[发明专利]基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道结构及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及微加工技术领域，特别涉及基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道结构及制备方法。

背景技术

微机电系统(Microelectro mechanical system，MEMS)是指由微机械加工技术制作的包括微机械传感器和执行器等微机械基本部件，以及微能源和由集成电路加工技术制作的高性能电子集成线路组成的微机电器件、装置或系统。自上世纪八十年代出现以来，作为一门新兴的、高新技术的多领域交叉学科，微机电系统受到国内外研究人员广泛地关注，被誉为新世纪引领微电子产业发展的新技术革命。经过近三四十年的发展，微机电系统已经在光学、能源、通信、化学、生物、材料科学等领域取得了长足的发展和进步。其中，生物医学微机电系统(Bio-medical MEMS)作为微机电系统最重要的分支之一，受到科研机构和产业界的密切关注，其中最引人瞩目的是微全分析系统(micro total analysis systems，即μTAS)也称芯片实验室(Lab-on-a-chip)。

微全分析系统是将样品制备、生化反应和结果检测三个步骤集成在单一器件上，且能执行特定分析功能的完整微系统，可分为芯片式与非芯片式两大类。目前芯片式微全分析系统是发展重点，具有样品检测阈值低，灵敏度高，分析速度快，成本低廉的优点，在国外已实现产业化，生产生物芯片的企业数以千计。其中依据芯片结构和工作机理又可分为两大类：即微阵列芯片(Microarray Chip)和微流控芯片(Microfluidic chip)。上述芯片式微全分析系统的核心是在基片上使用微加工技术制备沟槽结构，以分析化学和分析生物化学为基础，实现生物样品的实时检测、分析和处理。其沟槽结构特征尺寸通常在几十到几百微米，与宏观尺度的沟槽不同，由于尺寸效应的影响，流体在微纳米量级的沟槽结构中流动时，其粘滞阻力变得非常巨大，使得液体流动异常困难，根据泊肃叶定律，通道所需压差与尺寸的四次方成反比，这意味着微流体的驱动需要很大的外部驱动力和相应的驱动装置(通常需要借助外部驱动力的作用才能顺畅流动)，譬如微泵、微阀和微能源等，这带来一系列缺点，如结构复杂、系统稳定性低、功耗高、难以实现微小型化。因此，实现具有减阻效果的微流道是微全分析系统研究领域亟待解决的关键科学问题之一。

过去十年间，很多技术被开发出来用以实现具有减阻效果的结构表面，包括高分子减阻剂、减阻涂层、仿生结构复制、微纳双尺度颗粒修饰等技术。高分子减阻剂和减阻涂层[例：Choi K S，Appl Sci Res，1989，46：209-216]是应用最为广泛的一类，其工艺方法简单，但这种注入高分子减阻剂或涂覆减阻涂层形成减阻界面的方法，减阻剂浪费严重，使用寿命严重不足。仿生结构复制[例：Bechert D W，AIAA Shear Flow Control Conference，1985]是通过微加工技术将天然的具有减阻效果的表面结构重复出来，但其减阻效率较低。

近年来研究人员提出了一种基于微纳双尺度颗粒表面修饰的减阻流道设计[例：卢思，中国科学：G辑，2010，40：916-924]，可实现高效减阻效果，但实现上述微纳双尺度颗粒结构通常需要多步复杂工艺，成本高，更为重要的是很难在沟槽的侧壁和顶面上实现减阻结构，即无法实现真正的三维减阻微流道。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道结构及制备方法，利用无掩膜优化深反应离子刻蚀(DRIE)工艺，直接在微米尺度沟槽各表面制备实现高密度高深宽比纳米尺度锥尖阵列，增大其表面积和体积比；同时可在其表面淀积一层氟基聚合物，降低表面能，实现具有超疏水特性的表面结构，进而实现真正三维减阻微流道结构，工艺简单、成本低、减阻效率高。

为达到上述目的，本发明提供了一种基于微纳集成加工技术的三维减阻微流道结构，该结构包括：硅基衬底，硅基盖板，微米尺度沟槽，纳米尺度锥尖阵列。

上述方案中，所述硅基衬底和硅基盖板为单晶硅或多晶硅或无定形硅，其导电类型为N型或P型，厚度为50μm-1000μm。

上述方案中，所述硅基盖板键合于硅基衬底上。

上述方案中，所述微米尺度沟槽制作于硅基衬底上，由硅基衬底和硅基盖板形成封闭腔体，横截面为倒三角形或倒梯形或半圆形，其特征尺寸为1μm-1000μm。

上述方案中，所述纳米尺度锥尖阵列制作于微米尺度沟槽表面，是直径为50nm-1000nm，高度100nm-5000nm，间距100nm-1000nm的硅锥。