制造小型化的容积装置的方法.pdf

本发明涉及一种制造小型化的异构容积装置的方法，所述装置包括集成到支撑基体内的至少一个元件和它的连接。所述基体通过直写式沉积技术形成，该沉积技术包括选择性地沉积连续的流体形式的材料层。

权利要求书
1.  一种制造小型化的异构容积装置的方法，所述装置包括集成到支撑基体(30，34，36)内的至少一个元件(19，20)和它的连接(10，11，12，13，14，15，16，17，21，22，23，24，25，26)，其特征在于，所述基体(30，34，36)通过直写式沉积技术形成，该沉积技术包括选择性地沉积连续的流体形式的材料层。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在制造过程中，所述元件(19，20)通过使用标准组装技术集成到所述基体(30，34，36)中的没有材料的并且专为此目的预留的位置(32，33)。

3.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述元件通过所述沉积技术直接地在所述基体(30，34，36)中形成。

4.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过使用所述沉积技术沉积牺牲物质的步骤，然后采用移除所述牺牲物质的步骤，在所述基体(30，34，36)中形成所述元件。

5.  根据权利要求1至4中任一所述的方法，其特征在于，所述连接通过使用标准组装技术在制造过程中集成到所述基体(30，34，36)中的没有材料的并且专为此目的预留的位置。

6.  根据权利要求1至4中任一所述的方法，其特征在于，所述连接(10，11，12，15，16，17，21，22，23，26)通过所述沉积技术形成于所述基体(30，34，36)中。

7.  根据权利要求1至4中任一所述的方法，其特征在于，通过使用所述沉积技术沉积牺牲物质的步骤，然后采用移除所述牺牲物质的步骤，在所述基体(30，34，36)中形成所述连接(13，14，24，25)。

8.  根据权利要求1至7中任一所述的方法，其特征在于，构成所述基体(30，34，36)的材料是绝缘聚合物。

9.  根据权利要求3或6所述的方法，其特征在于，构成所述连接(11，12，15，16，17，21，22，23)或所述元件的材料是导电聚合物。

10.  根据权利要求3或6所述的方法，其特征在于，构成所述连接(11，12，15，16，17，21，22，23)或所述元件的材料是导电墨。

11.  根据权利要求3或6所述的方法，其特征在于，构成所述连接(10，26)或所述元件的材料是光学聚合物。

12.  根据权利要求4或7所述的方法，其特征在于，所述牺牲物质是聚碳酸酯。

13.  根据权利要求1至12中任一所述的方法，其特征在于，所述沉积技术是喷墨印刷。

14.  根据权利要求1至12中任一所述的方法，其特征在于，所述沉积技术是蒸发固体材料的激光印刷。

15.  根据权利要求1至12中任一所述的方法，其特征在于，所述沉积技术是微型分配。

16.  根据权利要求1至15中任一所述的方法，其特征在于，所述材料被沉积在覆盖有一层牺牲物质(28)的基片载体(27)上，该牺牲物质的移除可使所述装置与所述基片(27)分离。

17.  一种异构容积装置，包括集成到支撑基体(30，34，36)内的至少一个元件(19，20)和至少一个连接(10，11，12，13，14，15，16，17，21，22，23，24，25，26)，其特征在于，所述基体(30，34，36)是整体式的。

18.  根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述支撑基体(30，34，36)是绝缘的聚合物。

19.  根据权利要求17和18中任一所述的方法，其特征在于，所述元件是电气元件。

20.  根据权利要求17和18中任一所述的方法，其特征在于，所述元件是光学元件。

21.  根据权利要求17和18中任一所述的方法，其特征在于，所述元件是流体元件。

22.  根据权利要求17至21中任一所述的方法，其特征在于，所述连接(10，12，15，16，17，21，22，23)是电连接。

23.  根据权利要求17至21中任一所述的方法，其特征在于，所述连接(10，26)是光连接。

24.  根据权利要求17至21中任一所述的方法，其特征在于，所述连接(13，14，24，25)是流体连接。

25.  根据权利要求17至24中任一所述的方法，其特征在于，所述装置包括由可生物相容的材料制成的外壳(18，29，31，35，37，38)。

说明书制造小型化的容积装置的方法
技术领域
本发明涉及微技术元件的组装领域。它尤其涉及一种制造小型化的容积装置的方法，该装置具有电学功能和/或光学功能和/或流体功能，也就是异构装置(heterogeneous device)。本发明还涉及由此而获得的装置。
背景技术
本发明尤其有利地适合于例如文件WO 03/035386中描述的用于化学或生物分析的装置的制造。这种小型化的异构装置被设计为单一或多种用途，例如用于医学诊断或植入人体内。
在微技术领域，大多数组装技术的目的是为了在一个或相同的基片上将最大可能数目的元件以最低的成本结合和互连，同时使其最终的整体尺寸最小化。
元件的致密化最初是平面内的致密化。当前，它已经逐渐变为空间内的致密化，即元件的堆叠。
一个方法包括在最初平的柔性基片上组装所述元件，接下来通过折叠，形成堆叠并获得大致平行六面体形状的模块。另一个方法包括堆叠具有金属化边缘的刚性基片，以在各种层之间获得连接，并接下来将它们层压起来，以形成整体式的组件。
然而，这些技术受到导电轨道的最小宽度(当前大约为100微米)的限制，这成为将装置进一步致密化的障碍。此外，基片的生产和元件的组装构成两个独立的操作，在供给和后勤(logistics)方面会导致很多问题。
最后，应当指出，这些方法不适于光学或流体元件，例如波导，光学显微分光计或微型流体通道的集成。然而，这些元件与电子元件结合起来已经越来越多地应用于复杂的异构装置中，并且尤其是医学和生物学的应用。
已经存在的制造这些异构装置的方法的一个例子是“PCB”方法。
如上述文件中描述的“PCB”制造方法，采用了印刷电路技术在便宜的基片上制造集成了光学或流体元件以及电子元件的复杂装置。然而，该技术是相对昂贵和复杂的，这是因为它涉及许多抗蚀剂(resist)或铜的沉积步骤，其中交替有需要特殊的专业知识和设备的光刻、蚀刻或钻孔步骤。
制造复杂装置的方法包括沉积聚合物层的技术和光刻法技术，还在US 6136212和US 6632400中已有描述。这些方法具有与PCB方法相同的缺点。
文件US 2002/079219描绘了一种微型流体装置，其包括具有通道和槽的基体。通过喷墨印刷的方法在所述基体中形成电气元件。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于制造异构容积装置的简单、紧凑和新颖的技术，同时还使用了喷墨印刷技术，完全不同于印刷电路技术中采用的方法。
更确切地，本发明涉及用于制造小型化的异构容积装置的方法，所述装置包括集成在支撑基体中的至少一个元件和它的连接。该方法的特征在于，所述基体由直写式沉积技术形成，包括以流体的形式选择性地沉积连续的材料层。
有利地，所述元件或所述连接可以：
-或者在制造过程中采用标准组装技术集成到所述基体中的没有材料的并且专为此目的而预留的位置上；
-或者通过所述沉积技术直接地沉积在所述基体内；
-或者通过使用所述沉积技术沉积牺牲物质的步骤，然后使用移除该物质的步骤，形成于所述基体内。
此处应当指出，通过蜡基喷墨印刷在基片上形成流体连接的方法已经在文件US 2004/0115861中描述了。然而，该方法不允许通过使用直写技术制造所讨论的容积装置的基体，而只能制造其微通道。
本发明还涉及包括集成于支撑基体内的至少一个元件和连接的异构容积装置。该装置的特征在于，所述基体是整体式的。
附图说明
通过下文中结合附图的描述，本发明的其他特征将变得更加清楚，其中：
图1示出了异构装置的透视图；
图2是位于基片载体上的异构装置的分层视图；和
图3是沿图1中的装置的AA线的横截面视图。
具体实施方式
图1中所示的异构装置例如是包括连接在一起的容积集成元件(volume-integrated component)和通过电学、光学和流体连接从表面可进入的装置。例如，这些元件可以是简单的元件，即电气元件或者光学元件或者流体元件，诸如电阻元件、光栅或用于混合流体的腔。它们还可以是复杂的元件，例如光电子类元件，诸如光调制器，或光学-流控-电子类元件，诸如光学显微分光计，或者流体-电子类元件。这些连接用于传递电或光信号或传递流体形式的材料，典型地是电轨道、透明部分或波导，或水平的或竖直的通道。
图1中示出了矩形的并且具有20mm×10mm典型尺寸的装置，在其上表面上具有光入口10、两个电连接11和12、和用于循环待分析的流体的流体入口13和流体出口14。它在下表面上还包括三个电连接15，16和17。如果该装置用于植入人体，它将被封装在由人体组织良好接受的生物相容的材料制成的壳体18中。
图2中所示的该装置的分层视图可更好地理解其结构和生产过程。在该装置内的容积中包括两个元件19，20以及它们的连接，这些不同的元件被集成在用作三维基片的一体式(one-piece)支撑基体内。元件19是光电型元件，它的连接是光电型连接。元件20是光学-流控-电子元件，其连接是光、电和流体类型的连接。
在该容积之内，三条导电轨道21，22和23，两条流体通道24和25和波导26用于将这些元件互连。此外这些不同的元件还通过两个上部电触点11和12、三个下部电触点15，16和17、和两条流体连接13和14和光连接10连接到外侧。
电轨道21和22分别将元件19连接到下部电触点15和16。电轨道23以相同的方式将元件20连接到下部电触点17。上部电触点11和12连接元件19。光入口10在元件19和外侧之间提供光链接，同时流体入口13和出口14分别连接到流体通道24和25。后者与元件20接触并使待分析的流体流过该元件。最后，波导26用作元件19和20之间的光链接，元件20非直接地连接到光入口10。
用于制造该容积异构装置的技术是一种添加型技术。一方面，它包括在有用的点上沉积一定量的选定材料，从而形成固体区域，例如基体、波导或电轨道，另一方面，它包括沉积在随后的步骤中移除的牺牲材料，以形成空的区域，例如所述流体通道。
例如，直接印刷或写入式的各种沉积方法是，在WO 02/47447A1中描述的喷墨印刷，微型分配(micro-dispensing)和激光印刷，也就是通常公知的激光直写技术。
喷墨印刷包括将待沉积的材料的微滴，以可控制的方式和很高的精确度，用具有非常小的直径(小于50微米)的喷口喷射到基片上。具有几个头部或多个头部的系统用于分配各种材料。微型分配利用在基片附近运动的微量吸液管或毛细管，从而以流体的形式沉积材料。最后，激光直写可将待沉积的基片区域内的固体汽化。
所用的材料可以是用于绝缘部分的聚酰亚胺(polyimides)，用于导电部分的导电聚合物或导电墨，用于波导的具有光学性能的聚合物，和用于微流体通道的牺牲材料。
所述材料是通过在具有牺牲层的基片载体上连续地经过而沉积的，在该过程的结束时，所述牺牲层的消除将允许将所述装置从基片上分离。这些层典型地具有1至500微米的厚度，并且彼此叠置，从而产生所述装置的容积。存在于所述装置中的各种元件可通过直写技术直接地制造或使用标准组装方法在沉积过程中集成到该装置中。
图2中所示的异构装置的分层视图示出了制造这种装置的顺序的一个例子。
图2A
第一制造步骤包括提供覆盖有牺牲层28例如铝层的基片载体27。所述基片例如可以是直径20cm的圆形硅片或玻璃板，在该基片上同时地制造各种设置。
图2B
具有约20微米厚度的层29由可生物相容的聚合物制成，用于形成装置的壳体18。层29和三个电触点15，16和17通过直写沉积在所述牺牲层28上。导电聚合物或导电墨可用于制造所述电触点。
图2C
第三步骤包括通过直写技术沉积导电轨道21，22和23，以及在支撑基体内形成流体通道24和25。为此，聚酰亚胺支撑基体层30通过直写技术与导电轨道21，22和23同时沉积。在水平空间内没有材料的流体通道24和25通过在它们的位置上沉积牺牲材料而形成。该材料可在随后的制造过程中移除。用于形成装置的壳体18由可生物相容的聚合物制成的层31也沉积在所述支撑基体层30周围，覆盖50至100微米的宽度。
图2D
形成用于接收元件19和20的位置32和33，并且开始建立流体连接13和14。为此，具有与元件19和20相应的厚度即100至500微米的支撑基体层34，通过直写沉积在除预留给所述元件的位置32和33之外的整个表面上。牺牲聚合物类似地沉积在形成流体通道24和25的两个圆形空间内，从而形成流体连接13和14。和在前述步骤中一样，用于形成装置的壳体的由可生物相容的聚合物制成的层35沉积在支撑层34周围，覆盖50至100微米的厚宽度。
图2E
元件19和20通过使用标准组装技术放置在开口32和33中。
图2F
支撑基体层36通过直写技术与电触点11和12、波导26和光入口10同时沉积。后面的两个连接由具有光学性能的聚合物制成，其折射率与支撑基体的折射率不同。牺牲聚合物沉积在流体连接13和14的位置上。如上所述，由可生物相容的聚合物制成的层37沉积在支撑层36周围。
在制造该装置的这一点，需要移除所述牺牲材料典型地为聚丙烯碳酸盐(PPC)或聚乙烯碳酸盐(PEC)，以形成流体通道24和25以及流体连接13和14。该材料通常通过热解作用移除，实现完全的热分解而无任何残余。在所述牺牲材料完全消失之后，所述流体通道和连接以支撑基体中的腾空空间的形式出现。
图2G
在第七步骤中，具有约20微米厚度的、由可生物相容的聚合物制成的、用于形成所述装置的壳体18的层38通过直写技术沉积。只有用于流体连接回13和14，光连接10和电触点11和12的位置被留下，未沉积材料。
最后，最终的操作包括移除所述牺牲层28，从而将所述装置从其机械支撑27上分离。该操作例如通过阳极溶解所述铝来实现。
图3示出了最终获得的一体式装置的横截面。
所呈现的制造顺序产生了通过直写技术制造的图1和2中所示的异构装置的一个实施例。在该实施例中，所述连接，例如电轨道、流体通道、波导或光入口直接在基体内通过直写技术制造。然而，可以想到，也可使用附加的元件，以形成这些连接以及通过标准组装方法将它们集成到基体内部。所述电连接可以是简单的金属片、流体通道空心管、透明材料或具有特定折射率的材料制成的光连接元件。
通过相同的方式，在所给出的实施例中，集成到所述装置中的元件19和20是通过标准组装方法设置到基体中的复杂元件，不能采用直写来形成。然而，可以通过采用直写技术在基体中形成简单的元件，例如电阻元件、光栅或流体腔，或者甚至是基于聚合物材料的集成电路类型的更复杂的元件。
因此，集成到基体中并形成所述一体式装置的有效部分的大多数元件可通过直写技术制造或通过标准组装方法设置于基体内。
因此提出了一种用于制造一体式紧凑的包括基体和各种元件的异构装置的方法，由于使用了直写沉积技术而使以下成为可能：
-形成三维的一体式基体，该基体向所述装置提供刚性并保护所述元件；
-将电和/或光学和/或流体元件集成到该基体中；
-通过基体内的光学的、流体的或电的连接的集成，将这些各种元件连接在一起或连接到外侧。
由于本技术还可以完全省去PCB技术中不可缺少的沉积/掩模/蚀刻工序，因此本发明的技术是特别有利的。