一种用于考察纳通道中热气泡特性的实验芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种用于考察纳通道中的热气泡特性的实验芯片及其制作方法。

背景技术

目前，对微尺度的热气泡行为已开展了很多相关实验研究。一些基于微尺度热气泡的微器件也应运而生。其中的一些产品，如热气泡打印机等，更是给人类带来了诸多便利。然而，目前虽然已有少量的理论研究工作提及了纳通道中的热气泡问题，但是，当通道的尺度下降到几十纳米甚至更小时，一方面，由于器件设计与加工工艺的复杂性，以及对加工精度的极高要求，制作可以产生纳米尺度热气泡的器件相当困难。另外，由于纳米通道中的气泡尺寸极小，产生时间极快，以当前的实验手段，即使是最先进的观测设备，也无法直接观察到纳米通道中的热气泡。这导致人们对纳米尺度的热气泡的特性知之甚少，以至于无法利用纳米尺度的热气泡制作更为精密的纳米器件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考察纳通道中热气泡特性的实验芯片，并提供了一种该实验芯片的制作方法，依靠本发明的实验芯片可以用来间接的研究纳通道中的热气泡特性，为制作基于纳尺度热气泡的纳传感器件提供技术支持。

一种考察纳通道中热气泡特性的实验芯片，包括第一储液池、第一微通道、加热装置、纳通道、第二微通道和第二储液池，其中第一储液池与第一微通道连接；第二微通道与第二储液池连接；加热装置设置在纳通道上用来加热纳通道；纳通道一端与第一微通道连接，另一端与第二微通道连接。

更进一步地，所述加热装置包括加热电极和与所述加热电极相连的加热线圈，所述加热线圈缠绕在所述纳通道上。

实验过程中，在芯片的第一储液池中加入一定浓度的电解液，电解液通过与第一储液池相通的第一微通道进入与第一微通道相连的纳通道，最后通过纳通道进入到第二微通道，最后通过第二微通道流入到第二储液池中。当电解液充满微通道及纳通道后，在加热电极上接入一定电压，利用加热线圈的电流热效应加热纳通道中的电解液。电解液加热后会在纳通道中出现热气泡时，气泡的出现会导致纳通道电阻的增大及纳通道两端电流的减小（情况与通道中有不导电的颗粒流过的情形类似），且电流减小的幅度与热气泡的大小亦相互对应。因此，通过考察纳通道中的电流随时间变化情况可以间接考察纳通道中的热气泡行为特性，电流的大小与纳通道受限气泡的大小成反比，同时，通道中热气泡的复杂变化趋势信息可以通过电流的变化趋势来间接地获得。

一种考察纳通道中热气泡特性的实验芯片的制作方法，包含如下步骤：

A) 取硅芯片，清洗；

B) 在硅芯片表面沉积一层数十纳米厚的多晶硅，其中沉积的多晶硅厚度即纳通道的高度；

C)在多晶硅表面旋涂一层PMMA光刻胶；

D)利用电子束在PMMA光刻胶表面上横跨硅芯片两端光刻去除一段PMMA光刻胶；

E)在PMMA光刻胶及裸露的多晶硅表面蒸发淀积一层数十纳米厚的金属Cr保护层；

F)溶解，剥离PMMA光刻胶，PMMA光刻胶表面的金属Cr保护层同时被剥离；

G)对多晶硅进行腐蚀，留下Cr保护层及其下部的多晶硅区域；

H) 腐蚀掉剩余的金属Cr保护层；

I）在硅芯片及多晶硅表面沉积一层二氧化硅；

J)在二氧化硅表面再次旋涂光刻胶；

K)在光刻胶层中心部位的多晶硅区域正上方利用电子束光刻去除小段光刻胶；

L)在光刻胶及裸露的小段二氧化硅表面蒸发淀积一层数十纳米厚度的金Au；

M)溶解剥离光刻胶，光刻胶表层的金Au同时被剥离，二氧化硅表面的小段数十纳米厚度的金Au即为芯片的加热电极和加热线圈；

N) 再次在二氧化硅表面旋涂光刻胶，在金Au两侧的光刻胶层上光刻出第一储液池图案及第一微通道图案、第二储液池图案及第二微通道图案，将第一储液池图案、第二储液池图案、第一微通道图案和第二微通道图案下的二氧化硅腐蚀到硅表面；

O)使用羟化四甲铵TMAH溶液完全腐蚀二氧化硅表面以下的多晶硅区域。

本发明的有益效果：利用本发明方法制做的实验芯片，通过检测纳通道两端的电流信号，依靠定量地考察电流变化情况可以间接考察纳通道热气泡的变化情况，有效地解决了目前的试验手段尚无法直接观察到纳米尺度热气泡的困境。

附图说明

以下结合附图对本发明作进一歩说明。

图1为本发明实验芯片总成示意图。

其中:1-第一储液池，2-第一微通道， 3-加热装置，4-纳通道，5-第二微通道，6-第二储液池。

图2为芯片的设计加工工艺示意图，其中图A至图O分别为加工工艺实施例中步骤A到步骤O对应的芯片制作工艺结构图。

具体实施方式

如图1所示，本发明采取的技术方案为：一种考察纳通道中热气泡特性的实验芯片，包括第一储液池1、第一微通道2、加热装置3、纳通道4、第二微通道5和第二储液池6，其中第一储液池1与第一微通道2连接；第二微通道5与第二储液池6连接；加热装置3包括加热电极和与所述加热电极相连的加热线圈，所述加热线圈缠绕在所述纳通道4上，利用加热线圈的电流热效应来加热纳通道4；纳通道4一端与第一微通道2连接，另一端与第二微通道5连接。实验过程中，在芯片的第一储液池1中加入一定浓度的电解液，电解液通过与第一储液池1相通的第一微通道2进入与第一微通道2相连的纳通道4，最后通过纳通道4进入到第二微通道5，最后通过第二微通道5流入到第二储液池6中。当电解液充满微通道及纳通道后，在加热电极上接入一定电压，利用加热线圈的电流热效应加热纳通道中的电解液。电解液加热后会在纳通道中出现热气泡时，气泡的出现会导致纳通道电阻的增大及纳通道两端电流的减小（情况与通道中有不导电的颗粒流过的情形类似），且电流减小的幅度与热气泡的大小亦相互对应。因此，通过考察纳通道中的电流随时间变化情况可以间接考察纳通道中的热气泡行为特性，电流的大小与纳通道受限气泡的大小成反比，同时，通道中热气泡的复杂变化趋势信息可以通过电流的变化趋势来间接地获得。

图2为实验芯片主体部分的制作工艺图。具体工艺流程如下：A) 取硅芯片，清洗；B) 在硅芯片表面沉积一层数十纳米厚的多晶硅（沉积的多晶硅厚度即纳通道的高度）；C)在多晶硅表面旋涂一层PMMA光刻胶；D) 利用电子束在PMMA光刻胶表面上横跨硅芯片两端光刻去除一段PMMA光刻胶；E)在PMMA光刻胶及部分多晶硅表面蒸发淀积一层数十纳米厚的金属Cr保护层；F)溶解，剥离PMMA光刻胶，PMMA光刻胶表面的金属Cr保护层同时被剥离；G)对多晶硅进行腐蚀，留下Cr保护层及其下部的多晶硅区域；H) 腐蚀掉剩余的金属Cr保护层；I）在硅芯片及多晶硅表面沉积一层二氧化硅；J)在二氧化硅表面再次旋涂光刻胶；K)在光刻胶层中心部位、多晶硅区域正上方利用电子束光刻去除小段光刻胶；L)在光刻胶及裸露的小段二氧化硅表面蒸发淀积一层数十纳米厚度的金Au；M)溶解剥离光刻胶，光刻胶表层的金Au同时被剥离，二氧化硅表面的小段数十纳米厚度的金（Au）即为芯片的加热装置（加热电极及加热线圈）；N) 再次在二氧化硅表面旋涂光刻胶，按照图1所示在金Au两侧的光刻胶层上分别光刻得到第一储液池及第一微通道的图案、第二储液池及第二微通道的图案，将第一储液池图案、第二储液池图案、第一微通道图案和第二微通道图案下的二氧化硅腐蚀到硅表面，形成的空穴即为图1中的第一储液池及第一微通道，第二储液池及第二微通道；O)使用羟化四甲铵(TMAH)溶液完全腐蚀二氧化硅表面以下的多晶硅区域，形成的空穴即为图1的纳通道。

通过上述系列微纳加工工艺，可以得到数十纳米高的纳通道以及用于储存液体的微通道区域，当给加热电极接上一定的电压信号后，可以有效地加热纳通道中的流体，当通道中存在热气泡时，将引起通道中电阻的变化，进而引起电流的变化。监测通道两端电流变化情况，便可间接而有效地考察纳尺度热气泡行为。