一种聚合物光漂白光波导与微流控免对版集成芯片及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于聚合物光波导与微流控通道三维混合集成传感芯片制备技术领域，具体涉及一种聚合物光漂白光波导与微流控免对版集成芯片及其制备方法。
【背景技术】
[0002]光波导液体传感芯片采用光波导作为光信号的载体，通过光波导的表面与待测液体接触，实现传感功能，具有灵敏度高、响应迅速、结构简单、抗电磁干扰等特点，在环境保护、食品安全、医疗卫生等领域具有广泛应用。按照液体的引入方法，通常采用储液槽和微流控通道两种方法，微流控通道弓I入液体具有液体流动可控、消耗试样和试剂极少、分析速度快、集成度高、便携性好等优势。
[0003]光波导液体传感器的传感精度取决于光波导和待测液体的作用强弱。传感窗口的长度将影响器件的传感精度，传感窗口长度的增加将提升传感精度，但是传感窗口长度的增加也会增大光波导和微流控通道双层芯片对版误差对器件精度的影响，这种由双层芯片对版引起的误差无法避免，制约光波导微流控集成芯片的发展。
[0004]现有工艺问题总结如下:1.光波导和微流控三维集成器件需要首先制备光波导，旋涂上包层，然后采用对版、光刻、掩模、刻蚀等方法制备传感窗口，该工艺过程复杂，对版误差无法避免，且传感窗口刻蚀带来的散射会影响光波导的光学性能。2.光波导微流控三维集成结构中，下层波导通常采用表面裸露的倒脊型结构，该结构波导器件弯曲时损耗较大;若采用刻蚀法去除倒脊型结构的平板层，形成表层裸露的矩形结构，刻蚀带来的损耗影响光波导的光学性能。3.光波导和微流控芯片封装的过程复杂，通常采用紫外胶水或等离子体处理键和，紫外液体胶水容易阻塞通道和传感窗口，而等离子体处理会增加传感区光波导的散射损耗，且增加工艺成本。4样品粘合后，多层样品尺寸厚度大于划片机划片切割范围，端面处理困难。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题就是克服【背景技术】的不足:1.上层微流控芯片和下层光波导芯片不需要对版，直接采用铝掩膜的微流控通道作为光漂白波导的掩膜版(光漂白是一种光直接写入聚合物的方法，利用聚合物材料在紫外光曝光下折射率变低，且在一定范围内，折射率随曝光量的增加而递减的特性)，消除对版误差;2.通过光写入制备光波导，降低散射损耗和弯曲损耗;3.采用热封装上下层器件，成本低廉，且不会阻塞微流控通道。4.激光切割全聚合物芯片，切割范围大，经济快捷。
[0006]本发明的具体工艺步骤如下:
[0007]I)制备微流控层芯片，其方法有两种:热纳米压印法和紫外纳米压印法。
[0008]用激光器(I)将表面抛光的聚合物基底切割为矩形结构的微流控基底(2)，然后在微流控基底(2)上采用热纳米压印法或紫外纳米压印法制备微流控通道凹槽(5)，微流控通道凹槽(5)由等高等宽且共线的前中后三线段式条形结构、与该条形结构中间线段的两端分别垂直连接的微流控液体的引入和引出通道组成;三线段式条形结构的前、后两线段与中间线段间具有一定的间隔；引入和引出通道为与中间线段等高等宽的条形结构，且位于中间线段的同一侧;在引入和引出通道的端口处用激光器(I)贯穿微流控基底⑵烧蚀出注液孔(6);然后用乙醇、去离子水依次擦拭或超声清洗微流控基底(2)，微流控基底(2)、微流控通道凹槽(5)和注液孔(6)构成微流控层芯片；
[0009]热纳米压印法即将微流控基底(2)加热融化，压盖具有微流控凹槽(5)结构的压印模板(3)，而后降温使得微流控基底(2)固化，分离微流控基底(2)和压印模板(3)，即在微流控基底(2)上形成与压印模板(3)图形相契合的微流控凹槽(5)。
[0010]激光器I切割的切割功率为40?60w，走刀速度为8?50mm/s;表面抛光的聚合物基底的厚度为I?3mm，材料为甲基丙烯酸甲酯PMMA，矩形结构微流控基底(2)的长度a为2?10cm，宽度b为3?5cm;具有微流控凹槽结构的压印模板3为与微流控基底2相同的矩形结构，厚度为I?3_，材料可以是镍、Si或聚合物材料，模板上存在突起的条形结构，条形结构的高h为5?50μπι，宽w为5?50μπι，突起的条形结构为前、中、后三线段式结构(三段式结构距模板较近长边的距离为10?15mm)，中间线段为微流控液体传感区，作用是制备微流控通道，同时作为下层光写入波导的掩膜；中间线段长度e为(1/3?3/4)a，三段式结构中的前、后两线段分别在中间线段两边的延长线上，与中间线段间隔d为2?50μπι，并延伸直至模板边缘，其长度为(a-2d-e)/2;间隔d存在的目的是分隔传感区，保证中间段传感区微流控通道的闭合性。在中间线段的两端设置有微流控液体的引入和引出通道，引入和引出通道为与中间线段垂直连接的条形结构，其高与宽与中间线段相同；引入和引出通道的长度c为6?20mm;引入和引出通道一同位于中间线段的一侧，且位于距离较远长边的表面上，以保证结构紧凑且易于封装。
[0011]虽然引入和引出通道会在后续光写入波导的时候写入下层光敏感芯层，但是垂直连接可以保证光在三线段式结构中直线传输过程中散射损耗最低，采用热纳米压印机4热压印微流控基底2，调整纳米压印过程的保压温度80?150°C，保压压力0.5?8kg/cm2，保压时间为I?20min，压印后在微流控基底2上制备出微流控通道凹槽5，凹槽5的宽度为5?50μm，深度为5?50μπι，与模板图形相互契合;在微流控液体引入和引出通道的端口处用激光器I贯穿烧蚀出注液孔6(激光功率为8?60W，走刀速度为8?50mm/s)，注液孔6的半径R为I?5mm;然后用乙醇、去离子水依次擦拭或超声清洗，微流控基底2、微流控通道凹槽5和注液孔6构成热压印微流控层芯片A。
[0012]紫外纳米压印法即将紫外固化的液态聚合物材料旋涂或滩涂于具有聚合物突起结构的压印模板3上，紫外曝光固化该液态聚合物，而后分离聚合物和模板，即在聚合物上形成与模板相契合的图案。
[0013]紫外纳米压印制备聚合物凹槽其工艺流程如下:首先将液态紫外固化聚合物材料7(N0A系列紫外固化材料)滴加在具有聚合物突起结构的压印模板3(模板材料和结构与热压印模板相同)上旋涂成膜，旋涂转数500?8000r/min，旋涂时间20?60s，形成0.2?Imm厚的薄膜，然后在紫外灯(200mW/cm2)充分曝光，曝光200?600s，曝光后，在压印模板3上得到紫外固化聚合物固体薄膜8，而后将压印模板3和紫外固化聚合物固体薄膜8剥离，从在紫外固化聚合物固体薄膜8上形成微流控通道凹槽5(或9);在液体引入和引出通道端口处用激光器I贯穿烧蚀出注液孔10(激光功率为8?60W，走刀速度为8?50mm/s)，注液孔10的半径R为I?5mm;然后用乙醇、去离子水依次擦拭或超声清洗;紫外固化聚合物固体薄膜8、微流控通道凹槽9和注液孔10构成紫外压印微流控层芯片B。热压印和紫外纳米压印形成的微流控层芯片结构俯视图如附图4所示；
[0014]2、在热压印或紫外纳米压印形成的微流控层芯片A(或B)上制备铝掩膜，其流程如附图5所示，将微流控层芯片A(或B)带有微流控通道凹槽5(或9)的一侧蒸发铝掩膜11，铝掩膜厚度20?40nm，铝掩膜11分布在凹槽底部和微流控层芯片表面，在铝掩膜11上旋涂正性光刻胶12(如:BP218，曝光部分被显影液去除)，由于凹槽的存在，旋涂在凹槽5(或9)底部的光刻胶层的厚度大于旋涂在微流控层芯片表面的光刻胶层的厚度，对正性光刻胶12进行加热固化，然后按照微流控层芯片表面光刻胶层厚度所对应的曝光时间进行曝光，曝光后显影，显影后可去除微流控层芯片表面的光刻胶层;在凹槽底部的光刻胶层由于较厚，所以有部分残留，显影后用质量浓度5%。的氢氧化钠水溶液去除基底表面的铝掩膜11，而凹槽底部的铝掩膜11由于部分残留光刻胶层的存在，得以保留;然后再用去胶试剂(如丙酮等有机溶剂)去