[发明专利]集成在芯片上的实验室的制造过程

说明书

一种芯片实验室及其分层制造方法，其中所述方法包括：通过计算机程序设计各层中要设置的印刷电路(7)、流体的混合和反应腔(3)、微通道(2)和用于放置电子元件的空间(15)；在一个或多个生物相容性衬底中机械加工将构成所述混合和反应腔(3)、微通道(2)、连接所述微通道的孔(8)和用于随后放置电子元件的空间(15)的不同空隙和通道；用生物相容性导电材料对根据在第一步骤中进行的设计将要集成所述印刷电路(7)的表面进行金属化；通过光刻法和酸侵蚀产生印刷电路(7)；将电子元件粘合在相应的空间(15)中；连接构成最终实验室的所有层。

技术领域

本发明属于集成在芯片上的实验室(即芯片实验室(lab-on-chip))的领域。

本发明应用于例如卫生、兽医、工业、化学、环境、农业食品和制药领域。它可以用于PCR(聚合酶链式反应)器件(即DNA分析、参数分析系统，便携式或非便携式的，例如针对肌酸酐或肿瘤标记物)，用于测量流体中的pH，用于执行气体或污染物感测，用于制造反应器件或消化器件(digester device)，用于检测食品中的化合物(例如橄榄油中的挥发性化合物)，或用于生产和测试药物。

背景技术

芯片实验室由于其在不同领域如制药或农业食品中的潜在应用而正在蓬勃发展。这些技术的最令人感兴趣的应用之一是制造小型化的传统分析系统。与传统系统相比，这种应用具有一些改进，例如：减少了所需试剂的量和目前分析的很大一部分成本；使用连接的电子器件而实现过程的自动化，所述电子器件通过选择过程的每个步骤何时发生并且一旦完成所述过程就读取结果而影响所述过程；由于减少了在过程中涉及的流体的量而使得分析更快；使整个系统可能便携，从而允许在不能电连接的地方进行分析；并且由于所有前述改进，降低了整个过程的成本。

在将来，这些技术将有可能替代传统的分析系统，例如临床实验室或食品分析实验室，从而将目前我们所知的分析成本降低几个数量级。这也将允许免除医疗小组为读取结果的二次医疗访问病人。

在制造这种类型的器件方面，由于所使用的材料和制造工艺的成本很高而仍存在待解决的问题，这些制造工艺还缓慢，难以工业化，并且不允许连续的制造工艺。

发明内容

本发明包括一种快速、更经济且易于再现的制造方法，其中芯片实验室由连续的生物相容性材料层组成，这些生物相容性材料层将印刷电子电路集成在层之间的生物相容性导电材料中，这些电路连接了设计在电子电路本身或嵌入与之接触的致动器和传感器，这些电路与一个三维微通道系统相结合，该三维微通道系统贯穿各层或与为期望的分析功能而设计的所有类型的结构(例如测量室、过滤器、倾析器(decanter)等)的交叉点。微通道连接到用于引入流体(例如化学试剂或样品)的室，所述流体由电子控制的双向活塞驱动。印刷电子电路与其它外部电子元件或系统具有外部连接，可用于提供、控制或解释来自芯片的信号。

为了解决制造这种芯片所必需的技术挑战，已经设计了一种分层制造工艺，其中所有的层都由生物相容性材料制成，例如但不限于PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、COC、聚碳酸酯、硅等。

该制造工艺包括使生物相容性材料的那些表面金属化，期望在这些表面上集成生物相容性(bicompatible)印刷电子电路。金属化是通过使用树脂将预制金属层粘附到生物相容性衬底上。在通过光刻法在金属中产生轨道图案后，除去树脂，使得与液体或样品接触的表面将由生物相容性聚合物或金属制成。以这种方式，实现了金属化的生物相容性衬底，其中可以通过传统方法产生印刷电路，并且在生物相容结构内添加有源电子元件，而不必采用高成本金属或高度专用的制造方法。

在不同的生物相容性材料层中，微通道或孔被雕刻、切割、钻孔或压印(例如通过激光)，一旦例如聚合物的不同层或衬底被接合，它们构成微通道，容纳电子元件，构成驱动系统或限定芯片的每个区域的物理间隔。