專(zhuān)利名稱(chēng)：用于分子篩選、測(cè)量及分離的具有多孔薄膜的微流體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及微流體裝置，更具體地(但并非排他地)，涉及具有集成多孔硅(porous silicon)薄膜的微流體裝置，所述薄膜用來(lái)過(guò)濾注入流的分子成分以測(cè)量和/或分離化學(xué)和/或生物分子。
背景技術(shù)：
隨著微芯片制造技術(shù)的范圍不斷擴(kuò)大，已經(jīng)產(chǎn)生一種被稱(chēng)為微流體裝置的與微型機(jī)件有關(guān)的新技術(shù)。微流體裝置通常包括微型化的貯存器、泵、閥、濾波器、混合器、反應(yīng)腔及互連所述微型組件的毛細(xì)網(wǎng)絡(luò)，人們正在不斷地對(duì)它們進(jìn)行開(kāi)發(fā)以使其在各種配置情況中使用。例如，微流體裝置可設(shè)計(jì)成，通過(guò)提供在無(wú)人干預(yù)情況下執(zhí)行數(shù)百項(xiàng)操作的能力(例如混合、加熱、分離)，以在一個(gè)微儀器中執(zhí)行多種反應(yīng)和分析技術(shù)。在某些情況下，微流體裝置可作為空氣毒素偵測(cè)器、犯罪現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查員所需的快速DNA分析器、和/或加速藥品開(kāi)發(fā)的新驗(yàn)藥器。
雖然此類(lèi)微流體裝置的應(yīng)用實(shí)際上并無(wú)限制，但是由于在技術(shù)上將某些微型組件集成到微流體系統(tǒng)中是困難的，因此限制了單個(gè)裝置或組合裝置可完成功能的范圍。特別地，目前的微流體系統(tǒng)尚未將一個(gè)尺寸分離(size-separating)(或?yàn)V除)過(guò)濾器充分地集成到一個(gè)微流體芯片中。因此，分離一般是在外部包裝的多孔媒體或基于聚合物的納米孔(nanopore)薄膜中進(jìn)行，從而增加了污染風(fēng)險(xiǎn)，并在分析或其他技術(shù)的執(zhí)行中引入了額外的復(fù)雜性和人為干預(yù)。


附圖中，在本發(fā)明的非限制性、非排他性的實(shí)施例的所有視圖中，相同的元件符號(hào)代表相同的部件，其中
圖1a-圖1e示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)微流體裝置的各個(gè)視圖，其中單個(gè)多孔硅薄膜整體地形成于一個(gè)襯底中；圖2a-圖2e示出了一個(gè)使用堆疊通道式結(jié)構(gòu)的微流體裝置的實(shí)施例的各個(gè)視圖，其中多孔薄膜被放置在上微流體通道和下微流體通道的端部之間；圖3a-圖3e示出了一個(gè)微流體裝置的實(shí)施例的各個(gè)視圖，其中多個(gè)整體式多孔硅薄膜被放置于沿微流體通道的各點(diǎn)；圖4a-圖4d示出了一個(gè)具有層疊堆疊通道式結(jié)構(gòu)的微流體裝置的實(shí)施例的各個(gè)視圖，其中所述平臺(tái)襯底包括多個(gè)襯底層；圖5a-圖5e示出了一個(gè)具有層疊堆疊通道式結(jié)構(gòu)的微流體裝置的實(shí)施例的各個(gè)視圖，其中所述平臺(tái)襯底包括上襯底構(gòu)件和下襯底構(gòu)件；圖6a-圖6f示出了一個(gè)微流體通道的各種剖視圖，其中MEMS鉸鏈驅(qū)動(dòng)器用于在通過(guò)位置和過(guò)濾位置之間旋轉(zhuǎn)多孔硅薄膜；圖7是一個(gè)流程圖，其描述了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例而執(zhí)行的操作，以在微流體通道內(nèi)形成整體式多孔硅薄膜；圖8是一個(gè)流程圖，其描述了可用于制造根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的多孔薄膜的操作；以及參考圖9a-圖9f描述了對(duì)應(yīng)于一種操作的各個(gè)處理階段，所述操作是用于根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例制造圖6a-圖6f的MEMS鉸鏈驅(qū)動(dòng)器及多孔硅薄膜。
具體實(shí)施例方式
在此詳細(xì)說(shuō)明了具有集成多孔硅薄膜的微流體裝置及其制造和使用方法的實(shí)施例，所述集成多孔硅薄膜用于分子篩選、測(cè)量及分離。在以下說(shuō)明中提供許多具體細(xì)節(jié)(例如各種系統(tǒng)組件的識(shí)別)，以便于全面了解本發(fā)明的實(shí)施例。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)意識(shí)到，在不存在一個(gè)或多個(gè)所述具體細(xì)節(jié)的情況下，或者在使用其他方法、組件和材料等的情況下，仍然能夠?qū)嵤┍景l(fā)明的實(shí)施例。為了避免掩蓋本發(fā)明實(shí)施例的特征，在有些情況下并未示出或詳細(xì)說(shuō)明公知的結(jié)構(gòu)、材料或操作。
在整個(gè)說(shuō)明書(shū)中所述的“一個(gè)實(shí)施例”或“實(shí)施例”是指，結(jié)合該實(shí)施例所闡述的特定功能、結(jié)構(gòu)或特性包含在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。因此在整個(gè)說(shuō)明書(shū)中各處所出現(xiàn)的短語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施例中”或“在實(shí)施例中”并非指相同的實(shí)施例。此外，所述特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中采用任一適合的方式進(jìn)行組合。
總之，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種具有至少一個(gè)集成多孔硅薄膜的微流體裝置，以從引入所述微流體裝置的注入流中篩選、測(cè)量和/或分離分子成分。根據(jù)上述內(nèi)容及所附的權(quán)利要求，并結(jié)合所述附圖來(lái)理解詳細(xì)說(shuō)明及討論，讀者將明白該示例性實(shí)施例的其他特征。
現(xiàn)在參考所述附圖，特別是參考圖1a-圖1e，其中示出了微流體裝置100的實(shí)施例。微流體裝置100使用了集成的納米多孔薄膜102，所述薄膜被放置在形成于襯底106中的微流體通道104的一個(gè)區(qū)段中。所述微流體通道104包括一個(gè)與流入貯存器110連接的輸入?yún)^(qū)段108和一個(gè)與流出貯存器114連接的輸出區(qū)段112。在一個(gè)實(shí)施例中，所述裝置進(jìn)一步包括覆蓋層(cover)116。覆蓋層116一般可包括孔(例如孔110A和114A)，可通過(guò)所述孔來(lái)輸入和/或汲取流體?；蛘撸龈采w層可由易于穿孔的材料制成，以通過(guò)注射器或類(lèi)似裝置輸入或汲取流體。
如此處所述，各種實(shí)施例的多孔薄膜包括一個(gè)多孔結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)可用以過(guò)濾、測(cè)量和/或分離化學(xué)和/或生物分子。所述多孔薄膜一般可以制造成使其孔隙率沿某一選定方向最大。此外，通過(guò)下述制造過(guò)程，可將孔尺寸從幾納米調(diào)整為數(shù)微米，從而能夠?qū)δ繕?biāo)化學(xué)及生物分子進(jìn)行篩選、測(cè)量及分離。
圖2a-圖2e所示為“堆疊通道”式微流體裝置200的實(shí)施例，所述裝置所使用的多孔薄膜202放置在上通道204和下通道206的端部之間。在圖2a-圖2e所描述的實(shí)施例的具體實(shí)施中，流入流體輸入流入貯存器210中并流入上通道204。然后，所述流入流體的一部分穿過(guò)多孔薄膜202并流入下通道206。然后，穿過(guò)所述多孔薄膜的所述部分流體(包括流出流體)可被收集于流出貯存器214中。
在一個(gè)實(shí)施例中，微流體裝置200包括一個(gè)三件式裝配件，所述裝配件包括一個(gè)上襯底構(gòu)件220和一個(gè)下襯底構(gòu)件222，它們被夾在多孔薄膜202的周?chē)?。一般，可在所述上襯底構(gòu)件或所述下襯底構(gòu)件中形成一個(gè)凹陷以容納所述多孔薄膜，例如在上襯底構(gòu)件220中形成凹陷224。給定貯存器的一部分可根據(jù)所述貯存器的構(gòu)造，形成于各自襯底構(gòu)件中，例如由部分210A和210B(對(duì)應(yīng)于流入貯存器210)以及部分214A和214B(對(duì)應(yīng)于流出貯存器214)所描述的。與上面對(duì)微流體裝置100所述相類(lèi)似，微流體裝置200還可包括一個(gè)覆蓋層，所述覆蓋層包括貯存器孔或由適于與注射器或類(lèi)似裝置(未示出)一起使用的材料制成。
圖3a-圖3e所示的微流體裝置300使用了多個(gè)集成多孔薄膜。在該示例性實(shí)施例中，微流體裝置300包括形成于襯底306中的蛇形通道304。所述通道的輸入端一般可連接至儲(chǔ)存構(gòu)件或用于所述流入流體的供應(yīng)來(lái)源，例如流入貯存器(未示出)或輸入端口330，經(jīng)由所述輸入端口來(lái)供應(yīng)所述流入流體。類(lèi)似地，所述通道的輸出端可連接至用以?xún)?chǔ)存所述流出流體(未示出)的構(gòu)件，或可包括排出端口332，可經(jīng)由所述排出端口并通過(guò)一個(gè)流出捕獲構(gòu)件來(lái)收集所述流出流體。
微流體裝置300使用多個(gè)放置于沿通道304的多個(gè)位置的多孔薄膜，其包括多孔薄膜302A、302B、302C、302D、302E及302F。在一個(gè)實(shí)施例中，所述孔尺寸隨所述流體遇到的每個(gè)多孔薄膜而減小，從而使所述被分析流體能夠分離成各種化合物。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述多孔薄膜的孔隙率基本近似，從而使目標(biāo)分子得到更全面的過(guò)濾。
微流體裝置300一般可采用或不采用一個(gè)覆蓋層，例如覆蓋層316。所述覆蓋層可包括孔，用以存取所述通道各區(qū)段所包含的流體，或可包括一種材料，所述材料可輕易穿透以便能夠通過(guò)注射器或類(lèi)似器械來(lái)存取此類(lèi)通道區(qū)段。
圖4a-圖4d所示為多層堆疊通道式微流體裝置400，其采用多個(gè)多孔薄膜402A、402B、402C及402D，所述薄膜被分別放置在各自的襯底層406A、406B、406C、406D及406E之間。多個(gè)堆疊式微流體通道被限定在所述襯底層中，以便所述被分析流體(的部分)以層疊形式流經(jīng)所述多孔薄膜，所述通道包括上微流體通道404A、404B、404C及404D，以及下微流體通道406A、406B、406C及406D。所述裝置進(jìn)一步包括多個(gè)貯存器410A、410B、410C、410D及410E，所述貯存器被放置在所述多孔薄膜之間，其中所述流體的分離部分可被儲(chǔ)存和存取。如上所述，微流體裝置400還可包括一個(gè)覆蓋層(未示出)，若所述流體量很小則可能需要所述覆蓋層。所述多孔薄膜一般可放置在形成于襯底層中的連接上微流體通道或下微流體通道的凹陷中，例如凹陷424A、424B、424C及424D。如上所述，所述多孔薄膜可以具有不同的孔隙率(例如，用于越來(lái)越細(xì)的過(guò)濾)或類(lèi)似的孔隙率(用于在單個(gè)裝置內(nèi)提供多次過(guò)濾循環(huán))。
圖5a-圖5e所示為堆疊通道式微流體裝置500，其使用上襯底構(gòu)件和下襯底構(gòu)件520及522而非多個(gè)襯底層。應(yīng)注意到，微流體裝置400及500中最后兩位數(shù)字相同的各種組件和特征在這兩個(gè)實(shí)施例中執(zhí)行基本類(lèi)似的功能。
多孔薄膜制造及特性根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，此處所使用的多孔薄膜包括多孔結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)可用于過(guò)濾、測(cè)量和/或分離化學(xué)和/或生物分子。多孔薄膜一般可以制造成使其孔隙率沿某一選定方向最大。此外，經(jīng)由下面所述的制造過(guò)程，所述孔尺寸可從幾納米調(diào)整為幾微米，從而使目標(biāo)化學(xué)及生物分子的篩選、測(cè)量及分離能夠進(jìn)行。
一般，用于所述集成實(shí)施例(即微流體裝置100及300)的多孔薄膜由與所述襯底相同的材料制成。在所述堆疊通道式實(shí)施例(即微流體裝置200、400及500)的情況下，可用于制造所述多孔薄膜的材料范圍較廣，在所述材料中可形成納米及微多孔結(jié)構(gòu)，而與所述襯底層或構(gòu)件所用的材料無(wú)關(guān)。例如此類(lèi)材料包括但不限于單晶多孔硅(porous silicon，PSi)、多孔多晶硅(porous polysilicon，PPSi)、多孔硅石、沸石、光阻材料、多孔晶體/聚合體等。
在一個(gè)實(shí)施例中，多孔硅被用于所述多孔薄膜。多孔硅是一種特性良好的材料，其是在存在HF(氫氟酸)的情況下通過(guò)電磁靜電、化學(xué)或光化學(xué)蝕刻工藝制成的(A.G.Cullis，et al.，J.Appl.Phys.，1997，82，909.)。一般可通過(guò)電化學(xué)蝕刻或染色蝕刻將多孔硅制成硅層中的復(fù)雜、各向異性納米晶體結(jié)構(gòu)(參考http//chemfaculty.ucsd.edu/sailor)，以形成多孔硅?？椎某叽绾头较蚩赏ㄟ^(guò)蝕刻條件(例如電流密度等)和襯底類(lèi)型及其電學(xué)化特性來(lái)控制(R.L.Smith，et al.，″Porous siliconformation mechanisms″，J.Appl.Phys.，1992，71，R1；P.M Fauchet，″Pitsand PoresFormation，and Significance for Advanced LuminescentMaterials″，P.Schmuki et al.，eds.Pennington，NJElectrochem.Soc.，1997，27)。一般地，中線(xiàn)(median)孔尺寸范圍從約50埃至約10微米，并且硅中的孔在數(shù)毫米的距離上保持高縱橫比(約250)。
另一類(lèi)多孔硅可通過(guò)電火花腐蝕而形成(R.E Hummel，et al.，″Onthe origin of photoluminescence in spark-eroded(porous)silicon″，Appl.Phys.Lett.，1993，63，2771)，從而形成一個(gè)Si表面，所述表面具有以微米至納米為尺度的各種尺寸的凹陷及凸面。Si納米結(jié)構(gòu)可在各向異性蝕刻后通過(guò)氧化而產(chǎn)生(A.G.Nassiopoulos，et al.，″Light emission formsilicon nanostructures produced by conventional lithographic and reactiveion etching techniques″，Phys.Stat.Sol.(B)，1995，1990，91；S.H.Zaidi，et al.，″Scalable fabrication and optical characterization of nm Si structures″.In Proc.Symp.Mater.Res.Soc.，1995，358，957.)。雖然氧化了通過(guò)化學(xué)氣相沉積而沉積的微晶膜，但是Si微晶可通過(guò)SiO而鈍化以形成納米晶體結(jié)構(gòu)(H.Tamura，et al.，″Origin of the green/blue luminescence fromnanocrystalline silicon″，Appl.Phys.Lett.，1994，65，92)。
參考流程7，用于微流體裝置100和300的集成多孔薄膜可按如下流程進(jìn)行制造。在方塊700中，可采用標(biāo)準(zhǔn)微電子技術(shù)在硅襯底中制造微流體通道區(qū)段，其由一個(gè)或多個(gè)各自獨(dú)立的間隙(gap)分隔開(kāi)。然后，在方塊702中，所述硅間隙可通過(guò)電化學(xué)蝕刻或染色蝕刻進(jìn)行蝕刻，以形成多孔硅?？赏ㄟ^(guò)適當(dāng)?shù)奈g刻條件(例如電流密度等)和襯底類(lèi)型及其電阻率來(lái)控制所述孔的尺寸和方向。
參考圖8的流程，根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的所述堆疊通道式實(shí)施例的多孔薄膜(例如多孔薄膜212、402及502)的制造過(guò)程按如下進(jìn)行。首先在方塊800中，多孔硅通過(guò)電化學(xué)或染色蝕刻而被蝕刻在厚度一般為約0.01至50微米的硅層中，以形成多孔硅。在另一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)方塊802，多孔多晶硅(PPSi)通過(guò)低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)來(lái)沉積?？椎某叽绾头较?、孔隙率、粒度、厚度等可經(jīng)由適當(dāng)?shù)奈g刻條件(例如電流密度、電流時(shí)間等)、沉積條件(例如溫度、壓力等)、還包括襯底類(lèi)型及其電化學(xué)特性等來(lái)控制。
下一步，在方塊804中，PSi膜(或PPSi膜)可通過(guò)電解拋光“剝離”而與PSi蝕刻或PPSi沉積硅物理地分離，并懸浮在溶液中?；蛘?，PPSi膜可在直接沉積于襯底(例如硅、石英等)上時(shí)形成，并可通過(guò)各種標(biāo)準(zhǔn)蝕刻或微機(jī)械加工技術(shù)來(lái)物理地分離，或保存作為原始結(jié)構(gòu)的一部分，以立即用以進(jìn)一步蝕刻、微機(jī)械加工等。然后，在方塊806中，所述PSi或PPSi膜被固定在一個(gè)對(duì)應(yīng)的凹陷中，所述凹陷形成于襯底中，其接近交叉通道區(qū)域的一半處。
制造后，所述多孔薄膜被裝配以被放置在所述上或下襯底構(gòu)件或襯底層中的各自獨(dú)立的凹陷內(nèi)。所述襯底構(gòu)件和層一般可由各種襯底材料制成，所述材料包括但不限于晶體襯底(例如硅)及聚合物。在一個(gè)實(shí)施例中，所述襯底材料包括聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane；PDMS)。
采用MEMS驅(qū)動(dòng)器的多孔薄膜的動(dòng)態(tài)定位根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，可制造使用多孔薄膜的實(shí)施例，該多孔薄膜被放置在一個(gè)微流體通道內(nèi)并可與所述襯底旋轉(zhuǎn)式耦合。例如，圖6a-圖6f顯示了對(duì)應(yīng)微流體裝置600的所述實(shí)施例的通道的細(xì)節(jié)。在該實(shí)施例中，多孔硅薄膜602經(jīng)由微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)鉸鏈驅(qū)動(dòng)器640被旋轉(zhuǎn)式耦合到通道604底座中的襯底606。在一個(gè)實(shí)施例中，所述裝置進(jìn)一步使用可選的位置鎖定MEMS驅(qū)動(dòng)器642，所述驅(qū)動(dòng)器形成于覆蓋層616的下側(cè)。
圖6a及圖6b顯示了MEMS驅(qū)動(dòng)器640及642的最初位置。在圖6c和圖6d中，所述MEMS鉸鏈驅(qū)動(dòng)器640為電啟動(dòng)，引起多孔硅薄膜602旋轉(zhuǎn)至垂直“過(guò)濾”位置，從而阻塞通道604。在此位置，所述多孔硅薄膜按上面參照多孔薄膜102和302所述的方式提供了一個(gè)半透屏障。在一個(gè)實(shí)施例中，所述多孔薄膜被旋轉(zhuǎn)，直至其到達(dá)一個(gè)停止點(diǎn)，所述點(diǎn)從覆蓋層616的下側(cè)向下延伸，或從所述通道的兩側(cè)向外延伸(兩者均未示出)。在該示例性實(shí)施例中，所述多孔硅薄膜的位置通過(guò)位置鎖定MEMS驅(qū)動(dòng)器642的電啟動(dòng)而鎖定在適當(dāng)位置，如圖6e和圖6f所示。
MEMS組件一般包括具有對(duì)應(yīng)納米或微米級(jí)尺寸的集成機(jī)電元件或系統(tǒng)?？刹捎霉奈⒅圃旒夹g(shù)將MEMS組件制造在一個(gè)公共平臺(tái)上，例如基于硅的或等效襯底(例如，Voldman，et al.，Ann.Rev.Biomed.Eng，1401-425，1999)?？刹捎眉呻娐?integrated circuit；IC)工藝來(lái)制造MEMS組件，例如互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)、雙極(Bipolar)或雙極互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體(BICOMS)工藝及類(lèi)似工藝。其可采用在電腦芯片制造中公知的光微影惡和蝕刻方法來(lái)圖案化。所述微機(jī)械組件可采用兼容的“微機(jī)械加工”工藝而制造，微機(jī)械加工工藝選擇性地將部分硅晶圓蝕刻掉或添加新的結(jié)構(gòu)層，以形成所述機(jī)械和/或機(jī)電組件。MEMS制造中的基本技術(shù)包括將薄膜材料沉積在襯底上，通過(guò)光蝕法成像或其他已知的光刻法將圖案化掩模施加在所述膜的頂部上，并選擇性地蝕刻所述膜。所用的沉積技術(shù)可包括化學(xué)工藝，例如化學(xué)氣相沉積(CVD)、低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)、電極沉積、外延法(epitaxy)及熱氧化，以及物理工藝，例如物理氣相沉積(PVD)及鑄造。
參考圖9a-圖9f，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的微流體裝置600的MEMS鉸鏈/多孔硅薄膜結(jié)構(gòu)的制造過(guò)程按如下進(jìn)行。最初，適當(dāng)?shù)奈⒘黧w通道部分604形成于襯底606中，其中通道底座650在圖9a中描述。然后，凹陷652及654進(jìn)一步形成于所述襯底中。所述通道及凹陷可采用各種公知的微機(jī)械加工技術(shù)中的一種來(lái)形成，如上所述。下一步次，如圖9b所示，填料656中的一層沉積于凹陷654中。此層最好應(yīng)由可采用蝕刻劑而輕易蝕刻的材料制成，所述蝕刻劑對(duì)其他結(jié)構(gòu)層將不會(huì)有影響或僅有最小影響。
在施加了所述填料后，所述MEMS鉸鏈驅(qū)動(dòng)器即形成。在一個(gè)實(shí)施例中，MEMS鉸鏈驅(qū)動(dòng)器可采用壓電陶瓷雙壓電晶片夾層結(jié)構(gòu)而制造。簡(jiǎn)言之，壓電陶瓷雙壓電晶片夾層元件可用于引起所述元件彎曲或變形的驅(qū)動(dòng)器是公知的。所述雙壓電晶片夾層一般包含導(dǎo)體及壓電陶瓷材料的交替層。橫跨所述夾層的電位啟動(dòng)后，所述(等)壓電陶瓷層引起膨脹或收縮，同時(shí)所述導(dǎo)電層基本上保持不受影響。結(jié)果，所述驅(qū)動(dòng)器因所述(等)壓電陶瓷層的長(zhǎng)度變化而引起彎曲，彎曲方式與曝露于各種溫度時(shí)的一個(gè)雙金屬帶的彎曲相類(lèi)似。
參考圖9c，導(dǎo)體層658被放置在接近于凹陷652的位置，以便與某一預(yù)定圖案中的填料656的一部分重疊。所述導(dǎo)體層一般可包括各種金屬(例如銅或鋁)中的一種。其次，壓電陶瓷層660被放置于導(dǎo)體層658上，如圖9d所示。取決于所用雙壓電晶片元件的特定特性，可采用類(lèi)似方式新增額外交替導(dǎo)體及壓電陶瓷層(未示出)。此產(chǎn)生用于MEMS鉸鏈驅(qū)動(dòng)器640的結(jié)構(gòu)。
此時(shí)，所述多孔硅薄膜即形成。在一個(gè)實(shí)施例中，多孔硅薄膜602根據(jù)用于形成上述納米多孔多晶硅的方法經(jīng)由多晶硅的沉積而形成。圖9e顯示此操作的結(jié)果。所述處理通過(guò)將填料656蝕刻掉而完成，從而在所述多孔硅薄膜及MEMS鉸鏈驅(qū)動(dòng)器640的一部分下面留下空隙662，如圖9f所示。此使MEMS鉸鏈驅(qū)動(dòng)器及所述多孔硅薄膜的一部分不受襯底606約束，從而致動(dòng)所述多孔硅薄膜在所述MEMS鉸鏈驅(qū)動(dòng)器的電啟動(dòng)后旋轉(zhuǎn)。
實(shí)施例的操作上述各種實(shí)施例一般用于過(guò)濾和分離生物及化學(xué)分子。例如，在微流體裝置100(圖1a-圖1e)中，包括流入流體的被分析物會(huì)流入輸入通道部分108，并在此遇到集成多孔薄膜102。隨著所述被分析物穿過(guò)所述多孔薄膜，較小分子能較快穿過(guò)所述孔矩陣，從而留下較大分子在所述薄膜的孔中受較長(zhǎng)時(shí)間的限制。此產(chǎn)生了過(guò)濾的流出流體，具流入輸出貯存器114，在此其可被收集。
類(lèi)似處理采用微流體裝置200(圖2a-圖2e)來(lái)進(jìn)行。在此情況下，被分析流體被引入上微流體通道204，而且穿過(guò)多孔薄膜202。如上所述，所述較小分子能較快穿過(guò)所述孔隙矩陣，從而使所述較大分子在所述薄膜孔隙中受較長(zhǎng)時(shí)間的限制。然后，所述過(guò)濾流出流體可從輸出貯存器214收集。
在微流體裝置300、400及500中用的層疊過(guò)濾器方法中，所述流入流體穿過(guò)多個(gè)多孔薄膜。如上所述，在某些實(shí)施例中，將配置多孔薄膜以便使由所述流體遇到的每個(gè)多孔薄膜的孔的標(biāo)稱(chēng)尺寸較小。此產(chǎn)生了分離效果，其中保留在順序的多孔薄膜之間的流體可選擇性地過(guò)濾以限制一個(gè)較小范圍的分子尺寸。此外，這種選擇性過(guò)濾流體可從各種通道部分汲取(例如用于微流體裝置300)，或從放置于所述多孔薄膜之間的貯存器汲取(例如用于微流體裝置400及500)。
雖然本文已經(jīng)就有限數(shù)量的實(shí)施例來(lái)說(shuō)明和闡述本發(fā)明，但是，本發(fā)明可以具體實(shí)施為各種形式，而不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)特征的精神。所以，本文已闡述且說(shuō)明的實(shí)施例(包含發(fā)明摘要中所述的)都應(yīng)視為解釋性的而非限制性的。本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求來(lái)限定而非由前面的說(shuō)明來(lái)限定，而且其包括了在所述權(quán)利要求等同物的意義和范圍內(nèi)的所有變化。
權(quán)利要求
1.一種微流體裝置，其包括一個(gè)襯底，其具有形成于其中的一個(gè)微流體通道；以及一個(gè)多孔薄膜，其被放置于所述微流體通道中以在所述微流體通道的一個(gè)輸入?yún)^(qū)段與輸出區(qū)段之間形成一個(gè)半透屏障，并具有多個(gè)孔隙以選擇性地過(guò)濾可被引入所述微流體通道的所述輸入?yún)^(qū)段中的流入流體，從而在所述微流體通道的所述輸出區(qū)段產(chǎn)生已過(guò)濾的流出流體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流體裝置，進(jìn)一步包括一個(gè)形成于所述襯底中的流入貯存器，其與所述微流體通道的所述輸入?yún)^(qū)段以流體連通方式連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流體裝置，進(jìn)一步包括一個(gè)形成于所述襯底中的流出貯存器，其與所述微流體通道的所述輸出區(qū)段以流體連通方式連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流體裝置，其中所述多孔薄膜由所述襯底整體地形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流體裝置，進(jìn)一步包括一個(gè)覆蓋層，所述覆蓋層被放置于所述微流體通道的至少一部分上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流體裝置，其中所述多孔薄膜具有多個(gè)孔，所述孔具有一個(gè)在約50埃至約10微米范圍內(nèi)的中線(xiàn)直徑。
7.一種微流體裝置，其包括一個(gè)襯底平臺(tái)，其包括一個(gè)上襯底構(gòu)件，其具有形成于其中的一個(gè)上微流體通道；一個(gè)下襯底構(gòu)件，其具有形成于其中的一個(gè)下微流體通道；和一個(gè)多孔薄膜，其被放置于所述上微流體通道和所述下微流體通道的端部之間，所述多孔薄膜包括一個(gè)半透屏障，所述屏障具有多個(gè)孔以選擇性地過(guò)濾引入所述上微流體通道的流入流體，從而在所述下微流體通道中產(chǎn)生已過(guò)濾的流出流體。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的微流體裝置，其中所述多孔薄膜包括多孔納米結(jié)晶硅。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的微流體裝置，其中所述多孔薄膜包括多孔多晶硅。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的微流體裝置，其中所述多孔薄膜的中線(xiàn)厚度在約10納米至約50微米的范圍內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的微流體裝置，其中所述多孔薄膜具有多個(gè)孔，所述孔的中線(xiàn)直徑在約50埃至約10微米的范圍內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的微流體裝置，其中所述襯底包括一個(gè)聚二甲基硅氧烷襯底。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的微流體裝置，進(jìn)一步包括形成于所述平臺(tái)襯底中的至少一個(gè)各自獨(dú)立的貯存器，所述貯存器與所述上微流體通道和所述下微流體通道中的至少一個(gè)以流體連通方式連接。
14.一種微流體裝置，其包括一個(gè)襯底，其具有形成于其中的一個(gè)微流體通道；以及置于所述通道內(nèi)的多個(gè)多孔硅薄膜，其定義了多個(gè)通道區(qū)段，每個(gè)多孔硅薄膜在所述多孔薄膜相對(duì)側(cè)上的各自的通道區(qū)段之間形成一個(gè)半透屏障，并具有多個(gè)孔，經(jīng)由所述孔來(lái)選擇性地過(guò)濾在一個(gè)多孔硅薄膜的一個(gè)輸入側(cè)所提供的流入流體，從而在所述多孔硅薄膜的一個(gè)輸出側(cè)產(chǎn)生已過(guò)濾的流出流體。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的微流體裝置，其中所述多個(gè)多孔薄膜中的每一個(gè)皆由所述襯底整體地形成。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的微流體裝置，進(jìn)一步包括一個(gè)覆蓋層，所述覆蓋層被放置在所述微流體通道的至少一部分上。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的微流體裝置，其中所述微流體通道的結(jié)構(gòu)基本上為蛇形通道。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的微流體裝置，其中沿一個(gè)經(jīng)由所述微流體通道的流動(dòng)路徑順序地配置所述多個(gè)多孔薄膜，以便沿所述流動(dòng)路徑遇到的每個(gè)相繼的多孔薄膜都具有比先前的多孔薄膜小的標(biāo)稱(chēng)孔尺寸。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的微流體裝置，其中所述多個(gè)多孔薄膜具有基本類(lèi)似的標(biāo)稱(chēng)孔尺寸。
20.一種微流體裝置，其包括一個(gè)襯底平臺(tái)，其中形成了多個(gè)層疊的微流體通道，其分別包括一對(duì)上微流體通道和下微流體通道；以及多個(gè)多孔薄膜，每個(gè)皆被放置于各自獨(dú)立的一對(duì)上微流體通道和下微流體通道的端部，并包括一個(gè)具有多個(gè)孔的半透屏障以選擇性地過(guò)濾可引入其輸入側(cè)上微流體通道中的流入流體，從而在其輸出側(cè)的所述下微流體通道中產(chǎn)生已過(guò)濾的流出流體。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的微流體裝置，其中所述襯底平臺(tái)包括多個(gè)襯底層，每個(gè)襯底層具有形成于其中的上微流體通道和下微射通道中的至少一個(gè)。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的微流體裝置，其中所述襯底平臺(tái)包括一個(gè)上襯底構(gòu)件和一個(gè)下襯底構(gòu)件，裝配時(shí)，這些襯底構(gòu)件被夾在所述多個(gè)多孔襯底的周?chē)?br> 23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的微流體裝置，進(jìn)一步包括多個(gè)貯存器，所述貯存器沿一個(gè)通過(guò)所述多個(gè)層疊微流體通道的流動(dòng)路徑放置。
24.一種微流體裝置，其包括一個(gè)襯底，其具有形成于其中的微流體通道；以及一個(gè)多孔薄膜，其被放置于所述微流體通道內(nèi)并與所述襯底旋轉(zhuǎn)式耦合，以便當(dāng)所述多孔薄膜被旋轉(zhuǎn)至一個(gè)過(guò)濾位置時(shí)，起到半透屏障的作用，所述半透屏障具有多個(gè)孔，以選擇性地過(guò)濾可被引入所述多孔薄膜輸入側(cè)的微流體通道中的流入流體，以在所述多孔薄膜的輸出側(cè)產(chǎn)生已過(guò)濾的流出流體，并且當(dāng)所述多孔薄膜被旋轉(zhuǎn)至一個(gè)通過(guò)位置時(shí)，流經(jīng)所述微流體通道的流體可自由繞過(guò)所述多孔薄膜。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的微流體裝置，其中所述多孔薄膜與所述襯底經(jīng)由第一微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)驅(qū)動(dòng)器而旋轉(zhuǎn)式耦合。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的微流體裝置，進(jìn)一步包括一個(gè)覆蓋層，所述覆蓋層與所述襯底耦合，并被放置在所述微流體通道的至少一部分上。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的微流體裝置，進(jìn)一步包括一個(gè)第二MEMS驅(qū)動(dòng)器，其用于將所述多孔薄膜鎖定在所述過(guò)濾位置中。
28.一種用于制造微流體裝置的方法，其包括在一個(gè)硅襯底中形成一個(gè)微流體通道，所述襯底包括多個(gè)通道區(qū)段，所述多個(gè)通道區(qū)段由一個(gè)或多個(gè)硅間隙分隔開(kāi)；以及蝕刻所述一個(gè)或多個(gè)硅間隙，以形成一個(gè)或多個(gè)相應(yīng)的多孔薄膜，所述薄膜被放置在所述通道區(qū)段之間的微流體通道中。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的微流體裝置，其中所述一個(gè)或多個(gè)多孔薄膜包括多個(gè)多孔薄膜，其分別具有沿所述微流體通道的流動(dòng)路徑減小的孔隙率。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的微流體裝置，其中所述一個(gè)或多個(gè)硅間隙是采用電化學(xué)蝕刻或染色蝕刻而蝕刻的。
全文摘要
用于所分析流體的分子篩選、測(cè)量及分離的具有多孔薄膜的微流體裝置。一方面，一個(gè)微流體裝置包括一個(gè)具有輸入和輸出微流體通道區(qū)段的襯底，所述區(qū)段由一個(gè)多孔薄膜分隔開(kāi)，所述多孔薄膜被集成到所述襯底中而形成。另一方面，所述多孔薄膜可包括夾在上襯底構(gòu)件和下襯底構(gòu)件之間的一個(gè)薄膜。所述微流體裝置可包括一個(gè)或多個(gè)多孔薄膜。在一個(gè)實(shí)施例中，孔逐漸減小的多個(gè)多孔薄膜被沿一個(gè)微流體通道的部分而放置。在另一個(gè)實(shí)施例中，使用層疊的一系列上通道和下通道，其中每個(gè)上通道/下通道的界面皆由一個(gè)相應(yīng)的多孔薄膜分離。另一方面，多孔薄膜經(jīng)由微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)式地耦合到微流體通道內(nèi)的襯底，以使所述多孔薄膜能夠被放置在過(guò)濾和通過(guò)位置中。
文檔編號(hào)B01L3/00GK1681596SQ03821301
公開(kāi)日2005年10月12日 申請(qǐng)日期2003年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月17日
發(fā)明者S·陳, N·桑德拉拉珍, A·貝林, 山川峰雄 申請(qǐng)人:英特爾公司