ПЛАТФОРМА СИСТЕМА В КОРПУСЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННО-МИКРОФЛЮИДНЫХ УСТРОЙСТВ Российский патент 2011 года по МПК B01L3/00 B81C99/00 

Настоящее изобретение относится к интегрированному электронно-микрофлюидному устройству. Оно также относится к сборочному узлу, содержащему интегрированное электронно-микрофлюидное устройство. Изобретение дополнительно относится к способу изготовления интегрированного электронно-микрофлюидного устройства и к способу изготовления сборочного узла.

Микрофлюидные устройства были разработаны для выполнения мелкомасштабного химического и биологического анализа. Это привело к микрофлюидным устройствам для проведения исследований на одном кристалле («лаборатория на кристалле», от англ. Lab-on-chip), которые содержат флюидные компоненты и электрические управляющие схемы или чувствительные компоненты, интегрированные на одну и ту же подложку. Таким образом, подобные миниатюрные устройства образуют химические реакторы. Они способны выполнять смешивание реактивов, термоциклирование или другие функции, включая обнаружение продуктов реакции. Такое устройство, например, известно из патента США №6057149.

Проблема таких интегрированных электронно-микрофлюидных устройств состоит в том, что жидкостно-химические интерфейсы и электрические интерфейсы находятся в тесной близости друг к другу. Это несет риск подвергания электрических контактов воздействию химикатов и, таким образом, работы со сбоями или разрушения устройства.

Следовательно, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить интегрированное электронно-микрофлюидное устройство и сборочный узел, содержащий такое интегрированное электронно-микрофлюидное устройство, которые обеспечивают лучшую изоляцию между химическими интерфейсами и электрическими интерфейсами.

Дополнительная задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить способ изготовления интегрированного электронно-микрофлюидного устройства и изготовления сборочного узла, содержащего такое интегрированное электронно-микрофлюидное устройство, которые обеспечивают возможность лучшей изоляции химических и электрических интерфейсов.

Согласно первому аспекту изобретения предложено интегрированное электронно-микрофлюидное устройство, содержащее

- полупроводниковую подложку на первой основе;

- электронную схему на полупроводниковой подложке;

- структуру сопряжения сигналов, которая расположена на первой стороне полупроводниковой подложки, обращенной к первой основе, и которая соединена с электронной схемой и выполнена с возможностью обмена входящими и исходящими сигналами с электронной схемой и с внешним каналом связи;

- микрофлюидную структуру в полупроводниковой подложке, которая выполнена с возможностью ограничивать текучую среду и позволять течение текучей среды в микрофлюидную структуру и из нее только на второй стороне полупроводниковой подложки, которая противоположна первой стороне полупроводниковой подложки и обращена от первой основы.

В интегрированном электронно-микрофлюидном устройстве по изобретению функциональные электронные и микрофлюидные сегменты устройства сосредоточены в полупроводниковой подложке. С одной стороны, полупроводниковая подложка содержит одну или более электронных схем и структуру сопряжения сигналов с одним или более внешними устройствами. Электронная схема образует разветвленную сеть из схемных элементов, таких как транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и т.д., чтобы служить конкретной функции, подобной, например, приведению в действие структуры нагревателя в полупроводниковой подложке или преобразованию аналоговых сигналов датчиков в цифровые сигналы, и т.д. Структура сопряжения сигналов образует интерфейс между электронной схемой на полупроводниковой подложке и внешним устройством. Между электронной схемой и структурой сопряжения сигналов передаются электрические сигналы, такие как электрический ток или напряжение. Как таковая структура сопряжения сигналов принимает электрические сигналы от электронной схемы. Связь с внешним устройством может также использовать электрические сигналы или сигналы других типов, такие как электромагнитные сигналы, например, на радиочастоте или оптической частоте. Необязательно, конечно, эта структура сопряжения также может быть выполнена с возможностью передавать информацию, исходящую от внешнего устройства и направленную к электронной схеме. Однако при применениях к датчикам, например, зачастую будет достаточным осуществлять "одностороннюю" передачу сигналов на внешнее устройство.

С другой стороны, полупроводниковая подложка дополнительно содержит микрофлюидную структуру. Микрофлюидные структуры как таковые хорошо известны в данной области техники, как описано ранее, и могут служить самым различным целям, таким как обнаружение молекул в текучей среде, нагрев текучей среды, выполнение химических реакций одной или более текучих сред, или же просто хранение или транспортировка текучей среды. Микрофлюидная структура сформирована в полупроводниковой подложке и ограничивает текучую среду. То есть микрофлюидная структура обеспечивает объем для размещения, удерживания или транспортировки текучей среды (газа или жидкости). Ограничение текучей среды, таким образом, может служить для того, чтобы направлять текучую среду или ограничивать распространение текучей среды в некоторых направлениях и за пределы некоторых точек. Обычно микрофлюидная структура имеет стенки, являющиеся непроницаемыми для текучей среды, чтобы ограничивать текучую среду в пределах нужного объема в полупроводниковой подложке.

Ограничение текучей среды можно обеспечивать в нескольких направлениях, параллельных или перпендикулярных основной поверхности полупроводниковой подложки, конечно же, как это требуется в конкретном применении. Однако согласно изобретению по меньшей мере одна микрофлюидная структура выполнена с возможностью позволять течение текучей среды в микрофлюидную структуру и из нее только на второй стороне полупроводниковой подложки, которая противоположна первой стороне полупроводниковой подложки и обращена от первой основы.

Электронная схема и структура сопряжения сигналов, с одной стороны, и микрофлюидная структура, с другой стороны, предусмотрены на противоположных сторонах полупроводниковой подложки. Следовательно, флюидные, в частности, жидкостные интерфейсы и электрические интерфейсы с полупроводниковой подложкой предусмотрены на противоположных сторонах полупроводниковой подложки. Интегрированное электронно-микрофлюидное устройство по изобретению, таким образом, обеспечивает четкое разделение между электрической и микрофлюидной частями устройства. Таким образом, этот конструктивный признак отражает общую концепцию настоящего изобретения, а именно строгое локальное разделение химических и электрических интерфейсов с внешними устройствами.

Отмечается, однако, что устройство может, конечно же, дополнительно включать в себя требуемые комбинированные электрохимические интерфейсы. Например, могут быть предприняты меры для непосредственного гальванического контакта между текучей средой и электрическим контактным элементом в микрофлюидной структуре, которая образует реакционную камеру в полупроводниковой подложке.

Функция первой основы состоит в том, чтобы являться опорой полупроводниковой подложки. Таким образом, она должна быть достаточно жесткой, чтобы обеспечивать опору, и достаточно долговечной, чтобы выдерживать условия обработки во время процессов изготовления и функционирования (например, воздействие химикатов, высоких температур или радиации), которым она подвергается. Как таковая, она может выполняться из целого ряда различных материалов, таких как стекло, пластмасса, эпоксидная смола и т.д., и в различных формах, таких как пластина, куб или балка, в зависимости от соответствующего микрофлюидного применения. Кроме того, к этой первой основе обращена "электрическая сторона" полупроводниковой подложки, что также имеет преимущество защиты упомянутых схемы и структуры сопряжения сигналов от доступа текучей среды.

Электронно-микрофлюидное устройство по изобретению образует платформу «система в корпусе» (System-in-Package, SiP), которая может быть использована в качестве базы для многих специализированных применений устройства. SiP-устройства являются функциональными системами, которые выполнены состоящими из подсистем, которые объединяются в корпусном формате по промышленным стандартам корпусов интегральных схем.

В уровне техники известны многочисленные конструкции микрофлюидных устройств, причем некоторые из них будут описаны более подробно в контексте предпочтительных вариантов воплощения. Электронно-микрофлюидное устройство по изобретению также образует модуль, который легко интегрируется в сборочный узел на схемной плате, как будет также описано более подробно далее.

В нижеследующем описании будут представлены предпочтительные варианты воплощения электронно-микрофлюидного устройства по первому аспекту изобретения. Эти варианты воплощения могут быть скомбинированы, если только явно не указано или из соответствующего контекста не очевидно, что они могут составлять только альтернативные варианты.

Электронно-микрофлюидное устройство по изобретению предпочтительно основывается на технологии переноса подложки (STT, от англ. substrate transfer technology), которая делает возможным формирование микрофлюидных структур даже в утоненной полупроводниковой подложке без создания риска сделать устройство хрупким в течение обработки и последующего манипулирования. Обзор STT дается в работе Рональда Деккера (Ronald Dekker), Substrate transfer technology. Delft University of Technology, 2004, которая во всей своей полноте включена сюда путем ссылки.

Предпочтительным материалом полупроводниковой подложки является кремний. Преимущества выбора этого материала будут поясняться дополнительно ниже в контексте более предпочтительных вариантов воплощения.

Предпочтительный вариант воплощения электронно-микрофлюидного устройства дополнительно содержит вторую основу на второй стороне полупроводниковой подложки. Вторая основа имеет отверстие, которое позволяет течение текучей среды в микрофлюидную структуру и из нее. Вторая основа дополнительно стабилизирует устройство и герметизирует те части второй стороны полупроводниковой подложки, которые не должны подвергаться воздействию окружающей среды или текучей среды.

Согласно дополнительному предпочтительному варианту воплощения структура сопряжения сигналов содержит по меньшей мере один Т-образный внутренний контактный элемент. Этот внутренний контактный элемент имеет два сегмента, которые соответствуют горизонтальной и вертикальной чертам буквы "Т". Сегмент, соответствующий вертикальной черте Т, также называется подложечным сегментом. Он расположен на полупроводниковой подложке и соединяется с электронной схемой. Другой сегмент внутреннего контактного элемента, который соответствует горизонтальной черте Т, предусмотрен на наклонной боковой поверхности пакета подложек. Этот сегмент также называется боковым сегментом; поскольку он образует электроизолированный вывод, который соединяется с внешними контактными элементами. Следовательно, подложечный сегмент и боковой сегмент внутреннего контактного элемента соединяют электронную схему на полупроводниковой подложке с внешними контактными элементами. Оба сегмента внутреннего контактного элемента герметизированы от доступа текучей среды. Подложечный сегмент герметизирован благодаря многослойной структуре пакета подложек, который образован первой основой, полупроводниковой подложкой и второй основой. Электрическая изоляция бокового сегмента герметизирует внутренний контактный элемент на наклонной боковой поверхности.

Структура устройства по этому варианту воплощения является совместимой с хорошо известной концепцией корпусирования ShellCase, известной из публикации WO 95/19645, которая во всей своей полноте включена сюда путем ссылки. Настоящий вариант воплощения расширяет применимость этой концепции корпусирования к электронно-микрофлюидным устройствам.

Основа предпочтительно принимает форму пластины-основы. Если использованию подлежит электропроводящая основа, то должна соблюдаться осторожность для обеспечения электрической изоляции между пластиной-основой и полупроводниковой подложкой с тем, чтобы избежать нежелательных коротких замыканий между электронными схемами, предусмотренными на полупроводниковой подложке. Также пластина-основа должна быть изолирована от любых электрических контактных элементов, предусмотренных на электронно-микрофлюидном устройстве, чтобы избежать коротких замыканий между различными контактными структурами в тех местах, где это требуется для надлежащей работы устройства.

В дополнительном усовершенствовании того варианта воплощения, в котором используется Т-образный внутренний контактный элемент, второй сегмент Т-образного внутреннего контактного элемента расположен прилегающим к полупроводниковой подложке. Полупроводниковая подложка содержит первую электроизоляционную канавку, которая расположена и выполнена с возможностью изолировать второй сегмент Т-образного внутреннего контактного элемента на одной стороне от частей полупроводниковой подложки на противоположной стороне первой электроизоляционной канавки. Эта изоляционная канавка предпочтительно проходит через полупроводниковую подложку вниз до оксидного слоя, который был предварительно сформирован на подложке и который выступает вбок за изоляционную канавку.

Этот вариант воплощения исключает электрическое короткое замыкание между боковым сегментом на наклонной поверхности на многослойной подложке и полупроводниковой подложкой. В альтернативном варианте воплощения такая боковая выступающая часть подложки является уменьшенной, чтобы обеспечивать электроизолирующее наполнение между полупроводниковой подложкой и боковым сегментом внутреннего контактного элемента. Материалом-наполнителем предпочтительно является клей, который используется для монтажа полупроводниковой подложки на вторую пластину-основу.

В одном предпочтительном варианте воплощения либо только первая основа, либо первая и вторая основы являются теплоизолирующими. Микрофлюидная структура окружена первой теплоизоляционной канавкой в полупроводниковой подложке. Теплоизоляционная канавка выходит на вторую сторону полупроводниковой подложки и заполнена теплоизоляционным материалом или является по меньшей мере частично пустой.

Настоящий вариант воплощения использует выгодные свойства электронно-микрофлюидного устройства для интеграции теплоизолированной микрофлюидной структуры. Теплоизоляция микрофлюидной структуры является полезной, например, при нагреве этой структуры до некоторой температуры. Нагрев может требоваться, например, чтобы ускорять или поддерживать химическую реакцию. Примером такой химической реакции является полимеразная цепная реакция (ПЦР) для амплификации дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Другим использованием теплоизолированной области является сенсорное обнаружение изменений температуры вследствие химической реакции, например, с помощью микрокалориметрического датчика.

Средство нагрева или средство обнаружения соответственно расположены на первой стороне полупроводниковой подложки, преимущественно в пределах теплоизолированной области. Электрическое подключение средства нагрева или средства обнаружения к другим частям электронной схемы вне теплоизолированной области не будет значительно нарушать тепловую изоляцию.

Настоящий вариант воплощения является особенно выгодным для интегрированных электронно-микрофлюидных устройств, которые содержат кремниевую полупроводниковую подложку. Кремний считается весьма подходящим материалом для изготовления интегрированных электронно-микрофлюидных устройств, таких как устройства «лаборатория на кристалле» или сенсорные устройства. Однако его высокая теплопроводность затрудняет изготовление теплоизолированных областей в таком устройстве. В предшествующем уровне техники один обычно используемый способ преодоления этой проблемы состоял в том, чтобы локально утончить кремниевую подложку, приводя в результате к мембране. Обработка мембран, однако, не подходит для массового производства. Мембраны являются хрупкими и легко ломаются в ходе последующей обработки, что приводит к потере выхода годного в процессе изготовления. Кроме того, обработка мембран почти всегда основывается на травлении кремниевой пластины-подложки с тыльной стороны с использованием гидроксида тетраметиламмония (ТМАН) или гидроксида калия (КОН). Это требует защиты передней стороны такой пластины-подложки вследствие агрессивного характера этих травителей, что является трудным. Кроме того, травление КОН не совсем хорошо понятно и может иногда приводить к неожиданному поведению при травлении. Дополнительным недостатком использования травителя КОН является то, что оно требует особых жидкостных стендов, которые не являются частью стандартного оборудования, находящегося на большинстве полупроводниковых фабрик.

В противоположность этому настоящий вариант воплощения использует расположение полупроводниковой подложки на первой теплоизолирующей основе. Подходящими теплоизоляционными материалами являются, например, электроизоляционные материалы. Электроизоляционные материалы обычно являются также хорошими теплоизоляционными материалами. Материалы, которые составляют исключение из этого правила, например алмаз и ВеО (оксид бериллия), не должны использоваться в качестве материала основ для настоящего варианта воплощения.

В этом варианте воплощения использование технологий переноса подложки оказывается особенно выгодным. Технология STT считалась в данной области техники невыгодной для многих применений. Это было обусловлено высокой термостойкостью, которая следует из выбора такого материала основы, которым, типично для STT, является электроизоляционный материал, такой как стекло, керамика или полимер. Однако, как результат, в настоящем варианте воплощения многослойная подложка по изобретению является особенно подходящей для цели теплоизоляции, и теплоизолированные области могут быть легко сформированы в полупроводниковой подложке путем формирования вокруг них одной или более теплоизоляционных канавок.

Предпочтительно первая теплоизоляционная канавка простирается от второй стороны полупроводниковой подложки через полупроводниковую подложку и закрыта на первой стороне подложки теплоизолирующим слоем, например слоем диоксида кремния, который расположен на полупроводниковой подложке. Таким образом, наличие теплопроводящего материала подложки (кремния) сведено к минимуму.

Теплоизоляционная канавка может быть заполнена теплоизоляционным материалом. Другим альтернативным вариантом получения хорошей тепловой изоляции является поддержание теплоизоляционной канавки по меньшей мере частично пустой. При частичном заполнении теплоизоляционной канавки предпочтительно используется материал с высокой термостойкостью. Многие клеевые материалы, которые используются для монтажа полупроводниковой подложки на первую пластину-основу, являются подходящими в этом контексте.

Использование электро- и/или теплоизолирующих основ является в целом предпочтительным также и для других применений электронно-микрофлюидного устройства по изобретению, независимо от дополнительных конкретных конструктивных признаков настоящего варианта воплощения.

В нижеследующем описании будут приведено несколько примеров выгодных вариантов реализации микрофлюидных структур в устройстве по изобретению.

Микрофлюидные структуры из нижеследующих примеров предпочтительно реализованы в виде утоненной полупроводниковой подложки, такой как утоненная кремниевая подложка.

Первым примером является реакционная камера, которая образована первой выемкой в полупроводниковой подложке. Реакционная камера ограничена стенкой выемки. Предпочтительно для теплоизоляции реакционной камеры выполнена вторая теплоизоляционная канавка, расположенная окружающей стенку выемки.

Таким образом, тепло, которое создается в реакционной камере за счет химических реакций, ограничивается боковой областью подложки, соответствующей реакционной камере. Теплоизоляционная канавка также может использоваться для циркуляции охлаждающей текучей среды.

Реакционная камера в дополнительном усовершенствованном варианте может быть расположена напротив матрицы нагревателей, которая образует часть электронной схемы и расположена на первой стороне полупроводниковой подложки. Таким образом, химические реакции могут проводиться управляемым образом.

Во втором примере микрофлюидная структура содержит электрофоретический насос. Для этого в полупроводниковой подложке выполнена вторая выемка, и две пластины возбуждения, которые образованы стенками этой выемки, электрически изолированы от полупроводниковой подложки смежной второй электроизоляционной канавкой.

Третий пример образует электронно-микрофлюидное устройство, в котором электронная схема содержит фотодиод, который расположен непосредственно рядом с микрофлюидной структурой в форме микрофлюидного канала в полупроводниковой подложке. Таким образом, генерация света в ходе химической реакции может быть обнаружена внутрикристально («на кристалле»).

В четвертом примере электронная схема содержит два контактных элемента на первой стороне полупроводниковой подложки, которые проходят до микрофлюидной структуры в форме третьей выемки в полупроводниковой подложке. Контактные элементы выполнены с возможностью устанавливать в ходе работы устройства непосредственный гальванический контакт с текучей средой в третьей выемке.

В дополнительном предпочтительном варианте воплощения между второй пластиной-основой и полупроводниковой подложкой расположен слой бензоциклобутена, БЦБ.

Использование БЦБ представляет преимущественный вариант воплощения относительно использования анодной сварки, которая характеризуется строгими требованиями в отношении плоскостности и чистоты поверхностей. Кроме того, анодная сварка требует высоких температур. Это ограничивает выбор клеевого материала, используемого для приклеивания полупроводниковой подложки к первой пластине-основе, материалами, которые могут выдерживать такие высокие температуры. БЦБ, напротив, является идеально подходящим для обеспечения плоскостности и соединения склеиванием поверх полостей в полупроводниковой подложке. Следовательно, может быть достигнуто неразъемное соединение между полупроводниковой подложкой и второй пластиной-основой, и исключается неумышленное заполнение содержащихся полупроводниковой подложкой микрофлюидных структур. Дополнительные подробности использования БЦБ будут поясняться в контексте предпочтительного варианта воплощения способа по изобретению.

В дополнительном предпочтительном варианте воплощения отверстие во второй пластине-основе выполнено с возможностью удерживать съемную крышку. Следовательно, дополнительный вариант воплощения интегрированного электронно-микрофлюидного устройства содержит съемную крышку, расположенную в отверстии второй пластины-основы. Съемная крышка может содержать по меньшей мере одно отверстие, которое выполнено с возможностью позволять вход или выход текучей среды в микрофлюидную структуру, предусмотренную на полупроводниковой подложке. Однако такие отверстия также могут помещаться во второй пластине-основе, что позволяет оставлять съемную крышку без какого-либо открывания. В этом случае съемная крышка служит только для того, чтобы обеспечить отверстие для очистки микрофлюидной структуры. Съемная крышка может изготовляться по дешевой технологии формования или литья. Она может легко заменяться, когда устройство должно использоваться для другой химической реакции. Также съемная крышка позволяет простой доступ по большой площади к микрофлюидной структуре в полупроводниках с целью очистки этой микрофлюидной структуры.

Первая и вторая основы являются предпочтительно стеклянными пластинами. Стекло является хорошо известным материалом для интегрированных электронно-микрофлюидных устройств. В настоящем контексте его преимущество состоит в высокой термостойкости.

Однако для основ также могут выгодно использоваться альтернативные материалы. Некоторые полимеры, в частности полиимиды, обеспечивают жесткость, чтобы являться опорой полупроводниковой подложки и предотвращать поломку. С другой стороны, известные полиимиды предлагают лучшую термостойкость и химическую стойкость, что делает их особенно подходящими для применений «лаборатория на кристалле». В альтернативных вариантах воплощения либо первая, либо вторая, либо обе основы выполняются из полиимида. Например, если ожидается контакт второй основы с химикатами, которые могут повреждать другие материалы основы, такие как стекло, то может использоваться полиимид. С другой стороны, если устройство создает высокие температуры или подвергается действию высоких температур, может быть также выгодным предусмотреть первую основу из полиимида. Кроме полиимидов полезные свойства могут обеспечивать эпоксидная смола или некоторые поликарбонаты, что делает их подходящими материалами для первой или второй основы.

Согласно второму аспекту изобретения предложен сборочный узел, который содержит интегрированное электронно-микрофлюидное устройство согласно первому аспекту изобретения или одному из вариантов его воплощения. Электронно-микрофлюидное устройство смонтировано на схемной плате. Внешние контактные элементы интегрированного электронно-микрофлюидного устройства соединены с контактными структурами, предусмотренными на схемной плате.

В дополнение к обеспечению четкого разделения между электрическими и химическими интерфейсами сборочный узел по настоящему аспекту изобретения имеет преимущество большой гибкости в комбинировании различных электронно-микрофлюидных устройств и схемных плат. В зависимости от требуемого применения конкретное электронно-микрофлюидное устройство может быть выбрано и смонтировано на схемной плате, которая предпочтительно имеет стандартный электрический интерфейс для соединения с электронно-микрофлюидным устройством.

В предпочтительном варианте воплощения сборочного узла в промежутке между схемной платой и электронно-микрофлюидным устройством расположен электроизолирующий слой нижнего заполнения. Нижнее заполнение выполнено с возможностью предотвращать проникновение текучей среды в этот промежуток.

Таким образом, герметизация внешнего электрического интерфейса электронно-микрофлюидного устройства сохраняется также и в сборочном узле на печатной схемной плате. Четкое разделение между "жидкостной стороной" и "электрической стороной" дополнительно улучшается.

В дополнительном усовершенствованном варианте этой концепции контактные структуры расположены на одной стороне схемной платы, обращенной к электронно-микрофлюидному устройству, и электрически соединены с электронными схемами, которые предусмотрены на противоположной стороне схемной платы. На этой противоположной стороне схемной платы также предпочтительно предусмотрены контактные площадки для внешних устройств. Электрическое соединение между двумя противоположными сторонами схемной платы предпочтительно осуществляется посредством сквозных внутриплатных межсоединений.

Согласно третьему аспекту изобретения предложен способ изготовления интегрированного электронно-микрофлюидного устройства с электронной схемой и микрофлюидной структурой. Способ содержит следующие этапы:

- изготовление полупроводниковой пластины-подложки, которая для последующего разделения на множество отдельных электронно-микрофлюидных устройств содержит множество электронных схем и структур сопряжения сигналов на первой стороне пластины-подложки;

- монтаж полупроводниковой пластины-подложки на первую основу обращенной к этой первой основе первой стороной пластины-подложки;

- утоньшение полупроводниковой пластины-подложки со второй стороны пластины-подложки, которая противоположна первой стороне пластины-подложки;

- формирование множества микрофлюидных структур в полупроводниковой пластине-подложке со второй стороны пластины-подложки; и

- разрезание пластины-подложки на кристаллы.

Способ по второму аспекту изобретения дает возможность экономически выгодного изготовления интегрированного электронно-микрофлюидного устройства по первому аспекту изобретения. Преимущества способа по изобретению соответствуют упомянутым ранее в контексте описания электронно-микрофлюидного устройства по первому аспекту изобретения. Кроме того, способ по изобретению обеспечивает эффективный путь производства большого количества электронно-микрофлюидных устройств из полупроводниковой пластины-подложки, которая была обработана согласно способу по изобретению.

С использованием способа по второму аспекту изобретения может изготовляться множество различных устройств для различных электронных и микрофлюидных применений. Это обеспечивает экономическую выгоду, поскольку для изготовления конкретных электронных устройств и микрофлюидных структур должны изменяться только процессы маскирования. Общая схема обработки остается идентичной для всех видов электронно-микрофлюидных устройств.

В нижеследующем описании будут приведены предпочтительные варианты воплощения способа по изобретению. Эти варианты воплощения могут быть скомбинированы, если только явно не указано или из соответствующего контекста не очевидно, что они составляют альтернативные варианты.

В предпочтительном варианте воплощения этап формирования множества микрофлюидных структур содержит формирование в полупроводниковой пластине-подложке первой теплоизоляционной канавки вокруг по меньшей мере одной из микрофлюидных структур. Как упомянуто ранее в контексте описания соответствующего варианта воплощения электронно-микрофлюидного устройства по первому аспекту изобретения, этот вариант воплощения обеспечивает простой процесс формирования теплоизолированных микрофлюидных структур.

В дополнительном предпочтительном варианте воплощения этап герметизации микрофлюидных структур путем монтажа второй пластины-основы содержит этапы, на которых:

- осаждают слой бензоциклобутена, БЦБ, на вторую пластину-основу;

- монтируют вторую пластину-основу на второй стороне пластины-подложки, таким образом формируя многослойную подложку;

- отверждают слой БЦБ путем первоначального нагрева многослойной подложки до температуры между 170°С и менее 200°С и последующего нагрева многослойной подложки до температуры 200°С.

Этот вариант воплощения использует выгодные свойства БЦБ. Этот материал имеет уникальную температурную характеристику. БЦБ при достижении температуры в 170°С становится жидким с вязкостью, сходной с вязкостью воды. После дальнейшего нагрева до 200°С БЦБ вновь твердеет и окончательно сшивается при 200°С. Следовательно, БЦБ является подходящим для обеспечения плоскостности, а также для соединения склеиванием поверх полостей. Предпочтительно перед этапом отверждения слоя БЦБ выполняется этап сушки слоя БЦБ при температуре ниже 170°С, пока он не станет полностью сухим.

Предпочтительный вариант воплощения способа дополнительно содержит этапы, на которых:

- формируют для каждого электронно-микрофлюидного устройства на пластине-подложке подложечный сегмент Т-образного внутреннего контактного элемента, соответствующий вертикальной черте Т и соединяемый с электронной схемой соответствующего электронно-микрофлюидного устройства;

- формируют надрезы в первой основе и полупроводниковой пластине-подложке, таким образом задавая наклонные боковые поверхности для каждого электронно-микрофлюидного устройства;

- формируют выводы на наклонных боковых поверхностях, таким образом завершая боковой сегмент (152, 154) Т-образного внутреннего контактного элемента, соответствующий горизонтальной черте Т;

- формируют внешние контактные элементы для электрического контакта с внешним устройством.

Настоящий вариант воплощения объединяет преимущества технологии переноса подложки и способа ShellCase no WO 95/19645 для производства устройств на интегральных схемах по новой технологии на платформе SiP в области электронно-микрофлюидных устройств.

В дополнительном предпочтительном варианте воплощения этап формирования выводов на наклонных боковых поверхностях содержит формирование второго сегмента Т-образного внутреннего контактного элемента прилегающим к полупроводниковой подложке, и при этом этап формирования первой электроизоляционной канавки для изолирования второго сегмента Т-образного внутреннего контактного элемента от частей полупроводниковой подложки проводят вместе с этапом формирования множества микрофлюидных структур. Эта обработка позволяет сформировать сегменты выводов непосредственно на боковой поверхности полупроводниковой подложки и в то же время исключает риск короткого замыкания между внутренним контактным элементом и подложкой.

В дополнительном варианте воплощения этап монтажа полупроводниковой пластины-подложки на первую основу содержит подэтапы, на которых:

- формируют полимерный слой на пластине-подложке;

- формируют отслаиваемый слой на полимерном слое; и

- монтируют временную основу на отслаиваемом слое.

В этом варианте воплощения временную основу отслаивают в ходе последующей обработки путем удаления отслаиваемого слоя. Таким образом, полимерный слой образует первую основу в ходе работы электронно-микрофлюидного устройства. Слой временной основы обеспечивает дополнительную устойчивость в ходе изготовления устройства. Отслаиваемым слоем, например, может быть оксидный слой, который легко удаляется.

В дополнительном варианте воплощения способа по изобретению этап обеспечения по меньшей мере одного отверстия во второй пластине-основе для каждого электронно-микрофлюидного устройства содержит выполнение отверстия во второй пластине-основе с возможностью удерживания съемной крышки. Этот вариант воплощения делает возможным простое повторное использование электронно-микрофлюидного устройства для различных химикатов путем обеспечения большой площади доступа к микрофлюидной структуре в отверстии для крышки, что может использоваться в процессе чистки.

Согласно четвертому аспекту изобретения способ изготовления сборочного узла согласно второму аспекту изобретения содержит этап изготовления интегрированного электронно-микрофлюидного устройства в соответствии со способом по третьему аспекту изобретения или одному из вариантов его воплощения и этап монтажа электронно-микрофлюидного устройства на схемной плате.

Преимущества способа по четвертому аспекту изобретения проистекают непосредственно из преимуществ способа по третьему аспекту изобретения.

В нижеследующем описании будут поясняться дополнительные варианты воплощения изобретения со ссылкой на приложенные фигуры.

Фиг.1A)-J) показывают различные стадии процесса изготовления интегрированного электронно-микрофлюидного устройства, которое содержит микрокалориметрический датчик.

Фиг.2 показывает пример сборочного узла, который содержит электронно-микрофлюидное устройство, изготовленное в соответствии с процессом по пункту 1 формулы изобретения.

Фиг.3А)-I) показывают различные стадии в ходе изготовления устройства «лаборатория на кристалле».

Фиг.4 показывает устройство «лаборатория на кристалле», интегрированное в сборочный узел на печатной схемной плате.

Фиг.5А)-D) показывают различные стадии в ходе изготовления подварианта устройства «лаборатория на кристалле» по Фиг.3 и 4.

Фиг.6 показывает устройство «лаборатория на кристалле», изготовленное согласно способу по Фиг.5.

Фиг.7А)-С) показывают различные стадии в ходе изготовления альтернативного устройства «лаборатория на кристалле».

На Фиг.1А)-J) показаны различные стадии процесса изготовления интегрированного электронно-микрофлюидного устройства, которое содержит микрокалориметрический датчик.

Отправной точкой описания является полностью обработанная по КМОП-технологии или биполярной КМОП-технологии (БиКМОП) пластина-подложка. Конечно же, может также использоваться полупроводниковая пластина-подложка, которая была обработана в альтернативном специализированном процессе изготовления интегральных схем. Отметим, что термин «пластина-подложка» используется здесь в краткой форме в том же смысле, что и термин «полупроводниковая пластина-подложка». Термин «пластина-подложка» также иногда используется для ссылки на полупроводниковую пластину-подложку, которая была обработана или обрабатывается согласно изобретению, то есть на полупроводник, прослоенный между двумя пластинами-основами, как будет ясно из соответствующего контекста.

На Фиг.1А) показано схематическое поперечное сечение сенсорной интегральной схемы (ИС) 100. В ходе предыдущей обработки схемы по КМОП- или БиКМОП-технологии или другой технологии на кремниевой подложке 106 были сформированы электронные схемы 102 и 104. Схемы не показаны. Однако они располагаются между защитными оксидными областями 108, с металлическим слоем 110 поверх них, чтобы формировать контактные площадки или соединяться с ними. На краях кремниевой подложки 106 осаждены выступающие части 112 и 114 контактных площадок, которые будут использоваться в ходе последующей обработки для формирования внутренних элементов Т-образных внутренних контактов.

Вертикальная стрелка 116 указывает на требуемое положение микрофлюидной структуры для использования в устройстве микрокалориметрического датчика. В кремниевой подложке предусмотрен датчик температуры в положении, показанном стрелкой 116. Показаны окружающие защитные оксидные области 118 и 120. Датчик температуры, например, может быть образован pn-переходом (не показан). Могут предусматриваться дополнительные схемы, служащие для усиления сигнала, аналого-цифрового преобразования, сопряжения и т.д.

Понятно, что в случае промышленного изготовления показанная кремниевая подложка 106 образует часть кремниевой пластины-подложки, которая содержит множество устройств, сходных показанному на Фиг.1А). Поэтому в настоящем описании термины «подложка» и «пластина-подложка» будут использоваться без различения, если явно не указано иное.

На следующем этапе обработки кремниевую пластину-подложку 106 приклеивают верхом снизу к стеклянной пластине-основе 122. На этом этапе обработки используется клеевой слой 124, результат чего показан на Фиг.1В).

На последующем этапе обработки кремниевую пластину-подложку утоньшают путем шлифования (см. Фиг.1C)). Типичная толщина составляет между 50 и 100 микрометрами. На следующем этапе кремниевую подложку удаляют с тех частей, которые на последующем этапе обработки (см. Фиг.1F)) будут использоваться для формирования надрезов в пластине-подложке. Удаление проводят сухим травлением. Сухое травление останавливается на защитных оксидных слоях, прилегающих к выступающим областям 112 и 114 контактных площадок.

На том же этапе сухим травлением формируют микрофлюидную структуру 126. Следовательно, может использоваться одна и та же маска для удаления подложки на боковых краях будущего кристалла и для формирования микрофлюидной структуры 126. В данном случае микрофлюидная структура содержит набор микрофлюидных каналов. Один примерный канал показан под ссылочной позицией 128. Многоканальная структура микрофлюидной структуры 126 служит тому, чтобы увеличить поверхность реакции для химических текучих сред.

Вокруг микрофлюидной структуры 126 в кремниевой подложке формируют канавку 130. Эту канавку также формируют на этапе сухого травления с использованием той же самой маски, вместе с канальной структурой 128. Эта обработка, следовательно, интегрирует формирование микрофлюидной структуры в известную обработку ShellCase no WO 95/19645. Необходимая модификация топологии маски не требует какого-либо изменения обработки.

Затем пластину-подложку приклеивают ко второй стеклянной пластине-основе 132 (Фиг.1Е)) с использованием клеевого слоя 134. Потом формируют надрезы 136 и 138, проходящие через первую стеклянную пластину-основу 122 и клеевой слой 124 и в боковом направлении прилегающие к выступающим контактным площадкам 112 и 114. Эти надрезы формируют пилением. Донные поверхности 140 и 142 соответственно этих надрезов находятся во втором клеевом слое 134.

Потом на внешней поверхности первой стеклянной пластины-основы 122 формируют слой 144, 146 металлизации перераспределения. Таким образом, выступающие области 112 и 114 контактных площадок соединяются с металлизацией перераспределения 144 и 146 соответственно. Таким образом создается структура сопряжения сигналов с Т-образными внутренними контактными элементами 148 и 150, при этом выступающие части контактных площадок образуют подложечные сегменты 112 и 114 контактного элемента, которые соответствуют вертикальным чертам буквы Т, а боковые сегменты 152 и 154 металлизации перераспределения образуют изолированные сегменты-выводы на наклонных поверхностях надрезов в стеклянной пластине-основе 122 и соответствуют горизонтальным чертам буквы Т. Изоляцию на внешней поверхности надрезов осуществляют осаждением изоляционного слоя 155 поверх металлизации перераспределения 144, 146. Слой металлизации перераспределения соединяют с выводами 156 и 158 под пайку.

На следующем этапе изготовляют отверстие 160 во второй стеклянной пластине-основе 132 на участке боковой поверхности микрофлюидной структуры 126, Фиг.1Н). Это, например, можно осуществлять с помощью пескоструйной обработки выбранной области стеклянной пластины-основы 132, останавливаясь на упругом клеевом слое 134.

Клеевой слой 134 потом удаляют на участке отверстия 160 кислородно-плазменным травлением. Фиг.1I). Таким образом, весь клеевой материал из клеевого слоя 134 удаляется из микрофлюидной структуры 126 и окружающей области в канавке 130. Микрофлюидная структура 126 таким образом эффективно снабжается окружающей теплоизоляцией. Если необходимо, канавка 130 может быть заполнена теплоизоляционным материалом, однако без заполнения каналов 128 микрофлюидной структуры 126.

На следующем этапе пластину-подложку разрезают в надрезах 136 и 138, получая отдельные электронно-микрофлюидные устройства 162.

Как может быть ясно видно на Фиг.1J), доступ химических текучих сред обеспечивается через отверстие 160 в стеклянной пластине-основе 132 на одной стороне устройства 162, тогда как электрический интерфейс с внешними устройствами обеспечивается с помощью выводов 156 и 158 под пайку.

На Фиг.2 показана «система в корпусе» 200, которая сформирована путем монтажа электронно-микрофлюидного устройства 162 на печатной схемной плате (ПСП) 202. Монтаж проводят с помощью этапа пайки, за которым следует нанесение нижнего заполнения 204, подходящего для герметизации электрических контактов. Если необходимо, является возможным выполнение сквозных отверстий, примеры которых показаны ссылочными позициями 206 и 208, под электронно-микрофлюидным устройством 162 таким образом, что не имеется электрических проводников на сенсорной стороне ПСП 202.

Таким образом, «система в корпусе» 200 имеет "жидкостную сторону" 210, позволяющую жидкостно-химический доступ, которая четко отделена от "электрической стороны" 212, предназначенной для обмена электрическими сигналами с внешними устройствами.

На Фиг.3А-I показаны различные стадии в ходе изготовления устройства «лаборатория на кристалле».

Отправной точкой настоящего варианта воплощения вновь является полностью обработанная кремниевая пластина-подложка 300. Эта пластина-подложка содержит электронные схемы, изготовленные в соответствии со стандартными КМОП или БиКМОП процессами. Иногда может быть необходимо сделать небольшие дополнения или модификации КМОП процесса в зависимости от требований подлежащей изготовлению «лаборатории на кристалле». В других примерах может быть более экономичным использование простого дешевого процесса без каких-либо активных устройств вместо КМОП или БиКМОП процесса.

Схематичный вид поперечного сечения по Фиг.3А) показывает пластину-подложку 300 с несколькими частично изготовленными заранее компонентами. Отметим, что расположение различных компонентов, которые будут описаны в контексте настоящего варианта воплощения, является чисто иллюстративным и служит главным образом для того, чтобы пояснить обработку с различными признаками. Фактическое устройство «лаборатория на кристалле» может иметь совершенно другое расположение отдельных микрофлюидных структур, соответствующее нуждам и требованиям конкретного применения.

Двигаясь слева направо, на межуровневом диэлектрическом слое 304 сформирована матрица 302 нагревателей в форме металлического или поликремниевого зигзагообразного резистора. Боковое положение матрицы нагревателей соответствует положению теплоизолированной реакционной камеры, которая будет изготовляться в ходе последующей обработки, см. Фиг.3Е).

С правой стороны от матрицы 302 нагревателей предусмотрены два контакта 308 с кремниевой пластиной-подложкой, которые будут соединяться в ходе последующих этапов обработки с двумя пластинами возбуждения для электрофоретического насоса. С правой стороны от двух контактов 308 предусмотрена матрица 310 фотодиодов для использования при обнаружении фотолюминесценции от смежных микрофлюидных каналов, которые будут сформированы в ходе последующей обработки, см. Фиг.3Е). С правой стороны от матрицы 310 фотодиодов предусмотрены два контакта 312 для непосредственного гальванического контакта с текучей средой в реакционной камере, которая будет сформирована в ходе последующего этапа обработки, см. Фиг.3Е). Также показана выступающая часть 314 контактной площадки, которая будет использоваться для формирования внутренних контактных элементов, как было описано в предыдущем варианте воплощения. Другим примером структуры насоса, который может быть предусмотрен, является электроосмотический насос.

Последующая обработка, которая показана с помощью Фиг.3В)-3D), соответствует описанной в контексте предыдущего варианта воплощения со ссылкой на Фиг.1C). Кремниевую пластину-подложку приклеивают к первой стеклянной подложке 322 посредством клеевого слоя 324, Фиг.3В). Затем пластину-подложку переворачивают верхней стороной вниз (Фиг.3С)) и утоньшают кремниевую подложку до требуемой толщины с тыльной стороны, Фиг.3D). Толщина кремниевой подложки после этого этапа обычно составляет по порядку величины от 50 до 100 микрометров.

Потом кремниевую пластину-подложку структурируют, формируя микрофлюидные структуры. Формирование микрофлюидных структур проводят с помощью того же этапа маскирования, как если бы проводилось структурирование ShellCase. Однако в противоположность варианту воплощения по Фиг.1 и 2 и в отличие от обработки ShellCase в этом варианте воплощения нет бокового уменьшения кремниевой пластины-подложки 306. Чтобы решить являющуюся следствием этого проблему коротких замыканий между Т-образным внутренним контактным элементом и подложкой, в пластине-подложке около выступающей части 314 контактной площадки формируют электроизоляционную канавку 383.

На этом этапе структурирования в боковом положении матрицы 302 нагревателей формируют реакционную камеру 364. Эту реакционную камеру 364 окружает теплоизоляционная канавка 366. Кроме того, в подложке 306 в боковых положениях контактных элементов 308 формируют две пластины 368 и 370 возбуждения. Эти пластины возбуждения окружены канавкой 372. Кроме того, формируют микроканалы 374-380, прилегающие к матрице 310 фотодиодов. Наконец, в боковом положении гальванических контактов 312 формируют гальваническую реакционную камеру 382.

Формирование микрофлюидных устройств может быть достигнуто, например, согласно процессу травления Bosch, который известен в данной области техники. Защитный оксидный слой 304 на передней стороне полупроводниковой пластины-подложки 306 используется на этом этапе в качестве слоя останова травления.

С помощью следующего этапа созданные микрофлюидные структуры в пластине-подложке 306 герметизируют путем монтажа подложки на второй стеклянной пластине-основе 332. Вторая стеклянная пластина-основа 332 содержит отверстия (не показаны), которые служат в качестве отверстий для входящих и выходящих текучих сред.

Имеются несколько путей того, каким образом вторая стеклянная пластина-основа 332 может быть прикреплена к кремниевой пластине-подложке 306 без заполнения сформированных полостей микроканалов. Стандартным подходом было бы использование анодной сварки. Это, однако, потребовало бы очень плоских и чистых поверхностей. Дополнительно, температуры, требуемые для такого процесса сварки, могут быть слишком высокими для клеевого материала, используемого для приклеивания первой стеклянной пластины-основы 322.

Следовательно, в качестве клеевого материала в настоящем варианте воплощения предпочтительно используется бензоциклобутен (БЦБ). БЦБ распределяют центрифугированием в слой 334 толщиной от 5 до 10 микрометров. Слой 334 БЦБ затем подвергают мягкой сушке при 120°С, пока он не станет полностью сухим. В течение последующего этапа нагрева при достижении температуры в 170°С БЦБ становится текучим со сходной с водой вязкостью. При дальнейшем нагреве до 200°С слой 334 БЦБ вновь твердеет и окончательно сшивается при 200°С. Обладая таким свойством, БЦБ идеально подходит для обеспечения плоскостности и также для соединения склеиванием поверх сформированных полостей. Это может достигаться приложением давления при помещении второй стеклянной пластины-основы 332 со слоем БЦБ на пластину-подложку 306 и нагревом этой результирующей многослойной структуры до 170°С. В этот момент БЦБ станет жидким, но не будет входить в сформированные полости в пластине-подложке 306 вследствие ограниченного объема имеющегося БЦБ и вследствие капиллярных сил. При дальнейшем повышении температуры до 200°С БЦБ сшивается, приводя к неразъемному присоединению второй стеклянной пластины-основы 332 к пластине-подложке 334.

Дальнейший ход процесса соответствует таковому по Фиг.1F), 1G) и 1I) и показан на Фиг.3С), 3Н) и 3I). Отмечается, что в настоящем варианте воплощения формирование надрезов 338 отличается от такового в обработке по Фиг.1 тем, что донная поверхность 340 надрезов находится в материале пластины-подложки, а не в клеевом слое. Следовательно, слой 354 повторной трассировки, который затем осаждают на наклонной поверхности многослойной подложки, находится в непосредственном контакте с пластиной-подложкой 306, образуя интерфейс 390. Электроизоляционная канавка 383 исключает электрические замыкания между пластиной-подложкой 306 и Т-образным внутренним контактным элементом 350. Эта обработка также отличается от таковой в известном процессе ShellCase.

На Фиг.4 показано устройство «лаборатория на кристалле», интегрированное в сборочном узле на печатной схемной плате. Подобно сборочному узлу, показанному на Фиг.2, завершенное электронно-микрофлюидное устройство «лаборатория на кристалле» 362 помещают на печатную схемную плату 402 и герметизируют электрические контакты между электронно-микрофлюидным устройством 362 и ПСП 402 посредством нижнего заполнения 404. Опять же достигается четкое разделение между электрической стороной и жидкостно-химической стороной сборочного узла.

На Фиг.5А)-D) показаны различные стадии в ходе изготовления подварианта устройства «лаборатория на кристалле» по Фиг.3 и 4. Обработка по настоящему варианту воплощения в значительной степени соответствует обработке, показанной на Фиг.3. Однако устройство «лаборатория на кристалле» 500 по настоящему варианту воплощения снабжено интерфейсом для сменной (одноразовой) крышки, которая позволяет менять жидкостный интерфейс и легко чистить структуру «лаборатории на кристалле».

Для простоты пояснения кремниевая пластина-подложка 506 показана только с одной микрофлюидной реакционной камерой 564. Показаны реакционная камера 564 и окружающая теплоизоляционная канавка 566. Однако понятно, что это служит только в качестве примера применимости концепции сменной крышки. Другие микрофлюидные структуры в равной степени могут извлекать выгоду из этой концепции.

Показаны также электроизоляционные канавки 583 и 585 около выступающих частей 512 и 514 контактных площадок, которые, сходно с матрицей 502 нагревателей, сформированы поверх защитного оксидного слоя 504. На показанной на Фиг.5А) стадии обработки полупроводниковая пластина-подложка 506 была смонтирована на первой стеклянной пластине-основе 522, утоньшена и подвергнута структурированию с тыльной стороны согласно процессу Bosch для того, чтобы сформировать микрофлюидные структуры 564, 566. Эта стадия обработки соответствует показанной на Фиг.3F), и для достижения этого состояния можно следовать этапам, соответствующим описанным со ссылкой на Фиг.3А)-3Е).

Отличие от обработки, показанной в более ранних вариантах воплощения, состоит в том, что вторая стеклянная пластина-основа 532 снабжается отверстием 594, имеющим наклонные боковые поверхности 596 и 598. Отверстие 594 позднее используется для удерживания сменной крышки. Отмечается, что отверстие 594 формируется после нанесения клеевого слоя 534 БЦБ на вторую стеклянную пластину-основу 532.

На следующем этапе, показанном на Фиг.5В), к кремниевой пластине-подложке 506 приклеивают вторую стеклянную пластину-основу 532, используя БЦБ в качестве клеевого материала.

Остальная часть обработки, показанная на Фиг.5С) и 5D), является идентичной таковой по предыдущему примеру, Фиг.2Н) и Фиг.21).

На Фиг.6 показано устройство «лаборатория на кристалле», изготовленное согласно способу по Фиг.5.

Устройство «лаборатория на кристалле» 600 по Фиг.6 напоминает структуру, показанную на Фиг.4. Оно отличается только обеспечением сменной крышки 620, которая также содержит жидкостно-химический вход и выход, что иллюстративно показано отверстием 622. Отметим, что крышка не обязательно должна иметь такие отверстия жидкостно-химического входа и выхода. Вместо этого они могут быть предусмотрены на второй стеклянной пластине-основе 532. Сменная крышка 620 предпочтительно выполнена по технологии формования или литья и в одном варианте воплощения покрыта гибким слоем, чтобы обеспечивать адекватную герметизацию микроканальной структуры устройства «лаборатория на кристалле» 562. Также является возможным применение механического зажима или крепления с тем, чтобы удерживать крышку на своем месте в отверстии 594. Дополнительно отметим, что в альтернативных полезных вариантах воплощения боковые поверхности 596 и 598 отверстия 594 являются вертикальными (не наклонными). Альтернативно они могут быть наклонными с отрицательным наклоном, при котором отверстие 594 уменьшается в размере в направлении к внешней поверхности второй стеклянной пластины-основы. Последний вариант воплощения позволяет осуществлять другой простой путь закрепления крышки 620 "защелкиванием" этой крышки в отверстие 594.

На Фиг.7А)-7С) показаны различные стадии в ходе изготовления альтернативного примера интегрированного электронно-микрофлюидного устройства.

В целом, изготовление электронно-микрофлюидного устройства" 700 напоминает таковое в более ранних вариантах воплощения, в частности тем, что используется технология переноса подложки. К тому же, изготовление и структурирование полупроводниковой подложки 710 следуют процедуре, представленной в общих чертах выше.

В отличие от предыдущих вариантов воплощения структура сопряжения сигналов образована антенной 712, которая изготовлена на полупроводниковой подложке перед осаждением последующих слоев. Антенна 712 имеет спиральную структуру и используется для приема и передачи сигналов между электронной схемой и внешним устройством. Также является возможным использование антенны для приема энергии, которая может использоваться для работы, например, в ходе передачи сигнала. Затем изготовляется пакет слоев, который содержит полиимидный слой 708 поверх полупроводниковой подложки 710, оксидный слой 706 и клеевой слой 704, и стеклянную пластину 702.

Последовательность из стеклянной пластины 702, клеевого слоя 704 и оксидного слоя 706 используется в качестве временной основы в ходе процесса изготовления, как станет ясно из описания Фиг.7В) и 7С).

На последующих этапах полупроводниковую подложку 710 структурируют на ее тыльной стороне, чтобы получить микрофлюидную структуру 716, за чем следует нанесение клеевого материала 718 и второй основы 722. В настоящем примере вторая основа 722 выполняется из полиимида. Однако также может использоваться стекло в соответствии с конкретными потребностями в ходе работы устройства. Отметим, что в зависимости от конкретного выбора материала клеевой слой 718 может фактически образовать часть полиимидного слоя 722. Необязательно, как показано в настоящем примере, поверх второй основы 722 может быть нанесен слой 724 покрытия. Это покрытие, например, может быть водоотталкивающим.

На Фиг.7С) показано готовое устройство 700 после удаления стеклянной пластины 702, клеевого слоя 704 и оксидного слоя 706. Для удаления может использоваться процесс отслаивания. Оксидный слой 706 растворяют, так что стеклянная пластина и клеевой слой 704 могут быть удалены без дополнительной обработки.

Вышеприведенное описание предпочтительных вариантов воплощения иллюстрирует применимость способа по изобретению для формирования электронно-микрофлюидных устройств с четко разделенными интерфейсами для химикатов и для электрических сигналов. В этих вариантах воплощения было показано, что способ по изобретению обеспечивает интеграцию формирования микрофлюидных структур в полупроводниковой подложке без увеличения сложности обработки. Просто путем модифицирования масок может быть сформировано разнообразие микрофлюидных устройств, из которых только некоторые были упомянуты в вышеприведенном описании в качестве примера.

Отметим, что электронно-микрофлюидное устройство по изобретению также может продаваться в виде промежуточного продукта, то есть в виде пластины-подложки до разрезания на кристаллы.

В одном варианте воплощения полупроводниковая подложка электронно-микрофлюидного устройства по изобретению является подложкой «кремний на изоляторе» (КНИ). Электронно-микрофлюидное устройство по этому варианту воплощения предпочтительно содержит в полупроводниковой области КНИ-подложки полупроводниковый прибор, такой как фотодиод, непосредственно прилегающий к микроканалам или реакционным камерам, которые сформированы в изолирующей области КНИ-подложки.

Электронно-микрофлюидное устройство может применяться для жидкостей или для газов, или же как для жидкостей, так и для газов с использованием различных интерфейсов. В этом случае отдельный газовый интерфейс предусматривается на той же стороне, что и жидкостно-химический интерфейс, подобно химическим интерфейсам, описанным в предыдущих вариантах воплощения.

Вместо стекла или полимера для выполнения пластины-основы могут использоваться другие известные материалы, такие как керамический материал.

В нижеследующей формуле изобретения ссылочные позиции не должны рассматриваться в качестве ограничения объема формулы изобретения.

Изобретение относится к интегрированному электронно-микрофлюидному устройству. Сущность изобретения: интегрированное электронно-микрофлюидное устройство содержит полупроводниковую подложку (106) на первой основе (122), электронную схему (102, 104) на первой стороне полупроводниковой подложки и структуру сопряжения сигналов с внешним устройством. Структура сопряжения сигналов расположена на первой стороне полупроводниковой подложки и выполнена с возможностью принимать электрические сигналы от электронной схемы. Микрофлюидная структура (126) сформирована в полупроводниковой подложке и выполнена с возможностью ограничивать текучую среду и позволять течение текучей среды в микрофлюидную структуру и из нее только на второй стороне полупроводниковой подложки, которая противоположна первой стороне полупроводниковой подложки и обращена от первой основы. Электронно-микрофлюидное устройство образует приспосабливаемую платформу для создания различных применений «системы в корпусе». Достигается четкое разделение между электрическими и жидкостно-химическими интерфейсами. Заявленный способ изготовления устройства по изобретению также предоставляет возможность простого формирования теплоизолированных микрофлюидных структур. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Интегрированное электронно-микрофлюидное устройство, содержащее
- полупроводниковую подложку (106) на первой основе (122);
- электронную схему (102, 104) на первой стороне полупроводниковой подложки;
- структуру сопряжения сигналов с внешним устройством, расположенную на первой стороне полупроводниковой подложки и выполненную с возможностью принимать электрические сигналы от электронной схемы, причем упомянутая структура сопряжения сигналов содержит по меньшей мере один Т-образный внутренний контактный элемент (148, 150) с подложечным сегментом (112, 114), соответствующим вертикальной черте Т, который расположен на полупроводниковой подложке и соединен с электронной схемой, и с боковым сегментом (152, 154), соответствующим горизонтальной черте Т, который расположен на наклонной боковой поверхности подложки и образует электроизолированный вывод, соединяющийся с внешними контактными элементами (156, 158) на внешней поверхности первой основы (122), причем внешние контактные элементы выполнены с возможностью устанавливать электрический контакт с внешним устройством;
- микрофлюидную структуру (126, 364, 366, 372, 382), сформированную в полупроводниковой подложке, причем эта микрофлюидная структура выполнена с возможностью ограничивать текучую среду и позволять течение текучей среды в микрофлюидную структуру и из нее только на второй стороне полупроводниковой подложки, которая противоположна первой стороне полупроводниковой подложки и обращена от первой основы; и
- вторую основу на второй стороне полупроводниковой подложки, имеющую отверстие, которое позволяет течение текучей среды в микрофлюидную структуру и из нее.

2. Интегрированное электронно-микрофлюидное устройство по п.1, в котором боковой сегмент (354) Т-образного внутреннего контактного элемента расположен прилегающим к полупроводниковой подложке (306) и при этом полупроводниковая подложка содержит первую электроизоляционную канавку (383), которая расположена и выполнена с возможностью изолировать боковой сегмент Т-образного внутреннего контактного элемента на одной стороне первой электроизоляционной канавки от частей полупроводниковой подложки на противоположной стороне первой электроизоляционной канавки.

3. Интегрированное электронно-микрофлюидное устройство по п.1, в котором либо только первая основа, либо первая и вторая основы являются теплоизолирующими и при этом микрофлюидная структура окружена первой теплоизоляционной канавкой (130) в полупроводниковой подложке, которая выходит на вторую сторону полупроводниковой подложки и заполнена теплоизоляционным материалом или является по меньшей мере частично пустой.

4. Интегрированное электронно-микрофлюидное устройство по п.3, в котором первая теплоизоляционная канавка (130) простирается от второй стороны полупроводниковой подложки через полупроводниковую подложку и закрыта на первой стороне полупроводниковой подложки теплоизолирующим слоем, который расположен на полупроводниковой подложке.

5. Интегрированное электронно-микрофлюидное устройство по п.1, в котором микрофлюидная структура содержит реакционную камеру (364), образованную первой выемкой в полупроводниковой подложке (306) и ограниченную стенкой выемки, и вторую теплоизоляционную канавку (366), окружающую стенку выемки.

6. Интегрированное электронно-микрофлюидное устройство по п.1, в котором микрофлюидная структура содержит электрофоретический насос со второй выемкой в полупроводниковой подложке и двумя пластинами (368, 370) возбуждения, которые образованы стенками выемок, которые электрически изолированы от полупроводниковой подложки смежной второй электроизоляционной канавкой (372).

7. Интегрированное электронно-микрофлюидное устройство по п.1, в котором электронная схема содержит фотодиод (310), который расположен непосредственно рядом с микрофлюидной структурой (372, 374, 376) в виде микрофлюидного канала в полупроводниковой подложке.

8. Интегрированное электронно-микрофлюидное устройство по п.1, в котором электронная схема содержит два контактных элемента (312) на первой стороне полупроводниковой подложки, которые простираются до микрофлюидной структуры в виде третьей выемки (382) в полупроводниковой подложке и выполнены с возможностью устанавливать непосредственный гальванический контакт с текучей средой в третьей выемке.

9. Интегрированное электронно-микрофлюидное устройство по п.1, в котором между второй основой (332) и полупроводниковой подложкой (306) расположен клеевой слой (334) бензоциклобутена, БЦБ.

10. Интегрированное электронно-микрофлюидное устройство по п.1, в котором отверстие (594) во второй основе (532) выполнено с возможностью удерживать съемную крышку (620).

11. Интегрированное электронно-микрофлюидное устройство по п.1, в котором структура сопряжения сигналов содержит антенну (712), которая выполнена с возможностью передавать и принимать электромагнитные сигналы в спектре радиочастот.

12. Способ изготовления интегрированного электронно-микрофлюидного устройства с электронной схемой (102, 104) и микрофлюидной структурой (126), содержащий этапы:
- изготовление полупроводниковой пластины-подложки (106), которая для последующего разделения на множество отдельных электронно-микрофлюидных устройств содержит множество электронных схем (102, 104) и структур сопряжения сигналов на первой стороне пластины-подложки;
- монтаж полупроводниковой пластины-подложки на первую основу (122) обращенной к этой первой основе первой стороной пластины-подложки;
- утоньшение полупроводниковой пластины-подложки со второй стороны пластины-подложки, которая противоположна первой стороне пластины-подложки;
- формирование множества микрофлюидных структур (126) в полупроводниковой пластине-подложке со второй стороны пластины-подложки;
- разрезание пластины-подложки на кристаллы;
- монтаж второй основы (132) на полупроводниковую пластину-подложку на второй стороне пластины-подложки и обеспечение по меньшей мере одного отверстия (160, 594) во второй основе, сообщающегося с соответствующей микрофлюидной структурой;
- формирование, для каждого электронно-микрофлюидного устройства на пластине-подложке, подложечного сегмента (112, 114) Т-образного внутреннего контактного элемента (148, 150), причем этот подложечный сегмент соответствует вертикальной черте Т и соединяется с электронной схемой соответствующего электронно-микрофлюидного устройства;
- формирование надрезов (136, 138) в первой основе (122) и полупроводниковой пластине-подложке (106) с заданием таким образом наклонных боковых поверхностей для каждого электронно-микрофлюидного устройства;
- формирование выводов (144, 146) на наклонных боковых поверхностях с завершением таким образом бокового сегмента (152, 154) Т-образного внутреннего контактного элемента, соответствующего горизонтальной черте Т; и
- формирование внешних контактных элементов для электрического контакта с внешним устройством.

13. Способ по п.12, в котором этап монтажа второй основы содержит этапы:
- нанесение на вторую основу клеевого слоя (334) бензоциклобутена (БЦБ);
- монтаж второй основы (332) на второй стороне пластины-подложки с образованием таким образом многослойной подложки;
- отверждение слоя (334) БЦБ путем первоначального нагрева многослойной подложки до температуры между 170°С и менее 200°С и последующего нагрева многослойной подложки до температуры 200°С.

14. Способ по п.12, в котором этап формирования выводов (354) на наклонных боковых поверхностях содержит формирование бокового сегмента (390) Т-образного внутреннего контактного элемента прилегающим к полупроводниковой подложке (306) и при этом вместе с этапом формирования множества микрофлюидных структур проводят этап формирования первой электроизоляционной канавки (383) для изолирования бокового сегмента (390) Т-образного внутреннего контактного элемента от частей полупроводниковой подложки.

15. Способ по п.12, в котором этап монтажа полупроводниковой пластины-подложки на первую основу содержит
- формирование полимерного слоя (708) на пластине-подложке;
- формирование отслаиваемого слоя (706) на полимерном слое;
- монтаж временной основы (702) на отслаиваемом слое;
и при этом временную основу отслаивают в ходе последующей обработки путем удаления отслаиваемого слоя.