一种微流控光纤芯片的设计 王金光 吴震 贾艳梅 2007.6.18

内容介绍 前言 光纤芯片的综述 原理设计 芯片的制作 结束语

前言 微流控光纤芯片 概念：把光纤植入到芯片中，并与微流控沟道垂直对准，激发微流控沟道中用荧光物质标记的DNA或者氨基酸以产生荧光信号。

前言 微流控光纤芯片的优点： 用光纤作为传光介质，光纤所产生的激发光斑与微流控沟道尺寸大致相当，提高了检测灵敏度，同时也省去了体积庞大、价格昂贵的荧光显微镜。

前言 芯片中使用的光纤：单模光纤和多模光纤。 单模光纤的纤芯直径为9μm ，多模光纤的纤芯直径大多为62.5μm。 制作芯片的材料：一种是聚二甲基硅氧烷(PDMS) ；另一种则是用玻璃或者硅制作

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光纤芯片的综述 微流控光纤芯片从结构上，大致可分为： 双边植入光纤 单边植入光纤

光纤芯片的综述 双边植入光纤 双边植入光纤芯片在制作时，把两根光纤纤芯准确对准并且与沟道垂直比较困难，但它在检测时只需把通过光纤传送的荧光信号经滤光片滤光后与光电倍增管相接即可

光纤芯片的综述 单边植入光纤 单边植入光纤芯片的制作过程比较简单，但检测步骤比较繁琐，需要把芯片放在暗盒中并与光电倍增管或者光电二极管紧靠在一起，这样会给操作带来一定的不便。

双边植入光纤 日本的Serge camou等人制作微流控芯片 ： 在玻璃基板上制作好微流控沟道和光纤沟道的模具，然后在模具上浇注PDMS，当PDMS固化后去掉模具，就留下微流控沟道和光纤沟道，把经过处理的两根光纤埋入光纤沟道中，最后把它与另一块玻璃粘合 。

双边植入光纤 台湾的Lung-Ming Fu用玻璃作为基底材料，在上面制作微流控沟道和光纤沟道，他把光纤的外涂敷层去掉再把包层用NaOH刻蚀掉一部分，使光纤直径减小 ，然后把光纤植入两片玻璃之间的光纤沟道中

双边植入光纤 美国的Lee G.B.在玻璃上制作光纤芯片，他在接收端采用两种不同材料制作了光波导，使光纤的对准变得容易。

单边植入光纤 单边植入光纤芯片的制作也具有双边植入光纤的几种方法，单边植入的关键之处是检测装置及激发光源的不同。

单边植入光纤 美国哈佛大学的Chabinyc M.L.等人用在模具上浇注PDMS的办法把光纤单边植入到芯片中 。

单边植入光纤 日本Camou S等人也是玻璃基片上用PDMS制作微流控沟道。但微流控沟道的附近集成了有机发光二极管(OLEO)，利用芯片上单边植入光纤来接收有机发光二极管激发的荧光信号，光纤的另一端经滤光片后与光电倍增管相连。

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原理设计 单模光纤的优点：较长的使用寿命、极低的损耗、高质量的信号传输和最大的带宽距离积。但光芯孔径细，不易于对准，波导色散在单模光纤中的影响十分显著。

原理设计 多模光纤的优点：使用较大的多模光纤纤芯半径，可以很容易地将光功率注入光纤并且易于将相同的光纤连接在一起。 我们选择多模光纤

原理设计 玻璃有良好的光学和电渗等性能，十多年来，玻璃微流控芯片的研究得到重视，已经被广泛应用于电泳和色谱分离。

原理设计 玻璃芯片的优点在于：材料容易获得，制作设备与传统的IC工艺设备兼容性好；透光性好，检测时产生的背景荧光远远小于有机聚合物。 我们在设计中选用玻璃作为芯片材料。

原理设计 在玻璃基片上，植入双边光纤，使光纤与沟道垂直对准。

原理设计 用发光二极管照射光纤 光纤中发出的激发光激发沟道荧光物质 荧光信号进入导出端的光纤。 光纤导出的荧光信号经滤光片滤光后送入荧光检测器

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芯片的制作 实验材料 制作流程 制作中可能会出现的问题

实验材料 用长沙韶光微电子总公司的匀胶铬板，型号SG4009，等级um，铬(Cr)层厚度145nm，光胶类别S-1085，胶厚570 nm作为芯片基片 Cr刻蚀液(硝酸铈铵+高氯酸) 玻璃刻蚀液(1 mol/L HF+1 mol/L NaF) 超纯水。

制作流程

制作流程 掩模的制作 采用GCA3600图形发生器制作掩模。在掩模材料表面均匀地涂上光刻胶，用计算机制图软件来绘制微流控芯片的设计图形，再通过专用的接口电路控制图形发生器进行光刻，即可获得所需图形的掩模。

制作流程 光刻 采用商品化的SG4009匀胶铬板玻璃作为基片，玻璃表层涂有厚度145 nm的Cr层和厚度570nm的光刻胶S-1085。将掩模版与匀胶铬板玻璃对正后放于光刻机上曝光，显影后匀胶铬板玻璃面上形成所需图形。

制作流程 湿法刻蚀 用Cr的腐蚀液去除光刻图形底部的Cr层。此时光刻图形底部的玻璃表面露出，其它地方仍有Cr和光刻胶做掩蔽层。然后将去除Cr的基片进行湿法刻蚀。 刻蚀液的配比浓度影响刻蚀速度，若刻蚀速度较快，刻蚀出的通道表面质量及几何形状较差，通过查找大量的对比实验数据发现采用刻蚀速度0.5um/min的刻蚀液比较理想。

制作流程 超声钻孔 由于玻璃是脆性材料。玻璃微流控芯片的储液池不能用一般的钻床加工。 采用CMC-1001Cr超声钻孔仪以超声钻孔的方式在玻璃基片上钻孔。

制作流程 键合前的预处理 键合前掩蔽层必须清除。用丙酮擦除光刻胶、乙醇溶解丙酮之后，再用去离子水把基片冲洗干净。然后放入Cr腐蚀液中去除Cr层 。

制作流程 键合前的预处理 然后把光纤的外塑料保护层去掉，然后把折射率较小的玻璃层用NaOH刻蚀掉一部分，使光纤直径减小。

制作流程 键合前的预处理 把光纤准确放入两块玻璃上的光纤沟道中，最后在去离子水中将基片和盖片直接贴合，取出并放置于电热鼓风干燥箱(WG 43)中烘干2 h。

制作流程 热键合 将贴合好的玻璃基片和盖片从干燥箱中转移到马弗炉中进行热键合。 由于玻璃的退火点在520～530C左右，选择在超过退火点温度的620C保温一定时间，关闭马弗炉，缓慢降温至室温，完成键合。

制作中可能会出现的问题 1.掩模版的网格式设计 制作微流控芯片的玻璃有很高的平面度。一旦贴合残留在键合面间的水分不能有效地汽化溢出，高温条件下迅速汽化很容易引起芯片爆裂。

制作中可能会出现的问题 1.掩模版的网格式设计 为了使水分汽化后更容易溢出，掩模版进行网格式设计会比较好，也就是要在基片的无通道处同时刻蚀出使水分汽化溢出的网格

2.热键合前的预处理 键合前，基片和盖片应该在去离子水中直接贴合，以避免空气中的微粒影响芯片制作质量。之后将贴合好的基片和盖片平置于干燥箱中烘干。实验表明，烘干时间的长短影响芯片的键合效果。

2.热键合前的预处理 如果键合前的预处理不能保证残留水分的充分溢出，键合后很容易出现气泡和未键合上等缺陷，这些缺陷出现在通道附近会大大影响芯片的使用效果和寿命，甚至造成芯片报废。

内容介绍 前言 光纤芯片的综述 原理设计 芯片的制作 结束语

结束语 通过阅读文献资料，获得了对光纤芯片的应用前景、结构设计、制作工艺等方面的了解。 我们提出了自己的设计思路，并设计了制作流程。 由于时间和实验条件的限制，未能进行实验验证。我们的这些想法还不够成熟，难免存在一些问题和不妥之处。