專利名稱：磁力微粒操控器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁力微粒操控器，尤其是利用磁力操控磁珠、細(xì)胞、生物分子等微粒的功能器件。
背景技術(shù)：
微全分析系統(tǒng)也稱芯片實(shí)驗(yàn)室，它是將樣品制備、生化反應(yīng)和結(jié)果檢測三個(gè)步驟集成在單一器件上，且能執(zhí)行特定的分析功能。微全分析系統(tǒng)作為高度集成的系統(tǒng)，由許多組件組成，包括微流體溝道、微泵、微閥、微粒操控器等。其中，微粒操控器可以在微流體環(huán)境中對磁珠、細(xì)胞、生物分子等尺寸由微米到納米量級的微粒進(jìn)行操控。
介電電泳、電滲、超聲、磁力等物理現(xiàn)象都可以用來操控微粒。這其中，利用磁場作用于磁性微粒，可以對微粒進(jìn)行分離、固定、計(jì)數(shù)、篩選，因此，磁力微粒操控的方法有著很好的應(yīng)用前景。
目前，利用磁力操控微粒的方法多采用永磁體或傳統(tǒng)的電磁線圈提供應(yīng)用磁場，其缺點(diǎn)是整套系統(tǒng)體積龐大，不能與微全分析系統(tǒng)進(jìn)行集成。Rong等人報(bào)道了(IEEE The Sixteenth Annual International Conference onMicro Electro Mechanical System，P530-533，January 19-23，2003)一種磁珠\生物細(xì)胞篩選器，它由微螺線管線圈、磁性微尖、磁芯、微流體溝道組成，通過微螺線管線圈來提供應(yīng)用電磁場，能夠很好完成溝道內(nèi)微粒的分離、篩選任務(wù)。但是，加工這種微螺線管線圈要經(jīng)過兩次光刻膠建模，兩次銅電鍍和一次電鍍導(dǎo)磁合金的過程，加工工藝復(fù)雜，加工成本較高。另外，微螺線管線圈的結(jié)構(gòu)不夠緊湊，當(dāng)其作為組件集成到結(jié)構(gòu)復(fù)雜的微全分析系統(tǒng)(例如含有密集微流體溝道的系統(tǒng))當(dāng)中去時(shí)，會給整個(gè)系統(tǒng)的布局，設(shè)計(jì)帶來很大的困難，所以，以微螺線管線圈作為激勵線圈的微粒操控裝置難以在微全分析系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種新型磁力微粒操控器，它采用平面微線圈提供應(yīng)用磁場，由平面微線圈、磁性微尖和磁芯三部分組成，它們都集成在雙面拋光的基片上。其中平面微線圈位于基片背面，磁性微尖位于正對平面微線圈的基片正面，在平面微線圈中央開有連接孔，磁芯穿過連接孔與磁性微尖相連，磁芯的作用是將平面微線圈產(chǎn)生的應(yīng)用電磁場集中作用于磁性微尖上。平面微線圈的焊盤和引線位于基片背面，平面微線圈通過引線與焊盤相連，外部電源通過焊盤加電流于平面微線圈。
本發(fā)明制作加工平面微線圈的方法僅涉及一次光刻膠建模和一次銅電鍍過程，相對微螺線管線圈的加工過程來說，工藝簡單，加工成本低。其次，由于平面微線圈比微螺線管線圈結(jié)構(gòu)緊湊，因此其作為組件可以更方便地集成到微全分析系統(tǒng)當(dāng)中去，這在設(shè)計(jì)微全分析系統(tǒng)時(shí)是非常重要的。再有我們采用軟磁材料加工磁性微尖，因此可以通過對微線圈電流的開和關(guān)產(chǎn)生對磁性微粒的吸附和釋放動作，使得對微粒的操控更為靈活。平面微線圈作為激勵線圈還具有以下的優(yōu)點(diǎn)平面微線圈采用傳統(tǒng)的光刻工藝加工，對它的形狀、尺寸的設(shè)計(jì)更為方便靈活；平面微線圈可以與微量樣品準(zhǔn)確定位，提高操控靈敏度等。
由于磁性微尖具有很高的導(dǎo)磁率，在磁場的作用下，磁力線在微尖處聚集，從而提高微尖部位的磁場梯度和磁場強(qiáng)度。磁性微粒所受的磁力與它所在區(qū)域的磁場和大小有關(guān)，根據(jù)電磁場理論，單個(gè)順磁性微粒所受的磁力大小為Fm＝(m·)B＝Vχm(H·)B其中，F(xiàn)m是磁場力；m是磁性微粒的磁矩；B是應(yīng)用磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度；V表示磁性微粒的體積；χm是磁化率；H是應(yīng)用磁場的磁場強(qiáng)度。
根據(jù)上面的公式，磁力微粒操控器的工作原理是將平面微線圈產(chǎn)生的應(yīng)用電磁場集中作用于磁性微尖，再通過磁性微尖和微粒之間的磁力作用來操控微粒。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，其中1為磁芯，2為磁性微尖，3為雙面拋光的基片，4為平面微線圈；圖2是平面微線圈結(jié)構(gòu)示意圖，其中4為平面微線圈，5為焊磐，6為微線圈引線。
具體實(shí)施例方式
圖1是本發(fā)明的具體實(shí)施例。本發(fā)明的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是平面微線圈和磁性微尖，其中平面微線圈4加工在雙面拋光的基片3-如硅片、玻璃片、GaAs片--的背面，磁性微尖2加工在基片3的正面，磁芯1位于平面微線圈4中央，穿過基片3與磁性微尖2相連。磁芯1的作用是將平面微線圈產(chǎn)生的應(yīng)用電磁場集中作用于磁性微尖2。
本發(fā)明磁力微粒操控器的加工過程如下首先，在基片3的背面通過銅電鍍的方法加工出平面微線圈4的焊磐5和引線6，平面微線圈4的焊磐5和引線6的厚度為5-10微米；然后在基片3背面加工出平面微線圈4的SU-8光刻膠模具，通過銅電鍍工藝在模具里加工出平面微線圈4，平面微線圈4的厚度為60-100微米；在平面微線圈4中央利用腐蝕工藝加工出連接孔，在其中注入導(dǎo)磁合金(如坡莫合金)形成磁芯1。磁性微尖2的加工過程是這樣的首先在基片3的正面電鍍一層約1500埃-2000埃的軟磁材料(如NiFe)，然后利用掩模通過傳統(tǒng)的光刻技術(shù)確定磁性微尖2的位置、形狀和尺寸，接著腐蝕掉多余的軟磁材料，在磁芯的上面形成磁性微尖2，磁性微尖2尖端的寬度為50納米-5微米。
可以根據(jù)不同的應(yīng)用情況對本發(fā)明的平面微線圈的形狀、匝數(shù)、寬度、間隔進(jìn)行方便、靈活的設(shè)計(jì)，另外，采用上面提到的加工工藝可以大大降低微線圈的電阻，提高應(yīng)用磁場的執(zhí)行效率。圖2是我們用上述方法加工制成的一種圓形平面微線圈，它有三匝，線圈內(nèi)徑為100微米，線圈寬度為30微米，匝間線圈間隔為30微米。磁芯位于平面微線圈的中心，磁性微尖與突出于基片正面的磁芯相連。磁性微尖與微粒直接作用，磁性微尖的尖端的寬度是根據(jù)微粒的粒徑大小來設(shè)計(jì)的，可以是微米量級，也可以是納米量級，用來操控不同尺寸的磁性微粒。由于采用軟磁材料加工磁性微尖，因此可以通過對微線圈電流的開和關(guān)產(chǎn)生對磁性微粒的吸附和釋放動作，使得對微粒的操控更為靈活。
對本發(fā)明的平面微線圈4通以電流，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，在平面微線圈4周圍產(chǎn)生應(yīng)用電磁場，在本發(fā)明微粒操控器的磁性微尖2處，磁力線密集，磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場梯度最大。當(dāng)磁性微粒位于磁性微尖2附近時(shí)，在磁場力的作用下，微粒將會吸附到磁性微尖2上，當(dāng)電流斷開后，磁場力消失，微粒將被釋放。本發(fā)明微粒操控器的操作對象包括磁珠、細(xì)胞、生物分子等微粒，對于非磁性微粒，可以通過標(biāo)記磁性探針的方法使其具有磁性，以便達(dá)到操控的目的。
本發(fā)明既可以單獨(dú)使用，又可以作為組件集成到微全分析系統(tǒng)當(dāng)中去。通過幾個(gè)這種微粒操控結(jié)構(gòu)的組合，可以完成單個(gè)微粒操控、微粒計(jì)數(shù)、篩選或微?；旌衔锏姆蛛x等功能。這種新型微粒操控器可以應(yīng)用于細(xì)胞生物學(xué)、免疫分析、微流體研究、納米技術(shù)等領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種磁力微粒操控器，包括磁場、磁性微尖和磁芯，其特征是它采用平面微線圈[4]提供應(yīng)用磁場，平面微線圈[4]、磁性微尖[2]和磁芯[1]集成在雙面拋光的基片[3]上，平面微線圈[4]位于基片背面，磁性微尖[2]位于正對平面微線圈[4]的基片正面，在平面微線圈[4]中央開有連接孔，磁芯[1]穿過連接孔與磁性微尖[2]相連；平面微線圈[4]的焊盤[5]和引線[6]位于基片背面，平面微線圈[4]通過引線[5]與焊盤[6]相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁力微粒操控器，其特征是所述的基片[3]為硅片、玻璃片或GaAs片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁力微粒操控器，其特征是所述的磁性微尖[2]用電鍍軟磁材料制成，磁性微尖[2]尖端的寬度可以是微米量級或納米量級。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁力微粒操控器，其特征是所述的平面微線圈[4]的加工采用SU-8模具鑄模和銅電鍍組合加工工藝，即先在基片[3]背面加工出平面微線圈[4]的SU-8光刻膠模具，通過銅電鍍工藝在模具里加工出平面微線圈[4]，平面微線圈[4]的厚度為60-100微米；平面微線圈[4]的焊磐[5]和微線圈引線[6]也通過電鍍的方法加工在基片背面，焊磐[5]和引線[6]的厚度為5-10微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁力微粒操控器，其特征是所述的磁性微尖[2]是在基片[3]的正面電鍍一層約1500埃-2000埃的軟磁材料，然后利用掩模通過傳統(tǒng)的光刻技術(shù)確定磁性微尖[2]的位置、形狀和尺寸，接著腐蝕掉多余的軟磁材料，在磁芯[1]的上面形成磁性微尖[2]。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁力微粒操控器，其特征是所述的磁芯[1]是在平面微線圈[4]中央利用腐蝕工藝加工出連接孔，在孔中注入導(dǎo)磁合金形成。
全文摘要
本發(fā)明磁力微粒操控器，涉及利用磁力操控磁珠、細(xì)胞、生物分子等微粒的功能器件。它由集成在同一基片正反面的平面微線圈和磁性微尖、磁芯構(gòu)成。對平面微線圈通以電流，在平面微線圈周圍產(chǎn)生應(yīng)用電磁場，當(dāng)磁性微粒位于磁性微尖附近時(shí)，在磁場力的作用下，微粒被吸附到磁性微尖上，當(dāng)電流斷開后，磁場力消失，微粒將被釋放。本發(fā)明的制作平面微線圈的方法僅涉及一次光刻膠建模和一次銅電鍍過程，加工簡便。本發(fā)明的操作對象包括磁珠、細(xì)胞、生物分子等微粒。它可以單獨(dú)使用，又可以作為組件集成到微全分析系統(tǒng)中。本發(fā)明可完成單個(gè)微粒操控、微粒計(jì)數(shù)、篩選或微?；旌衔锏姆蛛x等功能，應(yīng)用于細(xì)胞生物學(xué)、免疫分析、微流體研究、納米技術(shù)等領(lǐng)域。
文檔編號G01N1/00GK1624447SQ200310115558
公開日2005年6月8日 申請日期2003年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月1日
發(fā)明者王明 申請人:中國科學(xué)院電工研究所