn)e304粉末和PDMS為材料制 作的含有磁性微結(jié)構(gòu)的微流控芯片用于磁珠分離的原理圖 圖5為實施例1所制作微流體芯片的應(yīng)用實驗結(jié)果 圖6為與實施例1相同的工藝制作的細胞篩選芯片示意圖 圖中l(wèi)一磁性微柱芯片第一層SU-8掩模板2— 磁性微柱芯片第二層SU-8掩模板3— 硅片4一第一層SU-8光刻膠 5 —第二層SU-8光刻膠6— Fe304粉末7— PDMS8 —玻璃基片 9一磁鐵IO—細胞篩選芯片具體實施方式
實施例1:下面結(jié)合附圖3闡述以在PDMS芯片內(nèi)制作高度為100to的磁性微柱 陣列為例，詳述該方法制作微流控芯片的具體工藝流程。該芯片可用于樣品 富集、DNA提純、蛋白質(zhì)捕獲，在線酶反應(yīng)等，具體工藝過程如圖3所示， 包括以下九個步驟(a)采用標準RCA清洗工藝，即分別用Piranha洗液(H2S04:H202)、 RCAl (NH3'H20:H202:H20)、 RCA2 (濃鹽酸:11202:1120)嚴格清洗硅片3
表面，氮氣吹干后，在烘箱或者熱板上進一步嚴格烘干[圖3 (a)];(b) 在硅片正面甩涂一層SU-8 2050光刻膠(MicroChem公司提供)4， 前烘固化處理[圖3 (b)];(c) 在光刻機中將第一塊掩膜板1與基片對準，紫外線曝光，將掩膜 板上微流體芯片的微管道圖形轉(zhuǎn)移到第一層SU-8光刻膠上，進行曝光后的 烘焙，SU-8進一步固化，并使被曝光的部分交聯(lián)，冷卻至室溫[圖3 (c)];(d) 在第一層SU-8表面再甩涂一層MicroChem公司提供的SU-8 2100 光刻膠5，前烘固化處理[圖3 (d)];(e) 在光刻機中將第二塊掩膜板2與基片對準，紫外線曝光，將掩膜 板上的微柱圖形轉(zhuǎn)移到第二層SU-8光刻膠上，進行曝光后的烘焙，第二層 SU-8光刻膠固化，曝光的部分交聯(lián)，冷卻至室溫[圖3 (e)];(f) 用SU-8顯影液(MicroChem公司提供)對兩層SU-8結(jié)構(gòu)同時顯 影，異丙醇沖洗，去離子水沖洗，氮氣吹干[圖3 (f)];(g) 將Fe304粉末6倒入SU-8雙層模具的凹槽中，用軟刷刷去模具表 面多余的Fe304粉末閨3 (g)];(h) 將PDMS前聚體和固化劑按10:1的比例混合后抽氣至無汽泡，然 后將此混合物7倒入已填充磁性粉末的模具中，放入65。C烘箱中，烘焙1 小時[圖3 (h)];(0將固化后的PDMS從模具上揭下來，打孔后和玻璃基片8貼合， 然后轉(zhuǎn)移到80'C烘箱中放置15min完成鍵合的[圖3 (i)]。 本實施例的應(yīng)用磁珠經(jīng)過活化后，將目標樣品的相應(yīng)配體(探針、抗原、抗體等)固定 在磁珠表面。用微量注射泵將磁珠溶液注入微管道中。在芯片一側(cè)放置磁鐵。 將樣品溶液通入微管道中。反應(yīng)一定時間后，目標生物樣品被磁性微柱周圍 的磁珠捕獲，導(dǎo)入清洗洗液沖洗走雜質(zhì)等。圖5是捕獲溶液中FITC標記的 鼠抗人IgG蛋白的實驗結(jié)果(磁珠表面固定羊抗鼠IgG)。
實施例2:有磁性微線條結(jié)構(gòu)的細胞篩選芯片(圖6),基本加工工藝同實施例1中的磁性微柱陣列芯片。本實施例應(yīng)用在目標細胞上標記磁珠，將樣品溶液通入微管道中，在芯片一側(cè)放置磁 鐵，等標記有磁珠的細胞基本吸附在微線條周圍后，然后撤去磁場，持續(xù)通 入溶液，標記有磁珠的細胞和未標記磁珠的細胞會分別從不通的出口流出， 完成細胞篩選。
權(quán)利要求
1、一種磁性微結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于通過在多層模具中預(yù)填充進磁性粉末，然后采用聚合物芯片鑄模成型工藝，形成具有超順磁性和高深寬比的磁性微結(jié)構(gòu)；在所述的工藝中，采用SU-8制作多層模具，在聚合物芯片鑄模成型的同時完成磁性微結(jié)構(gòu)的制作。
2、 按權(quán)利要求1所述的磁性微結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于制作方法 包括(A) 多層模具的制作(a) 通過標準RCA清洗工藝，清洗硅片，烘干；(b) 硅片正面甩涂第一層SU-8光刻膠；(c) 曝光，將第一塊掩膜版上的微管道圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上；(d) 將曝光好的基片進行曝光后烘，使得被曝光的部分交聯(lián)，冷卻至室溫；(e) 在第一層SU-8表面再甩涂一層SU-8光刻膠；(f) 第二次曝光，將第二塊掩膜板上的微柱圖形轉(zhuǎn)移到第二層SU-8光 刻膠上；(g) 進行曝光后的烘焙，使第二層SU-8曝光的部分交聯(lián)，冷卻至室溫；(h) 重復(fù)步驟(e)-(g)，直至所有SU-8結(jié)構(gòu)制作完成；(i) 對多層SU-8結(jié)構(gòu)同時顯影，沖洗干凈，氮氣吹干；(B) 磁性微結(jié)構(gòu)的制作(a) 將磁性粉末填充到多層模具的凹槽中；(b) 將聚二甲基硅氧烷前聚體和固化劑的混合物倒入模具中固化；(c) 把從模具上揭下的聚二甲基硅氧烷芯片和玻璃基片貼合，完成芯 片的鍵合。
3、 按權(quán)利要求2所述的磁性微結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于所述的SU-8 光刻膠是由MicroChem公司提供的系列產(chǎn)品。
4、 按權(quán)利要求1或2所述的磁性微結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于所述 的磁性微結(jié)構(gòu)為微柱、微線條、微環(huán)或微線圈。
5、 按權(quán)利要求1或2所述的磁性微結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于所述 的磁性微結(jié)構(gòu)的高度在九微米至幾百微米；復(fù)雜程度和高度通過增加SU-8 的層數(shù)實現(xiàn)的。
6、 按權(quán)利要求2所述的磁性微結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于所述的磁 性微結(jié)構(gòu)制作(B)中(b)使用的前驅(qū)體與固化劑的重量比為10 : 1，固化 溫度65。C，時間為1小時。
7、 按權(quán)利要求2所述的磁性微結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于固化后從 模具上揭下的聚二甲基硅氧烷芯片是打孔后與玻璃基片帖合的。
8、 按權(quán)利要求2或7所述的磁性微結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于聚二 甲基硅氧垸與玻璃基片貼合后轉(zhuǎn)移到8(TC烘箱中放置15min完成鍵合。
9、 按權(quán)利要求1或2所述的磁性微結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于所制 作的磁性微結(jié)構(gòu)芯片用于免疫磁性微球的磁性分離。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種磁性微結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于包括多層模具的制作和磁性微結(jié)構(gòu)制作兩部分。前者包括用標準RCA清洗工藝清洗硅片，在硅片表面甩涂多層SU-8光刻膠，前烘，光刻，后烘顯影得到多層SU-8模具；然后本發(fā)明通過在多層模具中直接填充磁性粉末，在PDMS芯片鑄模成型的同時，在芯片內(nèi)部形成磁性微柱結(jié)構(gòu)。利用所提供的制作方法，可以省卻電鍍工藝，在微流體芯片內(nèi)快速地制作磁性微結(jié)構(gòu)。制作微結(jié)構(gòu)高度在幾微米至幾百微米之間，由甩涂SU-8光刻膠層數(shù)決定，且所述的磁性微結(jié)構(gòu)為微柱、微線條、微環(huán)或微線圈中任一種。
文檔編號B81B1/00GK101108721SQ20071004210
公開日2008年1月23日 申請日期2007年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月15日
發(fā)明者封松林, 王聿佶, 程建功, 趙建龍, 金慶輝 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所