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专利名称：制造包括填充纳米结构的微通道的微流控元件的方法
技术领域：
本发明涉及一种制造包括至少一个由底壁、顶壁和两个相对的侧壁构成
的微通道的微流控(microfluidic )元件的方法，该方法包括
-在基片的表面上，形成所述微通道的底壁和两个相对的侧壁， -通过从沉积在所述微通道的相对的侧壁和底壁上的金属催化剂层原位
生长，形成填充所述微通道的纳米结构，
-并且，通过在所述基片的表面上放置顶盖并将所述顶盖密封于所述表
面，形成所述纳米樣i通道的顶壁。
背景技术：
诸如微型反应器或者被称为"p-TAS"(微型全分析系统micro Total Analysis System)或"实验室芯片(Lab-on-a-chip )，，的微实验室之类的微流控 元件，也称为流控微系统，在过去的十年里真正获得飞跃发展，被用于进行 化学或生物作业以及/或者用于对非常小体积的样品进行分析。这些元件的用 途实际上是能将不同的分析步骤(注入、分离、检测)整合在一个单独的元 件上，由此限制了连接数量并从而限制了在不同的处理操作期间的样品损 失，同时也增加了分析的灵敏度并且减少了分析时间。
然而，人们仍在寻求将更多的功能集成到这些微流控元件中，例如，希 望制造出的微流控元件能够进行几种工作。例如样品预处理、过滤、混合、 分离和/或检测操作。可是这样的集成需要器件在微型化和/或效率方面能够 获得更好的性能。另外，众所周知，与样品接触的元件表面和在所述元件中 流动的样品的容积的比(也称为S/V比)越高，则多相(heterogeneous)化 学或生物反应的效率或者分离的效率越高。
大多数常规的获得高S/V比的方法是在于使用诸如硅珠的多孔结构或 固定相(stationary phase )填充形成于微流控元件中的微通道。
在Gregor Ocvirk等人于1995年发表在Analytical Methods and Instrumentation第2巻第74-82页上的文章"部分集成于硅片上的高性能流体2
色i普,，("High performance liquid chromatography partially integrated onto a silicon chip", Analytical Methods and Instrumentation, Vol 2, N02， 74-82( 1995 )) 中，介绍了通过形成由填充材料填充的微通道组成的网络，并在硅结构(或 片)上将分离注入器布置在上述微通道的入口，以及将玻璃料和光学的探测 单元布置在上述微通道的出口，从而获得一种流体色语系统。该系统的微通 道通过阳极密封作用借助于布置在硅结构上的玻璃层来被密封。为使该系统 完整，另外的硅结构通过同样的玻璃层上的密封作用被密封以使系统更有弹 性。
然而，考虑到微通道的直径，在显微尺度下以固定相多相地填充《敬通道 难于操作，这些元件需要在保持固定相位于微通道中的情况下设置系统，例 如玻璃料或注入系统。该操作在该尺度下也同样变得困难。
人们考虑使用其他的方法来补正这个问题。例如计划将固定相直接在微 通道中实施。正如在Isabelle Gusev等人于1999年发表于Journal of Chromatography A第855期第273-290页上的文章"用于微型高性能流体色谱 法和毛细电色i昝法的原位形成的单片多孔包装的毛细柱"("Capillary columns with in situ formed porous monolithic packing for micro high-performance liquid chromatography and capillary electrochromatography", Journal of Chromatography A， 855 (1999) 273-290 )中描述的那样，固定在孩么通道壁面上 的固定相的原位合成使得玻璃料可以不再被使用。人们还计划使用微电子领 域中的技术(光刻法、蚀刻法)，通过可再生和可聚合的方式的纳米图案的 方法在微通道内形成固定相。
在合成纳米结构方法领域取得的最新进展，例如碳纳米管,也称为CNT， 或者碳纳米纤维，开拓了开发微流控元件的接触表面的技术的新前景。并且 存在两个主要的发展方向。
第一方向在于从催化粉(catalytic powder)中制造独立的碳纳米管，即， 以非固定方式连接到表面，且用上述合成碳纳米管填充^:流控元件，尤其是 填充所述元件的一个或多个微通道。根据这一原理发展了固相萃取柱以及色 谱精炼柱技术。举例来说，在John H.T丄uong等人的文章于2005年发表于 Journal of Chromatography A第1074期第187-194的文章"使用覆盖有酸化 单壁碳纳米管的石英毛细管的苯胺衍生物的电泳分离"("Electrophoretic separation of aniline derivatives using fused silica capillaries coated with acidtreated single-waled carbon nanotubes" Journal of Chromatography A，1074 (2005) 187-194 )中，在被酸化单壁碳纳米管覆盖前，布置石英毛细管的表面， 通过用包括上述合成的以及处理过的纳米管的溶剂漂洗所述表面，实现将纳 米管覆盖在石英毛细管表面。
第二方向是使得碳納米管在预先覆盖金属催化剂覆盖物的表面上原位
该技术也得以消除了所有的微通道移植或填充步骤。举例来说，在Michael Stadermann等人于2006年发表于Anal.Chem.第78期第5639-5644页的文章 "位于微构造的通道内的单壁碳纳米管的超高速气相色谱分析"("Ultrafast gas chromatography on single-wall carbon nanotube stationary phases in microfabricated channels" Anal,Chem. 2006， 78, 5639-5644 )描述了 一种通过4立 于硅晶片内的微构造的微通道内的单壁碳纳米管(SWNTs)形成的固定相的 超高速气相色谱分析。所述单壁碳纳米管通过化学气相沉积(chemical vapor deposition)方法，从诸如由铝、钼或铁组成的金属催化剂层以原位生长的方 式获得。专利申请WO-A-2006/122697中，同样介绍了包括至少一个微通道 的微流控元件，该微通道构成于基片上，并且由通过预先沉积在所述微通道
的相对侧壁和底壁上的金属催化剂层的原位生长合成的纳米管所填充。
对于第二方向，碳纳米管通常在没有顶壁的微通道内制造，即在开口的
(或槽形)的微通道内。这使得催化剂层的沉积的一致性和纳米管的生长得 到控制。在专利申请WO-A-2006/122697中，在纳米管形成后，保护顶盖布 置在基片表面上，以覆盖填充纳米管的所述微通道。通过形成硅-硅或硅-玻 璃粘接的分子密封，使得顶盖被密封并且使得微通道封闭并且非常严密。
同样地，在Michael stadermann等人的文章中，微通道通过在珪晶片上 沉积玻璃层密封并切在纳米管形成以后执行阳极密封。
顶盖密封步骤，即，微通道关闭步骤，是微流控元件制造过程中的一个 重要的步骤。该制造过程实际上必须要与该密封步骤尤其是与该强加的限制 相一致。总的来说，納米管既不能经受在前的为执行晶片间密封的清洁步骤， 又不能抵抗在特定密封方法的氧化条件下的高温。纳米管还有可能在进行操 作时污染表面和/或在制造过程污染器件的环境。
在Mahesh Karwa等人于2006年发表在Anal.Chem.第78期第2064-2070 页的文章"自组装的碳纳米管的气相色谙法"("Gas chromatography onself-assembled single-walled carbon nanotubes" Anal.Chem. , 2005 ， 78 ， 2064_2070 )中，计划使用一种封闭环境内的生长方法。单壁碳纳米管 (SWNTs )形成于不锈钢毛细管内，并且通过汽相催化合成在硅覆盖的不锈 钢毛细管内形成。将溶解了乙酸钼(molybdenum acetate)和六水合氮化钴 (hexahydrate cobalt nitride)的醇基溶液注入毛细管，同时Y吏用氪覆盖带有 催化剂层的管道。然后进行化学气相沉积以通过原位生长形成纳米管。因为 包括于毛细管中的铁担当了形成多壁碳纳米管(MWNTs)的催化剂，所以 硅覆盖的毛细管更适合生产多壁碳纳米管。
然而，这样一种制造方法，尤其是通过醇基溶液来实现催化剂的沉积的 并不实际，因为这需要大量的手工操作并且在微系统中难以采用。
为了避免与催化剂沉积有关的约束，在Chutarat Saridara和Somenath Mitra于2005年发表在Anal.Chem.第77期第7094-7097页的文章"自组装的 碳纟内米管色谱法"("Chromatography on Self-Assembled Carbon Nanotubes"， Anal.Chem., 2005， 77， 7094-7097)中，计划使用在毛细管不锈钢的杂质中 发现的铁作为催化剂。然而，碳纳米管的形成证明了沿毛细管非一致性。

发明内容
本发明的目的在于提供一种制造补救前述现有技术中缺点的微流控元 件的方法。
更具体地说，本发明的目的在于提供一种方法，根据该方法能够容易地 且廉价地获得包括至少一个由纳米结构多相填充的微通道的微流控元件。有 利地，该方法必须与生产晶片上的集成器件的方法相一致，以同时避免污染 微元件环境。
根据本发明，这个目的通过将所述金属催化剂的层同样沉积在设计用来 与顶盖接触的基片表面上，并且在通过热处理形成纳米结构之前进行密封从 而在金属催化剂层的金属和顶盖的材料之间形成低共熔混合物来实现。
根据本发明的一个扩展例，所述金属催化剂层沉积在设计用来与顶盖接 触的基片表面上，同时也沉积在所述微元件的相对侧壁和底壁上。
根据本发明的另 一个扩展例，沉积在设计用来与顶盖接触的基片表面上 的金属催化剂层的厚度为20nm-200nm。


在以下仅作为非限制性示例并在附图中示出的本发明具体实施例的详
细描述中，其它的优点和特点可以更清楚。附图中
图1-10以横截面示意地表示根据本发明的制造方法的一个详细实施例
的不同的连续步骤。
图11和12以横截面示意地表示图1-10所示实施例的一个变形实施例 的步骤。
具体实施例方式
微流控元件，也称为流控微型系统，包括至少一个能使流体在其中流动 的封闭的微通道。所述微通道由底壁、顶壁和两个相对的侧壁构成，并且由 诸如纳米管尤其是碳纳米管的纳米结构填充。
该元件通过预先在一个例如由硅、二氧化硅或玻璃制成的基片的表面上 形成底壁、顶壁和两个相对的侧壁来获得。所述微通道的顶壁是通过将包括 例如选自硅、二氧化硅或玻璃的材料的顶盖配合于所述基片表面，并将顶盖 和所述表面密封而形成的。并且，填充微通道的纳米结构是通过沉积在所述 微通道的相对侧壁和底壁上的金属催化剂层原地生长而形成的。
这样，不同于现有技术中的制造方法尤其是不同于在专利申请 wo-A-2006/122697中的方法，微通道的顶壁在纳米结构形成之前形成。更特 别地的是，与用来形成纳米结构的相同的金属催化剂层也沉积在基片上，所 述层更特别地沉积在设计用来与顶盖接触的基片表面上。在形成纳米结构之 前通过热处理使得形成低共熔混合物，从而实现密封。该低共熔混合物是在 金属催化剂层的金属和顶盖的材料或者有利地组成所述顶盖地材料之间形 成的低共熔混合物。
举例来说，图1-10示出包括三个封闭微通道2的微流控元件1的详细 示例。封闭微通道是指显微尺度下的微通道包括用于流体通道的入口和出 口，不仅由形成微通道2底部的底壁3和两个相对的侧壁4和5构成，而且 还由顶壁6构成。有利地，底壁3和顶壁6之间的距离P为5pm-10(Vm， 而两个相对侧壁4和5之间的距离L优选地在1(im-500um。
每个微通道2的底壁3和两个相对的侧壁4和5都形成在基片7中，该 基片例如是厚度大约为450微米且直径为100nm的硅晶片。
这样，如图1-5所示，三个微通道2示例地通过在包括一个自由表面7a
8的基片7上有选择地蚀刻而形成。为了进行有选择地蚀刻，在图1中，整个
自由表面7a由光致抗蚀剂层8覆盖。然后，如图2和3所示，层8通过光 刻法形成图案8a，这样，图案8a通过利用紫外线(箭头F1 )透过掩模9辐 射使层8曝光，然后去除层8的曝光区域形成。接着，如图4所示，基片7 经历深反应离子蚀刻步骤。由于对基片7的蚀刻只在基片7的没有被图案8a 覆盖的区域上进行，因此该蚀刻步骤称为有选择的。由此，如图5所示，在 基片7内构成的开口 (或槽)，形成了成形于基片7的表面7a内的每个微通 道2的侧壁4、 5和底壁3。 一旦基片7被蚀刻，光致抗蚀剂层8的图案8a 被去除，从而使得具有微通道2的基片7的表面7a被去除。
如图6所示，随后进行金属催化剂沉积步骤。这样，每个微通道2的侧 壁4、 5和底壁3被金属催化剂层9覆盖。此外，基片7的自由表面7a也被 金属催化剂覆盖。因此由相同的催化剂形成的层IO覆盖所述表面7a。有利 地，在此同时布置层9覆盖微通道的侧壁4、 5和底壁3。
组成金属催化剂的金属优选自镍、钴、铁和金，并且它能够以诸如为溅 射法或脱水法的物理沉积方法，或者以化学或电解沉积方法来沉积。取决于 所使用的方法，沉积条件被最优化以获得位于基片7的自由表面7a上的具 有足够的能进行随后的密封步骤的厚度e的金属催化剂层10,以及获得位于 侧壁4、 5上的具有与纳米结构生长相一致的厚度e，的金属催化剂层9。沉积 在基片7的自由表面7a上的金属催化剂层10的厚度e优选为20nm-200nm， 沉积在侧壁4、 5上的金属催化剂层9的厚度e，有利地优选为lnm-20nm。
这样，如图7-9所示，在纳米结构(例如碳纳米管)形成之前，金属催 化剂层IO被用来在保护顶盖11和基片7之间进行密封。
通过在金属催化剂层10的金属和顶盖11的材料之间形成低共熔混合 物，从而实现密封。盖11的材料有利地选自硅、二氧化硅和玻璃。如图7 所示，顶盖ll被放置或安置在覆盖基片7的表面7a(箭头F2)的层10上, 因此有利地为顶盖11的平坦的表面lla与底片7的表面？a接触，更特别地 与布置在表面7a上的层IO接触。然后，如图8所示，在预定温度下进行热 处理(箭头F3 )，使得层10包括的金属扩散到层11以在所述金属和顶盖材 料之间形成低共熔混合物12。这样， 一旦保护顶盖11密封于基片7上，顶 盖11的表面lla既包括与表面7a接触的部分，还包括朝向微通道7布置的 部分。所述表面11a的朝向微通道7布置的部分则形成了微通道2的顶壁6并且因此使得它们被封闭。
举个例子，对于由镍组成的层IO和由硅或二氧化硅组成的层11，通过 进行热处理使得形成镍硅化物而获得密封。这样的密封方法，例如已知的，
Zhi-Xiong Xiao等人于1998年4月发表在J.Electrochem.Soc.第145巻的文章 "使用镍硅化物的低温硅晶片间粘接"("Low temperature silicon wafer-to-wafer bonding with nickel silicide" J.Electrochem.Soc.， Vol 145, N。4, April 1998 )中叙 述的那样，在440°C的热处理温度下通过形成镍硅化物将两个硅晶片密封。
在本发明的范围内，进行密封的金属同样担当在微通道2内形成纳米结 构的金属催化剂。在图6中，金属催化剂层9沉积于侧壁4、 5和底壁3上， 而能够使象将要被催化的碳纳米管这样的纳米结构生长。例如在大气压和 700°C温度下，使用乙炔作为碳的气体，进行化学气相沉积(CVD)，而获 得碳纳米管。这样，分别为13a、 13b和13c的三组纳米管，在一次及相同 的热循环中，基本上与相应的壁4、 5和3垂直，而通过生长形成(图10)。 此外如图10所示，更有利地是大多数納米管13a可以形成为与纳米管13b 交接，以填充微通道2。然后，可以进行切割步骤，以形成每个带有一个或 多个完全被纳米结构填充的微通道2的微型反应器。
在如图11和12所示的可替换的实施例中，附加金属催化剂层"被沉 积在顶盖11的整个表面lla上。顶盖11的表面lla是设计用来当所述顶盖 放置在基片7的表面7a上时与基片7的表面7a相接触。这样， 一旦顶盖被 放置在基片7的表面7a上并且进行密封后，朝向微通道2布置的且形成所 述微通道2的顶壁6的表面lla的部分保持被金属催化剂覆盖，并且能因此 成为从附加金属催化剂层14原位生长出纳米结构13d的基座。纳米结构13d 接着在每个微通道2的顶壁6上形成。
因而，根据本发明的生产微流控元件的方法，使金属的用途具有双重功
能
-在顶盖和基片间用于密封的母体 -以及用于生长纳米结构的催化剂。
这意味着进行的方法步骤的数量可以减少，因此，特别与在专利申请 WO-A-2006/122697中描述的元件相比，减少了元件的制造费用。在专利申 请WO-A-2006/122697中，当进行金属催化剂沉积操作时，金属催化剂层实 际上沉积在光致抗蚀剂层的剩余的图案上，以便在纳米结构生长之前随着所
10述图案被去除，并且在纳米结构生长之后进行密封。然而，在图1-12所示
的实施例中，金属催化剂不仅在图案8a被去除后沉积在微通道2的壁3、 4 和5上，而且在纳米结构生长之前沉积在基片7的自由表面7a上以保证顶 盖11的密封。
由此微通道在纳米结构生长发生之前封闭。然而，对于这样一个制造方 法，尽管微通道封闭，通过原位生长获得的纳米结构生长保持同质。
最后，这样一种方法与在硅晶片上制造集成元件的方法相一致，并且不 需要任何后生长(post-growth)的方法步骤，这防止了元件外部环境的污染， 诸如防止了进行这些沉积的沉积腔和清洁室的产生的污染或者在进行操作 过程中操作者引起的污染。
通过该方法获得的微流控元件能够应用于多个领域。例如，它能够用于
-催化分解支持如果纳米结构壁用铂沉积物覆盖，该微元件能被用于 例如在低温下利用氧将一氧化碳完全氧化为二氧化碳；
-酶移植支持碳纳米管可以容易地具有以下功能将诸如胰蛋白酶的 酶移植在纳米管上，以得到消化蛋白质的微元件；
-固定相支持碳纳米管组成直接适用于色谱法应用的固相，它们也能 通过不同的化学分子而具有一定功能。
本发明并与不局限于图1-12的实施例。例如，微通道或者微流控元件 的微通道2可具有任何类型的几何形状。它们的入口可进一步连接到本身的 与入口微通道连接的流体分割区域，它们的出口可连接到本身的与出口微通 道连接的流体汇集区域。
权利要求
1、一种制造微流控元件(1)的方法，所述微流控元件(1)包括至少一个由底壁(3)、顶壁(6)和两个相对的侧壁(4，5)构成的微通道(2)，该方法包括在基片(7)的表面(7a)内，形成所述微通道(2)的底壁(3)和两个相对的侧壁(4，5)；通过从沉积在所述微通道(2)的相对的侧壁(4，5)和底壁(3)上的金属催化剂的层(9)原位生长来形成填充所述微通道(2)的纳米结构(13a，13b，13c)；和通过在所述基片(7)的表面(7a)上放置顶盖(11)并将所述顶盖(11)密封于所述表面(7a)上，形成所述微通道(2)的顶壁(6)；其特征在于，所述金属催化剂的层(10)也沉积在设计为与顶盖(11)接触的基片(7)的表面(7a)上，并且密封的操作是在形成纳米结构(13a，13b，13c)之前，通过热处理在金属催化剂层(10)的金属和顶盖(11)的材料之间形成低共熔混合物(12)而进行。
2、 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属催化剂的层(IO) 沉积在设计为与顶盖(11 )接触的基片(7)的表面(7a)上，同时，也沉积在所 述微通道(2)的相对的侧壁(4，5)和底壁(3)上。
3、 如权利要求l所述的方法，其特征在于，沉积在设计为与顶盖(11) 接触的基片(7)的表面(7a)上的所述金属催化剂层(10)的厚度(e)选择为介于20nm和200nm之间。
4、 如权利要求1所述的方法，其特征在于，沉积在所述^:通道(2)的相 对的侧壁(4，5)和底壁(3)上的所述金属催化剂层(9)的厚度(e')选择为介于lnm 和20nm之间。
5、 如权利要求1-4中任何一项所述的方法，其特征在于，纳米结构(13d) 通过沉积在所述壁(6)上的附加的金属催化剂层(M)原位生长形成于微通道(2) 的顶壁(6)上。
6、 如权利要求5所述的方法，其特征在于，该附加的金属催化剂层(14) 沉积在顶盖(ll)的整个表面(lla)上，并被设计为在所述顶盖(ll)被放置时与 基片(7)的表面(7a)接触。
7、 如权利要求1所述的方法，其特征在于，金属催化剂选自镍、钴、 铁和金。
8、 如权利要求l所述的方法，其特征在于，顶盖(ll)的材料选自硅、二 氧化》圭和玻璃。
9、 如权利要求1所述的方法，其特征在于，微通道(2)的两个相对的侧 壁(4， 5)之间的距离(L)选择为介于lpm和500pm之间。
10、 如权利要求1所述的方法，其特征在于，微通道(2)的顶壁(6)和底 壁(3)之间的距离(P)选择为介于5pm和100pm之间。
全文摘要
本发明涉及制造微流控元件(1)的方法，微流控元包括至少一个填充纳米结构(13a，13b，13c)的封闭的微通道(2)。通过预先在基片(7)的表面内形成开口，构成微通道的底壁(3)和两个相对的侧壁(4，5)，制造出微通道。填充微通道的纳米结构(13a，13b，13c)通过原位生长形成，以构成沉积在侧壁(4，5)和底壁(3)上的金属催化剂层。在纳米结构形成之前，通过将保护顶盖(11)密封在基片(7)的表面上微通道(2)被封闭。通过在顶盖(11)的材料和用于原位生长纳米结构(13a，13b，13c)及沉积在设计用来接触顶盖(11)的基片(7)的表面上的催化剂的金属之间形成低共熔混合物，从而获得密封。
文档编号G01N35/00GK101458260SQ20081020988
公开日2009年6月17日 申请日期2008年9月28日 优先权日2007年9月28日
发明者伊曼纽尔·鲁维尔, 弗洛伦斯·里库尔, 让·迪乔恩, 阿格尼丝·方弗恩 申请人:原子能委员会