一种过滤芯片及其加工制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种过滤芯片，同时还涉及过滤芯片的制作方法，属于环境、食品、化工和医药等领域。该芯片包括具有过滤结构的衬底、上盖、正向进样口、正向出样口、反向回冲进样口、反向回冲出样口，芯片一侧由近及远依次排列着分别与过滤结构相连通的反向回冲出样口、正向进样口，芯片另一侧由近及远依次排列着分别与过滤结构相连通的正向出样口、反向回冲进样口，所述过滤结构由一系列具有间隙呈柱状阵列的微纳柱体组成的，分为内过滤结构和外过滤结构，具有过滤结构的衬底和上盖通过衬底上未刻蚀部分牢固绑定在一起。本发明回收率高、可承受高流速、成本低、适于大规模量产，可广泛用于水、食品及微生物领域微颗粒的过滤和浓缩。
【专利说明】一种过滤芯片及其加工制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种微纳过滤浓缩芯片及其微纳加工制作方法，属于环境、食品、化工 和医药等领域。
【背景技术】
[0002] 微纳过滤器作为常见的过滤膜，广泛应用于饮用水中微生物分析、葡萄酒和果汁 的无菌过滤及无菌药物筛选等领域。按照工作模式，微纳过滤器可分为死端过滤和错流过 滤。死端过滤是将待过滤样置于过滤器正上方，在压力差的推动下，大于过滤器典型孔径 尺寸的颗粒被截留在膜上。这种过滤器随着时间推移，颗粒易在膜表面形成堵塞，使得过滤 阻力增加。错流过滤模式在膜表面产生两种分力，垂直于流向的法向力使得样品通过过滤 间隙，沿着流向的切向力使得截留颗粒物较均匀散开，这种过滤膜不易产生浓度极化和结 垢问题。当前微纳过滤器的主要制作方法包括硅面型微加工方法、相分离微成型方法和孔 径阵列光刻方法。这些方法的问题和不足在于：脱模时存在塌陷或破损等问题，过滤器强度 低、成本高、产率低。
[0003] 微纳过滤器的一种典型应用是用于水中颗粒物的过滤浓缩，如水源性寄生虫卵隐 孢子虫和贾第鞭毛虫。目前，饮用水中隐孢子寄生虫和贾第鞭毛寄生虫标准检测方法为 美国国家环境保护局（USEPA)制定的EPA1623方法。EPA1623方法主要包括过滤和洗提、 浓缩和分离、免疫荧光标记和荧光显微镜分析等步骤。该方法技术成熟、认可度高，但也有 其局限性：耗时3-7天、成本高、步骤繁琐，且易受水中藻类的交叉反应影响，回收率不高。 EPA1623方法所用高分子过滤器由于制作工艺的限制，无法承受高流速，无法对于所截留得 微生物进行自动回收,必须手动振荡并洗脱，回收率低、成本高。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的弊端，提出一种过滤芯片，同时还给 出过滤芯片的制作方法，
[0005] 为了达到以上目的，本发明采取的技术方案是使得过滤芯片包括具有过滤结构的 衬底、上盖、正向进样口、正向出样口、反向回冲进样口、反向回冲出样口，芯片一侧由近及 远依次排列着分别与过滤结构相连通的反向回冲出样口、正向进样口，芯片另一侧由近及 远依次排列着分别与过滤结构相连通的正向出样口、反所述过滤结构由一系列具有间隙呈 柱状阵列的微纳柱体组成的，分为内过滤结构和外过滤结构，具有过滤结构的衬底和上盖 通过衬底上未刻蚀部分的固定柱牢固绑定在一起。
[0006] 具体地说内过滤结构和外过滤结构的间隙为非均匀设计；所述微纳柱体可为方 形、圆柱形、梯形形状、类雨滴形状，或其他各种类似形状；
[0007] 进一步地，内过滤结构和外过滤结构间隙的大小呈错开排列；所述衬底是硅或玻 3? 〇
[0008] 本发明的过滤芯片的制作方法，包括以下步骤：
[0009] 第一步、先制作出具有单分子防粘层的有微纳间隙的软模板；
[0010] 第二步、在衬底上旋涂过渡胶层然后再涂上压印光刻胶层，制成基片；
[0011] 第三步、将软模板和基片上的压印光刻胶层对准，将软膜板上图案转移到压印胶 上，形成由压印光刻胶构成的微纳柱；
[0012] 第四步、采用反应离子刻蚀工艺依次去除微纳柱之间的压印光刻胶层残余及微纳 柱之间的压印光刻胶层残余下面的过渡层，露出衬底；
[0013] 第五步、采用电子束蒸发工艺在样品表面蒸镀金属薄层，并利用丙酮溶液清洗基 底表面的过渡胶层及其上的压印胶层和金属薄层从而剩下衬底表面的金属薄层作为掩膜 层；
[0014] 第六步、利用金属薄层作为掩膜，采用电感耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀衬底，而后 采用清洗液祛除掩膜层，在衬底上获得对应的图案和结构。
[0015] 进一步地所述的过滤芯片的制作方法，所述金属薄层所用金属是镍。
[0016] 本发明的有益效果是：这种微纳过滤芯片回收率高、可承受高流速、成本低、适于 大规模量产，可广泛用于水、食品及微生物领域微颗粒的过滤和浓缩。
【专利附图】
【附图说明】：
[0017] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0018] 图1是本发明的结构示意图一；
[0019] 图2是本发明的结构示意图二；
[0020] 图3是过滤微结构截面图一；
[0021] 图4是过滤微结构截面图二；
[0022] 图5是过滤微结构截面图三；
[0023] 图6是过滤微结构截面图四；
[0024] 图7是压印制作工艺示意图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合【具体实施方式】对本发明做进一步详细叙述。
[0026] 本实施例的过滤芯片装置如图1-6所示，包括具有过滤结构5和9的硅制成的衬 底15、玻璃上盖16、正向进样口 1、正向出样口 3、反向回冲进样口 4、反向回冲出样口 2,芯 片一侧由近及远依次排列着分别与过滤结构相连通的反向回冲出样口 2、正向进样口 1，芯 片另一侧由近及远依次排列着分别与过滤结构相连通的正向出样口 3、反向回冲进样口 4， 所述过滤结构5和9由一系列阵列排列的微纳柱体17组成的，分为内过滤结构5和外过滤 结构9,具有过滤结构的衬底和上盖通过衬底上的分布于内过滤结构内部的固定柱13和外 过滤结构外部的固定柱14绑定在一起。13和14为芯片中未刻蚀区域，为流样提供导引，同 时增大绑定接触面积，提高芯片抗压性能。芯片工作时，待过滤浓缩大体积样从1进入，过 滤后洁净水样从3流出。过滤时，流样中处于内过滤结构6 (间隙大于粒子直径）附近的粒 子可从此处大间隙离开，并被外围过滤结构1〇(间隙小于粒子直径）所俘获。处于内过滤 结构7的粒子直接被俘获（间隙小于粒子直径）。其他位置处粒子俘获原理依次类推。粒 子被俘获后，用少量的去离子水从4反向回冲芯片，所俘获的粒子即被释放，实现过滤浓缩 目的。
[0027] 具体地说内过滤结构5和外过滤结构9的间隙为非均匀设计；所述微纳柱体17可 为方形、圆柱形、梯形形状、类雨滴形状，或其他各种类似形状；
[0028] 进一步地，内过滤结构5和外过滤结构9中微纳柱体17间间隙的大小呈错开排 列；如内过滤层的6为大间隙，外过滤层的10为小间隙；内过滤层的7为小间隙，外过滤层 的11为大间隙；内过滤层的8为大间隙，外过滤层的12为小间隙。
[0029] 如图7所示，制作过滤芯片按以下步骤进行：
[0030] 第一步、先制作出表面具有单分子防粘层的有弹性支撑层、硬质结构层、有微纳间 隙图案的软模板23 ;
[0031] 第二步、在硅衬底15上旋涂过渡胶层PMMA层22然后再涂上压印光刻胶层UV层 21，制成基片；
[0032] 第三步、将软模板和基片的UV层对准将软膜板上图案转移到压印胶上，形成由压 印光刻胶构成的微纳柱；
[0033] 第四步、采用反应离子刻蚀工艺依次去除微纳柱之间的UV层残余及微纳柱之间 的UV层残余下面的PMMA层，露出衬底；
[0034] 第五步、采用电子束蒸发工艺在样品表面蒸镀金属镍25,并利用丙酮溶液清洗基 底表面的UV层及其上的压印胶和金属镍，从而剩下衬底表面的金属镍作为掩膜层；
[0035] 第六步、利用金属镍作为掩膜，采用电感耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀衬底，而后采 用清洗液祛除掩膜层，在衬底上获得对应的图案和结构。
[0036] 本发明不局限于上述实施例，凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本发明要 求的保护范围内。
【权利要求】
1. 一种过滤芯片，其特征是：所述芯片包括具有过滤结构的衬底、上盖、正向进样口、 正向出样口、反向回冲进样口、反向回冲出样口，芯片一侧由近及远依次排列着分别与过滤 结构相连通的反向回冲出样口、正向进样口，芯片另一侧由近及远依次排列着分别与过滤 结构相连通的正向出样口、反向回冲进样口，所述过滤结构由一系列具有间隙呈柱状阵列 的微纳柱体组成的，分为内过滤结构和外过滤结构，具有过滤结构的衬底与上盖通过衬底 上的未刻蚀部分牢固绑定在一起。
2. 如权利要求1所述的一种过滤芯片，其特征是：内过滤结构和外过滤结构的间隙为 非均匀设计，且内过滤结构和外过滤结构间隙的大小呈错开排列。
3. 如权利要求1所述的一种过滤芯片，其特征是：所述微纳柱体可为方形、圆柱形、梯 形形状、类雨滴形状，或其他各种类似形状。
4. 如权利要求1所述的一种过滤芯片，其特征是：所述衬底是硅或玻璃。
5. -种过滤芯片的制作方法，其特征是包括以下步骤： 第一步、先制作出具有单分子防粘层的有微纳间隙的软模板； 第二步、在衬底上旋涂过渡胶层然后再涂上压印光刻胶层； 第三步、将软模板和衬底上的压印光刻胶层对准，将软膜板上图案转移到压印胶上，形 成由压印光刻胶构成的微纳柱； 第四步、采用反应离子刻蚀工艺依次去除微纳柱之间的压印光刻胶层残余及微纳柱之 间的压印光刻胶层残余下面的过渡层，露出衬底； 第五步、采用电子束蒸发工艺在样品表面蒸镀金属薄层，并利用丙酮溶液清洗基底表 面的过渡胶层及其上的压印光刻胶层和金属薄层从而剩下衬底表面的金属薄层作为掩膜 层； 第六步、利用金属薄层作为掩膜，采用电感耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀衬底，而后采用 清洗液祛除掩膜层，在衬底上获得对应的图案和结构。
6. 如权利要求1所述的一种过滤芯片的制作方法，其特征是：所述金属薄层所用金属 是镇。
【文档编号】B01D29/58GK104083930SQ201410318034
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月4日 优先权日:2014年7月4日
【发明者】黄伟, 李丰, 杨立梅, 张巍巍 申请人:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所