专利摘要

一种电喷雾微流体芯片、其制作方法及掩膜版设备，该方法采用透光结构不同的两块掩膜版，通过依次使用两块掩膜版，可在不同的光刻胶深度上形成不同的结构，最终显影得到所需结构，以其作为微流体芯片成型模具，可使微流体芯片的喷雾口在微流体芯片上一体化形成，即微流道出口直接成型为微流体芯片的喷雾口。由于喷雾口可直接从光刻胶形成的模具中脱模成型，而非切割修整所得到，所得微流体芯片能够获得很好的电喷雾效果，有效解决现有的高聚物微流体芯片电喷雾效果差的问题。

权利要求

1.一种电喷雾微流体芯片的制作方法，其特征在于,包括以下步骤：

a.在基片上覆盖第一光刻胶层，通过第一掩膜版对所述第一光刻胶层进行曝光，曝光后进行显影，去除被所述掩膜版遮挡而未曝光的光刻胶部分，其中所述第一掩膜版具有用于形成微流体芯片内的储液池及微流道的透光区域；

b.在经显影的所述第一光刻胶层上进一步覆盖光刻胶层，通过第二掩膜版对所述进一步覆盖的光刻胶层进行曝光，曝光后进行显影，去除被所述第二掩膜版遮挡而未曝光的光刻胶部分，形成凹槽，所述凹槽内具有因经所述第一掩膜版的透光区域曝光而被保留的所述第一光刻胶层的剩余部分，其中所述第二掩膜版的覆盖区域与所述第一掩膜版的覆盖区域相同或处于所述第一掩膜版的覆盖区域内，且所述第二掩膜版对应于所述第一掩膜版的用于形成所述微流道的透光区域的区域是不透光的或透光的或部分透光的；

c.以经步骤b处理的基片为模固化形成高聚物母材，从所述高聚物母材上获取芯片层，所述芯片层包括由所述凹槽界定的芯片部分，所述芯片部分含有由所述剩余部分界定的储液池及微流道；

d.将另一高聚物层与所述芯片层粘结在一起，形成内部具有微流道的微流体芯片。

2.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于,所述第一掩膜版和所述第二掩膜版在对应的位置上具有直角，所述第一掩膜版的用于形成所述微流道的透光区域对着所述第一掩膜版的直角延伸，且至少延伸到所述第一掩膜版的对应于所述第二掩膜版的直角的角尖的位置。

3.如权利要求2所述的制作方法，其特征在于,所述第一掩膜版和所述第二掩膜版为矩形。

4.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于,所述第一掩膜版和所述第二掩膜版在对应的位置上透光，以在在经显影的所述第一光刻胶层上方设置所述第二掩膜版时提供定位标记。

5.如权利要求3所述的制作方法，其特征在于,所述第一掩膜版和所述第二掩膜版在其矩形的除所述直角外的其他三个直角的位置上透光，以在在经显影的所述第一光刻胶层上方设置所述第二掩膜版时提供定位标记，优选地，透光的形状为十字形。

6.如权利要求1至5任一项所述的制作方法，其特征在于,步骤b中采用旋转甩胶方式覆盖光刻胶层，通过重复多次的甩胶、曝光和显影来使所述凹槽达到预定的深度。

7.如权利要求1至6任一项所述的制作方法，其特征在于,步骤d中，固化形成的高聚物母材具有基座部分和由所述凹槽界定的芯片部分，所述芯片部分为一体成型于所述基座部分上的凸台层，所述按照所述芯片部分的垂直投影轮廓以留有一定余量的方式对所述基座部分进行切割，得到所述芯片层。

8.一种使用权利要求1至7所述的方法制作的电喷雾微流体芯片，其特征在于,所述电喷雾微流体芯片内的微流道的出口在所述电喷雾微流体芯片的一个直角上。

9.如权利要求8所述的电喷雾微流体芯片，其特征在于,所述电喷雾微流体芯片以高聚物材料为主体材料，优选的所述高聚物材料为聚二甲基硅氧烷。

10.一种用于电喷雾微流体芯片的掩膜版设备，其特征在于,包括第一掩膜版和第二掩膜版，所述第一掩膜版具有用于形成微流体芯片内的储液池及微流道的透光区域，所述第二掩膜版的覆盖区域小于所述第一掩膜版的覆盖区域，且所述第二掩膜版对应于所述第一掩膜版的用于形成所述微流道的透光区域的区域是不透光的或透光的或部分透光的，优选地，所述第一掩膜版和所述第二掩膜版在对应的位置上具有直角，所述第一掩膜版的用于形成所述微流道的透光区域对着所述第一掩膜版的直角延伸，且至少延伸到所述第一掩膜版的对应于所述第二掩膜版的直角的角尖的位置，更优选地，所述第一掩膜版和所述第二掩膜版为矩形，所述第一掩膜版和所述第二掩膜版在其矩形的除所述直角外的其他三个直角的位置上透光，以在在经显影的所述第一光刻胶层上方设置所述第二掩膜版时提供定位标记，更优选地，透光的形状为十字形。

说明书

技术领域

本发明涉及微流体芯片，特别是涉及一种电喷雾微流体芯片、制作方法及掩膜版设备。

背景技术

微流体芯片特别是具备高密度、大规模、高通量、多功能等特点的集成微流体芯片，已经在化学和生物学等领域发挥着重要的作用。与宏观尺度的实验装置相比，这一技术显著降低了样品的消耗量，提高了反应效率。同时也降低了实验产生废物对环境的污染；集成微流体芯片操作的并行优势可以实现实验的高通量、自动化控制；并且可以通过微阀微泵等微细结构进行精确控制。这使得微流体芯片在分析领域中具有不可替代的优势。

质谱分析是测量离子质荷比的一种分析方法，其基本原理是使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同质荷比的带正电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器，利用电场和磁场使离子发生偏转，将它们分别聚焦得到质谱图，从而确定其质量。质谱仪正是应用这种原理对未知物质进行分析的仪器。电喷雾质谱(Electrospray Ion-Mass Spectrometer，ESI-MS)联用比较早就应用于物质分析领域，然而在质谱仪具有高灵敏度这一优点的同时，其对离子源的要求往往也很高。传统的喷雾针离子源需要对样品在其他平台上进行前处理、样品消耗量大、分离效率与传输效率不高等问题。联用质谱的微流体电喷雾离子源应运而生，微流体芯片可以集成样品的前处理、预分离、电喷雾等功能，大大提高了检测的灵敏度，降低样品的消耗量。

研究中报道的具有较好电喷雾效果的微流体芯片多采用石英、玻璃材料。另一种常用材料是高聚物聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)，采用它要得到好的电喷雾效果则比较困难。但是它相对前两种材料成本低很多，制作工艺简单，制作时间短，可批量制作，所以对这种材料进行工艺上的创新研究具有很大的意义和价值。一种好的微流体芯片的结构、材料和制备方法，都能在成本和结构稳定性上给分析系统带来很大的帮助。

发明内容

为解决现有的高聚物微流体芯片电喷雾效果差的问题，本发明提供一种电喷雾微流体芯片、制作方法及掩膜版设备。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种电喷雾微流体芯片的制作方法，包括以下步骤：

a.在基片上覆盖第一光刻胶层，通过第一掩膜版对所述第一光刻胶层进行曝光，曝光后进行显影，去除被所述掩膜版遮挡而未曝光的光刻胶部分，其中所述第一掩膜版具有用于形成微流体芯片内的储液池及微流道的透光区域；

b.在经显影的所述第一光刻胶层上进一步覆盖光刻胶层，通过第二掩膜版对所述进一步覆盖的光刻胶层进行曝光，曝光后进行显影，去除被所述第二掩膜版遮挡而未曝光的光刻胶部分，形成凹槽，所述凹槽内具有因经所述第一掩膜版的透光区域曝光而被保留的所述第一光刻胶层的剩余部分，其中所述第二掩膜版的覆盖区域与所述第一掩膜版的覆盖区域相同或处于所述第一掩膜版的覆盖区域内，且所述第二掩膜版对应于所述第一掩膜版的用于形成所述微流道的透光区域的区域是不透光的或透光的或部分透光的；

c.以经步骤b处理的基片为模固化形成高聚物母材，从所述高聚物母材上获取芯片层，所述芯片层包括由所述凹槽界定的芯片部分，所述芯片部分含有由所述剩余部分界定的储液池及微流道；

d.将另一高聚物层与所述芯片层粘结在一起，形成内部具有微流道的微流体芯片。

根据优选的实施例，本发明的技术方案还可以采用以下一些技术特征：

所述第一掩膜版和所述第二掩膜版在对应的位置上具有直角，所述第一掩膜版的用于形成所述微流道的透光区域对着所述第一掩膜版的直角延伸，且至少延伸到所述第一掩膜版的对应于所述第二掩膜版的直角的角尖的位置。

所述第一掩膜版和所述第二掩膜版为矩形。

所述第一掩膜版和所述第二掩膜版在对应的位置上透光，以在在经显影的所述第一光刻胶层上方设置所述第二掩膜版时提供定位标记。

所述第一掩膜版和所述第二掩膜版在其矩形的除所述直角外的其他三个直角的位置上透光，以在在经显影的所述第一光刻胶层上方设置所述第二掩膜版时提供定位标记，优选地，透光的形状为十字形。

步骤b中采用旋转甩胶方式覆盖光刻胶层，通过重复多次的甩胶、曝光和显影来使所述凹槽达到预定的深度。

步骤d中，固化形成的高聚物母材具有基座部分和由所述凹槽界定的芯片部分，所述芯片部分为一体成型于所述基座部分上的凸台层，所述按照所述芯片部分的垂直投影轮廓以留有一定余量的方式对所述基座部分进行切割，得到所述芯片层。

一种使用所述方法制作的电喷雾微流体芯片，所述电喷雾微流体芯片内的微流道的出口在所述电喷雾微流体芯片的一个直角上。

优选地，所述电喷雾微流体芯片以高聚物材料为主体材料，优选的所述高聚物材料为聚二甲基硅氧烷。

一种用于电喷雾微流体芯片的掩膜版设备，包括第一掩膜版和第二掩膜版，所述第一掩膜版具有用于形成微流体芯片内的储液池及微流道的透光区域，所述第二掩膜版的覆盖区域小于所述第一掩膜版的覆盖区域，且所述第二掩膜版对应于所述第一掩膜版的用于形成所述微流道的透光区域的区域是不透光的或透光的或部分透光的。优选地，所述第一掩膜版和所述第二掩膜版在对应的位置上具有直角，所述第一掩膜版的用于形成所述微流道的透光区域对着所述第一掩膜版的直角延伸，且至少延伸到所述第一掩膜版的对应于所述第二掩膜版的直角的角尖的位置。更优选地，所述第一掩膜版和所述第二掩膜版为矩形，所述第一掩膜版和所述第二掩膜版在其矩形的除所述直角外的其他三个直角的位置上透光，以在在经显影的所述第一光刻胶层上方设置所述第二掩膜版时提供定位标记。更优选地，透光的形状为十字形。

本发明的有益效果：

本发明中，不同于常规的软光刻方法，本发明的方法采用透光结构不同的两块掩膜版，通过依次使用两块掩膜版，可在不同的光刻胶深度上形成不同的结构，最终显影得到所需结构，以其作为微流体芯片成型模具，可使微流体芯片的喷雾口在微流体芯片上一体化形成，即微流道出口直接成型为微流体芯片的喷雾口。由于喷雾口可直接从光刻胶形成的模具中脱模成型，而非切割修整所得到，所得微流体芯片能够获得很好的电喷雾效果，有效解决现有的高聚物微流体芯片电喷雾效果差的问题。

其中，第二掩膜版对应于第一掩膜版的用于形成微流体芯片内的微流道的透光区域的部位可以是透光的，这样情况下微流道的深度在使用第二掩膜版后进一步加深，而且，通过设置第一、二掩膜版对应微流道的透光区域的宽度不同，还能形成在不同深度上具有不同宽度的微流道。

第二掩膜版对应于第一掩膜版的用于形成微流体芯片内的微流道的透光区域的部位可以是不透光的，这种情况下所形成的微流道，其总深度能避免当进行后续切割时切割到微流道出口，确保微流道出口的平整度。

在部分透光的情况下，第二掩膜版对应于微流道出口处不透光，也能够获得上述优点。

第二掩膜版对应微流道的透光设计可根据所需芯片结构确定。

进一步地，第一掩膜版和第二掩膜版在对应的位置上配合形成微流道的透光区域采用直角设计，从而使喷雾口形成在微流体芯片的直角上，而不是边缘上，这样形成的喷雾受芯片边缘影响小，能够显著改善喷雾效果。基于本发明，两掩膜版的关联设计可使微流道出口精确地保持在芯片直角，有效解决由高聚物如PDMS材料的特性所带来的直角管道生成困难的问题，直角的结构优势提高了电喷雾的稳定性和离子化效果。可用于与质谱联用的直角电喷雾微流体芯片。

进一步地，多块掩膜版均含有用作定位标记的透光区域，优选十字形对齐结构，将使用第一掩膜版后所得光刻胶结构与第二掩膜版对齐，限定两者图案的相对位置，从而提高芯片结构的制作品质。

进一步地，在使用第二掩膜版的工艺过程采用重复多次甩胶、曝光、显影过程的设计，使芯片达到一个理想的厚度。

附图说明

图1示出了本发明实施例微流芯片制备方法的主要流程图；

图2示出了本发明实施例的两块掩膜版的示意图；

图3示出了图1中多次甩胶、曝光和显影的具体过程示意图；

图4a至图4b示出了芯片层切割前的俯视图和截面图；

图4c至图4d示出了芯片层切割后的俯视图和截面图；

图5a至图5b示出了与载玻片及薄膜键合后的整体芯片俯视图和截面图；

图6示出了实施例的微流体芯片集成了基于电渗流的预分离结构之后，对质谱仪进样口进行电喷雾进样的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1，根据本发明实施例的制备方法，可采用软光刻工艺制作芯片模具，基本流程包括：准备掩膜版、甩光刻胶、曝光、显影成模、混合高聚物倾倒入模、固化剥离、切块以及键合。图1中，①表示甩胶步骤；②表示曝光步骤；③表示显影步骤；④表示高聚物入模步骤；⑤固化、切割步骤；⑥表示键合步骤。其中步骤①、②、③根据需要可进行多次(下文将进一步详述)。

如图2所示，可采用两块矩形的菲林材料掩膜版201、202，各掩膜版上具有透光区和不透光区。

两块掩膜版201、202均具有三个十字标的透光区域，它们用于确保在两次曝光过程中，两块掩膜版都能与硅基片100按相同的相对位置对齐。

掩膜版201还具有用于形成储液池的透光区域204及与储液池相连的微流道的透光区域205。此微流道205的另一端是流体的出口端，出口端尖端是以两条夹角为90度的线组成，即流道出口端恰好是在矩形微流体芯片的一个直角处，作电喷雾之用。当然，也可以在该掩模版上形成其他透光区域，其可作为其他前级预处理微流道与电喷雾微流道相连接。

掩膜版202仅具有三个十字标203的透光区域。此掩膜版用于硅基片100曝光过程中界定不被曝光的矩形区域，在随后的显影过程可形成矩形凹槽。

参阅图3，工艺步骤按照从左至右、从上至下的顺序执行。

制作时，可使用匀胶机以较快速度旋转，将稀薄状液体光刻胶在硅基片100上甩到一个比较薄的厚度后，在光刻机上以掩膜版201对硅基片100上的光刻胶300进行曝光，曝光后进入显影环节，去除被掩膜版201遮挡而未曝光的光刻胶部分。

再次甩胶，略微降低匀胶机旋转速度以增加光刻胶301的厚度，甩胶后以掩膜版202曝光，曝光后再进行显影。接下来再次甩胶增加光刻胶302的厚度，再次以掩膜版202曝光，然后显影。重复多次以达到预期的光刻胶303厚度。

高聚物材料可以采用聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)。PDMS预聚物的固化剂与基本组分以1:5比例混合，可以得到强度较好的PDMS聚合物，提高流道成型度和抗变形能力。

混合完成的PDMS聚合物倾倒入培养皿中，培养皿底部已预先放入覆有经过上述处理的硅基片100，PDMS固化之后从硅基片100上剥离得到PDMS母材103。

培养皿可以是圆形的，则固化后的PDMS母材103具有以培养皿内径为直径的透明圆形胶体401，即基座部分，厚度约1～1.5cm，圆形胶体401上有一突出的由掩膜版202外轮廓界定的矩形区域，其仅占整个PDMS母材103中心位置的一小部分，矩形掩膜版202使得这部分形成一个PDMS矩形凸台层402。

为了得到PDMS矩形芯片层400，需要对PDMS圆形胶体401进行切割。由于PDMS胶体具有一定的柔韧性，切割时会引起着力线附近结构的形变导致切割不准确，所以切割芯片的圆形基座部分时留有一定余量，在离PDMS矩形凸台层402边界的一定距离处切割。切割形成的基座轮廓即使比凸台稍大一些，也不会影响直角微流道电喷雾的喷出。

可通过等离子体键合法，将不含有流道的PDMS薄膜105与含有微流道的PDMS矩形芯片层400粘结在一起，形成最终的微流体芯片。为增加芯片整体强度，可以以载玻片104作为基底，在PDMS薄膜105侧对芯片整体进行支撑。

储液池和微流道数量与尺寸可根据需要进行设计，由此得出的微流体芯片可作为质谱仪的一种离子源与质谱仪联用，可对样品进行预处理、电泳分离、施加高压、形成电喷雾。

以下结合附图进一步说明具体实施例中的特征。

如图2示出的两块掩膜版，掩膜版201含有用于形成储液池及微流道的透光区域204、205，其用于最底层光刻胶的曝光。掩膜版202整体尺寸可以等于或小于掩膜版201，用于上层光刻胶的曝光，形成芯片结构的矩形凸台部分。在一个示例中，掩膜版201宽40mm、高45mm，储液池直径2mm，微流道长18mm，宽75微米，掩膜版202宽35mm、高40mm；十字标203各臂均长1.5mm，宽0.1mm。当两块掩膜版按三个十字标203对齐定位后，掩膜版202的右下直角与掩膜版201的微流道透光区出口直角边缘恰好重合，这就使得光刻胶曝光后微流道出口恰好在矩形直角处，保证了芯片核心结构的实现。

光刻胶可采用SU-8胶，它是一种负性、近紫外线光刻胶，即紫外线照射部分会产生交联反应，显影过程会保留下来，形成空间上与芯片需要制作的沟道恰好互补的结构，它适于制超厚、高深宽比的微结构。

甩胶过程可包括三个步骤：烘干、甩胶、前烘。首先将3寸硅片晶圆100置于热板上以95℃烘20分钟；空冷至室温后固定在匀胶机的真空吸盘上，用滴管将适量稀薄状SU-8胶滴在晶圆中心，以转速2500转/分钟甩胶30秒；转至热板上以65℃烘5分钟后再以95℃烘10分钟，完成前烘，空冷至室温。

曝光过程可包括两个步骤：曝光、后烘。将前烘空冷后的硅片晶圆100放入紫外线光刻机的硅片台上，将掩膜版201轻轻贴放于光刻胶上，保持硅片晶圆100与掩膜版201大致对中，卡紧后设置曝光时间为30秒，开始曝光；完成后小心将硅片晶圆100转至热板上，以65℃烘15分钟后再以95℃烘10分钟，完成后烘过程。

显影过程：将冷却的硅片晶圆100转移到盛有显影液的大培养皿中，保证显影液能完全浸没硅片，显影2分钟后取出，用乙醇冲洗干净。

至此，对于掩膜版201的甩胶、曝光、显影过程完成，其产生的是用于形成芯片中的储液池和微流道的模，以及三个十字标203。

掩膜版202的甩胶、曝光、显影过程大体可与上述的过程一致。然而，为了得到较厚的光刻胶层，甩胶速度可降为1000转/分钟；曝光过程中则是将掩膜版202放置于光刻胶上，利用其上的三个十字标203与硅片晶圆100上已经交联固化的光刻胶十字标203对准，即可保证产生的凹槽直角恰好与微流道尖端重合，从而保证了脱模制成的PDMS芯片中的微流道恰好从芯片直角引出。

如图3所示，掩膜版201对应的制作只完成一次甩胶、曝光、显影过程，优选地，掩膜版202对应的制作过程完成三次甩胶、曝光、显影过程。这样使得芯片微流道本身保持较小尺寸，如厚约40微米，而微流道的上壁达到足够厚度，如厚约180微米。图1、图3、图4a以及图4d中，用于形成微流道的光刻胶第一次显影后的保留部分以及微流道的截面图只是示意性的。

如图4a至图4d所示，成型后的PDMS矩形凸台层402是与周围圆形的层相连在一起的，PDMS矩形凸台层402的顶部形成有储液池403和微流道404。可将其放置在显微镜下，用刀片沿距离矩形凸台层402外轮廓1mm左右的轮廓线进行切割，将PDMS矩形凸台层402从整个圆形胶体401上切割下来，得到PDMS矩形芯片层400。这种方法不会引起微流道出口的直角边发生形变。

如图5a至图5b所示，可制作PDMS矩形薄膜105，使其与PDMS矩形芯片层400键合形成PDMS芯片。用PDMS混合物进行甩胶，甩胶速度500转/分，可获得厚约500微米的PDMS薄膜。PDMS矩形薄膜105不含有微流道对切出矩形带来很大便利，不需考虑流道变形。可将制得的PDMS矩形薄膜105、PDMS矩形芯片层400、载玻片104放入氧等离子清洁仪中氧化3分钟，完成后取出，再将PDMS矩形薄膜105与PDMS矩形芯片层400按直角边对齐，紧压在一起，然后将PDMS芯片整体与载玻片104按压在一起，相对位置如图5a、5b所示。这样就避免了载玻片104对微流道出口的影响。成型后的微流体芯片以载玻片承载，并且喷雾口伸出载玻片104边缘，这样在保证微流体芯片强度的前提下，同时保证了喷雾口的独立性。

如图6所示，制作完成的微流体芯片具有微流道601和喷雾口602，将微流体芯片集成基于电渗流的预分离结构600，放在质谱仪603的电喷雾离子源平台上，即可利用芯片对样品进行前处理、预分离、施加高压，产生电喷雾以供质谱仪进行分析。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。例如，本发明不限于使用两块掩膜版。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

一种电喷雾微流体芯片、制作方法及掩膜版设备专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。