ES2234861T3 - Cabeza de inyeccion y dosificacion termica, su procedimiento de fabricacion y sistema de funcionalizacion o direccionamiento que la comprende. - Google Patents

Abstract

Cabeza de inyección y de dosificación, que comprende al menos un dispositivo de inyección y de dosificación térmica para proporcionar una cantidad determinada de líquido, comprendiendo el citado dispositivo: un substrato plano ahuecado (21) que forma el depósito de líquido, y que está recubierto, por orden, por una membrana aislante dieléctrica (22, 23) no sometida a tensión, de resistencia térmica elevada, y a continuación por una capa semiconductora grabada que forma resistencia de calentamiento (25); estando la citada membrana y la citada capa semiconductora atravesadas por un orificio (24) en comunicación de fluido con el citado depósito de líquido; una capa de resina fotolitografiada, en forma de boquilla (27) sobre la citada membrana, situándose el canal (28) de la citada boquilla en la prolongación de dicho orificio, y permitiendo el volumen de dicho canal controlar la cantidad determinada de líquido que se ha de suministrar.

Description

Cabeza de inyección y dosificación térmica, su procedimiento de fabricación y sistema de funcionalización o direccionamiento que la comprende.

La invención se refiere a una cabeza de inyección y de dosificación térmica, y de manera más precisa a una cabeza de inyección y de dosificación térmica que comprende al menos un dispositivo de inyección y de dosificación térmico de boquilla para suministrar, entregar, una cantidad determinada de líquido.

La invención se refiere, además, a un procedimiento de fabricación de una cabeza de ese tipo.

La invención trata, por último, de un sistema de funcionalización o direccionamiento, que comprende una cabeza de este tipo, en particular, para micro-reactores biológicos o químicos.

La invención se sitúa, de manera general, en el sector de los dispositivos que permiten depositar sobre un substrato o aportar, inyectar, en microdepósitos, una pluralidad de microgotas de líquido de volumen determinado.

Tales gotas de líquido pueden ser, por ejemplo, soluciones de ADN o de reactivos de inmunología, que forman así hileras o matrices miniaturizadas de gotas o de depósitos de análisis, que se utilizan, en particular, en análisis médicos.

Se conoce, en efecto, que las biopulgas, por ejemplo, son dispositivos que permiten realizar un número muy grande de bioanálisis en paralelo. El principio consiste en realizar, bajo una forma miniaturizada, matrices de microdepósitos de análisis.

Cada punto de ensayo es específico, y resulta de la mezcla o de la asociación de elementos químicos y bioquímicos precisos. Estas mezclas o asociaciones pueden ser realizadas por diversos procedimientos que pueden ser, no obstante, clasificados en dos grandes categorías.

En la primera categoría de estos procedimientos, denominados de funcionalización de biopulgas, se aplican uno a uno los constituyentes, y se controlan las reacciones mediante direccionamiento sobre los microdepósitos enfocadas a una acción que facilite o inhiba la reacción.

En la segunda categoría de procedimientos de funcionalización de las biopulgas, se aportan mecánicamente, punto por punto, los constituyentes específicos sobre el microdepósito previsto; esta última categoría se aproxima al campo de la invención.

Los procedimientos de funcionalización de biopulgas se dividen entre, por una parte, los procedimientos denominados in situ, y por otra parte, los procedimientos denominados ex situ.

El principal procedimiento de síntesis in situ, es decir, en el que la síntesis, por ejemplo, de la hebra de ADN se realiza directamente sobre la pulga, sobre soporte sólido, es el de AFFIMETRIX®. Este procedimiento se basa en la síntesis in situ, es decir, directamente sobre la pulga, de oligonucleótidos, por ejemplo de hebras de ADN, con métodos que recurren a la fotolitografía. Las superficies de las unidades de hibridación (UH), modificadas por un grupo protector fotolábil, son iluminadas a través de una máscara fotolitográfica. Las UH así expuestas a la radiación luminosa, son selectivamente desprotegidas y pueden ser así acopladas a continuación al ácido nucleico siguiente. Los ciclos de desprotección y acoplamiento son repetidos hasta que se ha obtenido el conjunto de oligonucleótidos que se desee.

Otros procedimientos EX SITU han sido ya experimentados con la utilización de las capacidades microelectrónicas del silicio. La pulga comprende varios electrodos microelectrónicos de platino, dispuestos en el fondo de cubetas mecanizadas en el silicio y direccionadas individualmente. Las sondas, tales como los oligonucleótidos o las hebras de ADN, están acopladas a un grupo pirrol y son dirigidas por un campo eléctrico sobre el electrodo activado, donde se efectúa la copolimerización en presencia de pirrol libre, obteniéndose así un enganche electroquímico de las sondas.

A la vista de cuanto antecede, parece que los procedimientos de síntesis in situ, tales como el AFFIMETRIX®, permiten alcanzar densidades elevadas de unidades de hibridación, y utilizan técnicas perfectamente controladas, compatibles con soportes de silicio. Sus principales inconvenientes son el elevado coste, que excluye su utilización por pequeñas entidades, como los laboratorios de investigación o de análisis médicos, y el hecho de que el bajo rendimiento de la reacción de fotodetección implica demasiada redundancia en las secuencias presentes en la pulga.

La realización es relativamente lenta debido, en particular, a las máscaras fotolíticas, y está así adaptada sobre todo a objetivos seleccionados, con volúmenes de utilización importantes.

En los procedimientos denominados ex situ, es decir, en los que la síntesis de la hebra de ADN se realiza ex situ, cada secuencia debe ser pre-sintetizada independientemente de las demás, y después trasladada al soporte. El procedimiento es largo y excluye la realización de un número grande de secuencias diferentes sobre una misma pulga. Las pulgas así realizadas serán por tanto pulgas con densidades bajas.

La segunda categoría de procedimientos de direccionamiento, que se puede calificar de procedimientos de direccionamiento mecánico ya sean ex situ o in situ, está representada por numerosos procedimientos, actualmente comercializados, en los que micropipetas robotizadas, montadas en matrices y accionadas, por ejemplo, neumáticamente, permiten recoger los constituyentes (generalmente, una solución que contiene fragmentos de ADN o de oligonucleótidos), y los depositan en forma de dosis precisas, por ejemplo de microgotas, en los tubos de ensayo o en soportes miniaturizados. Se utilizan, en general, láminas de vidrio como soporte, o soportes estructurados que portan microcavidades grabadas en el material. Se puede depositar también sucesivamente cada una de las bases (A, G, C, T), en el orden deseado, sobre la lámina de vidrio.

Estas técnicas clásicas son utilizadas normalmente en matrices de 96 puntos, y pueden alcanzar incluso densidades más elevadas. El objetivo sería el de alcanzar, con estos procedimientos mecánicos, 10.000 puntos, o más, ya que el número de pruebas a realizar en paralelo es considerable. El número de puntos puede alcanzar actualmente los 8000 en una misma placa.

La realización de las matrices de microdepósitos, es un problema simple, fácilmente resoluble, mediante las tecnologías de la microelectrónica. Se pueden realizar:

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substratos simples que incluyen las matrices micro mecanizadas por vía química o mediante plasma. Las densidades del orden de 10.000 puntos/cm^{2} son habituales, pero son accesibles densidades de 100.000 puntos/cm^{2};

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substratos instrumentados por sistemas electrónicos o electromecánicos bien ilustrados por la pulga MICAM comercializada por la sociedad Cis-Bio®. Éste es el procedimiento (ex situ) ilustrado anteriormente en el primer caso.

El problema más difícil consiste, de hecho, en llegar a depositar los reactivos, las sondas o lo demás, específicamente en cada microdepósito. Se han utilizado varias técnicas para las tomas con pipeta: depósito por contacto capilar "pin and ring"; "chorro de tinta" piezoeléctrico continuo desviado, o "gota bajo petición", o incluso chorro de tinta térmico.

La técnica de las cabezas de impresora por chorro de tinta está muy propagada y es de una gran fiabilidad.

De manera general, una cabeza de impresora por chorro de tinta térmica, que juega por ejemplo el papel de microinyector dosificador térmico, responde al principio de funcionamiento que se describe a continuación.

El líquido que se debe eyectar está contenido en un depósito.

Una resistencia de calentamiento permite elevar, de forma muy local, la temperatura del depósito, y evaporar el líquido en contacto con la zona caliente. La burbuja de gas, así formada, crea una sobrepresión que eyecta una gota al exterior del depósito.

La Figura 1 realiza idealmente esta función.

Bajo el efecto de la presión y de las fuerzas de capilaridad, la boquilla (1) de radio r (6), se llena de líquido, procedente de un depósito (4). La boquilla está rodeada, a una profundidad L (2), por un sistema de aporte calorífico, por ejemplo una resistencia calefactora (5) que funciona por efecto Joule.

Bajo el efecto de la elevación de temperatura a nivel (3), y de la evaporación de las especies volátiles del líquido, la parte superior del líquido es eyectada formando una gota de dimensión v = \pi^{2}L, donde r es el radio (6) de la boquilla (1) y L es la altura de la columna de líquido correspondiente a la profundidad (2).

El funcionamiento se realiza de manera continua: permite la realización de una sucesión de gotas. También funciona por disparo a disparo. El control del radio interno de la boquilla y de su altura L, perite realizar gotas del orden del picolitro con densidades de inyección de 10^{5} a 10^{2}/cm^{2}. La densidad de los orificios es importante, puesto que no existe interacción térmica de un orificio al otro.

Existen tres tipos principales de dispositivo de cabeza de impresora de chorro de tinta térmica que aplican el principio descrito más arriba y que se ha ilustrado en la Figura 1.

El primero de estos dispositivos es el dispositivo denominado "EDGESHOOTER", en el que dos substratos, uno de silicio que soporta el elemento de calentamiento, y uno de vidrio, están asociados por medio de una película de pegado, y estructurados mediante fotolitografía. La eyección de las gotas se hace lateralmente, sobre la placa del dispositivo.

El segundo dispositivo, conocido como "SIDESHOOTER", cuya estructura incluye, de forma análoga al dispositivo anterior, un substrato de silicio y una película de pegado, pero que están recubiertos por una placa metálica sobre la que se han realizado las boquillas. La eyección de las gotas se realiza frente al elemento de calentamiento.

\newpage

El tercer dispositivo es el dispositivo conocido como "BACKSHOOTER", en el que la cabeza de impresión se ha realizado a partir de substratos de silicio orientados <110>.

Los canales, que llevan la tinta, se han realizado por grabado anisotrópico desde un lado del substrato, mientras que por el otro lado se han depositado las películas delgadas que permitirán la realización de la membrana que soporta el elemento de calentamiento y la electrónica. Las boquillas están situadas en el centro de la membrana, y los elementos de calentamiento están situados a ambos lados de la misma. Las resoluciones alcanzan 300 ppp (puntos por pulgada), unos 120 puntos por cm, y los 600 ppp, unos 240 puntos por cm.

En todos los casos, es decir, para los tres dispositivos, la cabeza de impresión está constituida por una sola línea que comprende únicamente una cincuentena de boquillas de 20 \mum x 30 \mum aproximadamente. La velocidad de las gotas de eyección varía de 10 a 15 m/s.

Tales dispositivos se encuentran descritos, por ejemplo, en los documentos PCT/DE 91/00364, EP-A-0 530 209, DE-A-42 14 554, DE-A-42 14555, y DE-A-42 14556.

Todos estos dispositivos de cabeza impresora de chorro de tinta térmica, en particular en su aplicación como cabeza a un microinyector dosificador térmico, tienen en común el inconveniente importante de presentar pérdidas térmicas importantes.

Por todo ello, no es posible realizar más que cabezas provistas de una sola y única línea de orificios y no de una matriz. Las densidades y las resoluciones resultan así completamente insuficientes.

Existe por tanto una necesidad de una cabeza de inyección y de dosificación que comprenda un dispositivo de inyección y de dosificación térmica que no presente, entre otros, este importante inconveniente.

Existe, por otra parte, una necesidad de una cabeza de inyección y de dosificación que permita alcanzar densidades y resoluciones al menos equivalentes a las obtenidas en los sistemas de direccionamiento o de síntesis in situ, tales como el AFFIMETRIX®, sin que presente los mismos inconvenientes. Ningún sistema de direccionamiento mecánico permite, en efecto, hasta ahora, obtener estas densidades y resoluciones.

El objeto de la presente invención es el de proporcionar una cabeza de eyección y de dosificación mediante un dispositivo de inyección y de dosificación térmica que responda, entre otros, al conjunto de necesidades indicadas más arriba.

El objeto de la presente invención consiste, por otra parte, en proporcionar una cabeza de inyección y de dosificación térmica que no presente los inconvenientes, limitaciones, defectos y desventajas de las cabezas de inyección y de dosificación de la técnica anterior, y que resuelva los problemas planteados por las cabezas de inyección y de dosificación de la técnica anterior.

Este objeto, y otros más, han sido alcanzados conforme a la invención, mediante una cabeza de inyección y de dosificación que comprende al menos un dispositivo de inyección y de dosificación térmica para proporcionar una cantidad determinada de líquido, comprendiendo el citado dispositivo:

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un substrato plano ahuecado que forma el depósito de líquido, y recubierto, por orden, por una membrana aislante dieléctrica no tensada, de resistencia térmica elevada, y a continuación por una capa semiconductora grabada que forma la resistencia de calentamiento;

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estando la citada membrana y dicha capa semiconductora, atravesadas por un orificio en comunicación de fluido con el citado depósito de líquido;

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una capa de resina fotolitografiada en forma de boquilla sobre la citada membrana, situándose el canal de la citada boquilla en la prolongación de dicho orificio, y permitiendo el volumen de dicho canal controlar la cantidad de líquido que se ha de suministrar.

Según la invención, el calentamiento se realiza sobre una membrana aislante dieléctrica, de resistencia térmica elevada y no tensada, dado que las pérdidas térmicas se ven considerablemente reducidas y, en consecuencia, será así posible realizar una cabeza que comprenda una matriz bidimensional de boquillas u orificios, y no ya solamente una simple línea o hilera.

En otras palabras, la estructura del dispositivo según la invención, que comprende tres capas sobre el substrato, lo cual no ha sido nunca mencionado en la técnica anterior, permite de manera sorprendente y óptima, que el calor generado no se difunda más que muy poco por la membrana cuya resistencia térmica es elevada, o bien muy elevada. Éste es uno de los inconvenientes más importantes de los dispositivos análogos de la técnica anterior, a saber, las pérdidas térmicas elevadas, que queda eliminado. En efecto, los dispositivos de inyección-dosificación de una cabeza pueden estar próximos y presentar una densidad considerablemente más importante que en la técnica anterior. Las cabezas según la invención pueden portar así matrices bidimensionales de boquillas u orificios de inyección-dosificación de gran densidad, por ejemplo de 10^{4}/cm^{2}.

Además, en el dispositivo de la invención, el volumen que se ha de entregar, suministrar, se determina fácilmente, y con gran precisión, mediante el volumen del canal de la boquilla que se realiza fácilmente con resina fotolitogra-
fiada.

La cabeza según la invención permite proporcionar con una gran fiabilidad, cantidades perfectamente definidas de líquido en puntos perfectamente definidos con una densidad de, por ejemplo, 10^{4} a 10^{5}/cm^{2}, jamás alcanzada hasta ahora con los dispositivos mecánicos del tipo de las de micropipetas térmicas.

La cantidad determinada de líquido a suministrar, a entregar, por medio del dispositivo, es por lo general de 1 hasta alrededor de 100 \mul; ésta es la razón por la que se utiliza generalmente el término "micropipeta".

El substrato es, por lo general, de silicio monocristalino, eventualmente dopado.

Ventajosamente, según la invención, la membrana aislante dieléctrica no tensada de resistencia térmica elevada, está constituida por un apilamiento de dos capas cuyos espesores son tales que la tensión (termo)mecánica del apilamiento es nula.

La membrana podrá estar así constituida por el apilamiento según el orden de una primera capa de SiO_{2} sobre el substrato, y después una segunda capa de SiN_{x}, siendo con preferencia x = 1, 2.

La capa semiconductora podrá ser, por ejemplo, de polisilicio o de silicio policristalino dopado. El elemento dopante podrá ser, ventajosamente, fósforo.

Es posible, además, prever una capa química y térmicamente aislante entre la capa semiconductora grabada que forma resistencia de calentamiento, y la capa de resina fotolitografiada en forma de boquilla.

Ventajosamente, la cabeza según la invención comprende varios de los citados dispositivos de inyección y de dosificación térmica.

Con preferencia, haciendo que todo esto sea posible en virtud de la estructura del dispositivo conforme a la invención, los citados dispositivos y, como consecuencia, los orificios o boquillas, están dispuestos en forma de matriz bidimensional.

Cuando la cabeza comprende varios dispositivos de inyección y de dosificación térmica, estos dispositivos pueden estar, por ejemplo, en una cantidad de 10^{2} a 10^{5} para una superficie de la cabeza de 10 mm^{2} a 1,5 cm^{2}.

Ventajosamente, la cabeza según la invención está formada integralmente a partir de un sólo substrato; una sola membrana aislante, una capa semiconductora y una capa de resina fotolitografiada.

La invención se refiere igualmente a un procedimiento de fabricación de una cabeza de inyección y de dosificación según la reivindicación 1, en la que se efectúan las siguientes etapa sucesivas:

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se realiza, sobre las dos caras de un substrato plano, una capa o membrana aislante dieléctrica, no tensada, de resistencia térmica elevada;

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se deposita sobre las capas aislantes dieléctricas, una capa semiconductora;

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se realiza un motivo de resina fotosensible sobre la capa semiconductora situada sobre la cara superior del substrato, y después se eliminan, mediante grabado, las zonas de la capa semiconductora no protegida por la resina, obteniéndose así un motivo de resistencia de calentamiento;

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se realiza eventualmente una capa química y térmicamente aislante sobre la cara superior del substrato;

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se realiza un orificio en la capa semiconductora, en la capa aislante dieléctrica no tensada de resistencia térmica elevada dispuesta sobre la cara superior del substrato, y eventualmente en la capa química y térmicamente aislante;

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se deposita una capa gruesa de resina fotosensible sobre la cara superior del substrato y se fotolitografía, para realizar una boquilla en la prolongación del orificio;

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se realizan aberturas en la capa aislante dieléctrica por la cara trasera del substrato, y

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se graban las zonas de la cara trasera del substrato no protegidas por la capa aislante dieléctrica, de manera que se crea un depósito para el líquido que se ha de eyectar, y para liberar la membrana.

El substrato podrá ser de silicio monocristalino, eventualmente dopado.

Ventajosamente, la membrana aislante dieléctrica se realiza dopando sucesivamente en el substrato dos capas que forman un apilamiento, siendo los espesores de las dos capas tales que la tensión (termo) mecánica del apilamiento sea nula.

La primera capa puede ser una capa de SiO_{2} y la segunda capa una capa de SiN_{x}.

La capa semiconductora es generalmente de polisilicio o silicio policristalino dopado, con preferencia con fósforo.

Las zonas de la capa semiconductora, no protegidas por la resina fotosensible, son eliminadas, con preferencia, mediante un procedimiento de grabación de plasma.

El motivo de resistencia de calentamiento tiene en general la forma de un cuadrado que rodea a la cabeza de eyección, pero puede tener cualquier otra geometría que permita una elevación localizada, pero suficiente, de temperatura.

La capa química y térmicamente aislante es, en general, una capa de óxido de silicio, del tipo "spin on glass" SOG.

El orificio o agujero de la capa química y térmicamente aislante eventual, de la capa semiconductora y de la capa aislante dieléctrica, puede ser realizado mediante un procedimiento de grabación química y/o de grabación con plasma según sea la capa.

Las aberturas de la capa aislante dieléctrica sobre la superficie trasera del substrato se realizan, con preferencia, mediante fotolitografía.

Las zonas no protegidas de la cara trasera del substrato son por lo general grabadas mediante un procedimiento químico, pero pueden ser grabadas mediante plasma.

La invención se refiere, por último, a un sistema de funcionalización o direccionamiento, en particular de micro-reactores químicos o bioquímicos, que comprende la cabeza de inyección y dosificación descrita en lo que antecede.

En dichos sistemas, el líquido dosificado, inyectado, es por ejemplo una solución de reactivos tales como las fosforamiditas, etc.

Un sistema de este tipo conforme a la invención, supera las dificultades mencionadas anteriormente para tales sistemas, tanto si son de tipo in situ como de tipo ex situ.

En particular, los sistemas conforme a la invención son tales que las cabezas comprenden matrices de dispositivo de inyección, y donde las boquillas presentan las ventajas siguientes:

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posibilidad de funcionalizar en paralelo un gran número de unidades de hibridación de pequeñas dimensiones (<100 \mum x 100 \mum);

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utilización de la vía química, y consiguiente mejora de los rendimientos de síntesis;

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flexibilidad del dispositivo que permite realizar las secuencias deseadas bajo petición, sin problema de umbral de rentabilidad, y

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bajo coste.

En la actualidad, la utilización de las biopulgas se limita a algunas grandes empresas. El sistema según la invención permite abrir esta utilización a todos los clientes potenciales.

Las cabezas y sistemas según la invención pueden, aparte de la genómica o de las biopulgas, encontrar también aplicación en la química combinatoria o en la formulación farmacéutica.

La invención va a ser descrita ahora, de manera detallada, en la descripción que sigue, dada a título ilustrativo y no limitativo, realizada con referencia a los dibujos anexos, en los que:

La Figura 1 es una vista esquemática en corte de un dispositivo teórico ideal de microinyector dosificador térmico;

La Figura 2 es una vista esquemática en corte de un microinyector dosificador térmico según la invención, y

Las Figuras 3 a 12 son vistas esquemáticas en corte que ilustran las diferentes etapas del procedimiento según la invención.

La estructura del microinyector dosificador térmico de la Figura 2 comprende, en primer lugar, un soporte (11) de silicio monocristalino; con preferencia, se trata de silicio monocristalino dopado con un elemento, de tal modo que la grabación química del silicio, en particular, en las soluciones básicas, resulte posible. El elemento dopante se elige así entre, por ejemplo, el boro y el fósforo.

En el soporte se encuentra una membrana constituida por una primera capa aislante de SiO_{2} (22) y por una segunda capa de SiN_{x} (23), siendo x = 1, 2. Los espesores relativos de cada una de estas capas aislantes están controlados de tal modo que exista poca, con preferencia nada, de tensión mecánica residual respecto al soporte de silicio monocristalino.

Además, el espesor de la capa de SiN_{x} es, con preferencia, tal que la tensión mecánica residual resultante del apilamiento de estas dos capas sea teóricamente nula. El espesor de la capa de SiO_{2} es en general de 0,8 a 1,6 \mum, mientras que el espesor de la capa de SiN_{x} es en general de 0,2 a 0,9 \mum.

En esta membrana se ha practicado un orificio (24) de pequeñas dimensiones. Este orificio es en general de forma circular, con un diámetro de, por ejemplo, 5 a 50 micras.

La membrana soporta una resistencia de calentamiento integrada (25), realizada en general con silicio policristalino fuertemente dopado, con el fin de que alcance una resistividad eléctrica tan baja como sea posible. El elemento dopante de este silicio policristalino será elegido, por ejemplo, entre el fósforo, el boro, a un contenido de 10^{19} a 10^{20} at/cm^{3}.

Una resistencia de calentamiento de este tipo, puede calentar localmente hasta temperaturas elevadas que pueden alcanzar varios cientos de grados, por ejemplo de 40 a 500ºC.

La resistencia de calentamiento está aislada térmicamente y químicamente, con preferencia, por una capa de óxido de silicio (26), por ejemplo, una capa de óxido de silicio, del tipo de "spin on glass" (depositada por rotación).

Una boquilla se traslada sobre la capa de óxido de silicio aislante, estando esta boquilla (27) realizada por lo general, en virtud del procedimiento de fabricación utilizado, con una resina fotosensible, tal como la resina SV8 (CIPEC®).

En el canal (28), la boquilla (27) prolonga el orificio realizado en la membrana y en la capa aislante, por ejemplo, de óxido de silicio.

El procedimiento de fabricación según la invención, incluye las etapas siguientes, las cuales han sido ilustradas en las Figuras 3 a 12:

1.

El substrato o soporte de boquilla (21), es una plaqueta de silicio pulimentada de doble cara, que tiene por ejemplo un espesor de 350 a 500 \mum y cuyas dimensiones son de 10 a 15 cm. Las dimensiones de la plaqueta permiten realizar de 50 a 1000 microinyectores dosificadores térmicos. Tal y como se ha indicado ya en lo que antecede, se trata de un soporte de silicio monocristalino, con preferencia dopado con un elemento, de tal modo que el grabado químico del silicio dopado, en particular, en soluciones básicas de tipo KOH o TMAH, resulte posible. El elemento dopante podrá ser elegido así entre el boro o el fósforo, con un contenido de, por ejemplo, 10^{16} a 10^{18} at/cm^{3}.

2.

Se realiza por las dos caras de la plaqueta, una capa (22) de óxido de silicio, con un espesor de, por ejemplo, 0,8 a 1,6 \mum (Figura 3).

La capa (22) de óxido se obtiene por oxidación directa en el silicio, generalmente a una temperatura de 1150ºC.

3.

Se deposita a continuación una capa de SiN_{x} (23) por las dos caras de la plaqueta (Figura 4). En la fórmula SiN_{x}, x representa un número real tal que x = 1, 2. El espesor de esta capa es tal que la tensión mecánica residual resultante del apilamiento de la capa de SiO_{2} y de la capa de SiN_{x}, sea teóricamente nula. Así, el espesor de la capa de SiN_{x} es, por lo general, de 0,2 a 0,9 \mum.

El depósito se realiza generalmente mediante una técnica de depósito en fase vapor.

Las capas de SiO_{2} y de SiN_{x}, presentes sobre la cara trasera de la plaqueta de silicio, servirán a los efectos del procedimiento de fabricación como capas de enmascaramiento, durante el grabado químico, para la liberación de la membrana.

4.

Una capa de polisilicio, o de silicio policristalino (25), se deposita a continuación asimismo sobre las dos caras de la plaqueta (Figura 5). El espesor de esta capa es generalmente de 0,5 a 1,5 \mum. El depósito se realiza generalmente por medio de una técnica de depósito en fase vapor.

Esta capa (25) se dopa a continuación, por ejemplo, mediante difusión de fósforo, con el fin de alcanzar una resistividad eléctrica tan baja como sea posible. El nivel del dopante, tal como el fósforo, de la capa de polisilicio (25), será así por lo general de 10^{19} a 10^{20} at/cm^{3}. La operación de dopado por difusión se realiza generalmente en las condiciones siguientes: T = 950ºC durante 25 mn.

5.

La capa de polisilicio depositada durante la etapa 4, se recubre con una resina fotosensible (29) según un motivo cuadrado, y según un espesor de, por ejemplo, 1 a 3 \mum. Esta resina fotosensible se elige, por ejemplo, entre las resinas CLARIANT.

El depósito de la resina fotosensible (29) se hace generalmente mediante una técnica de depósito por centrifugación.

La resina fotosensible (29) se graba selectivamente mediante una técnica de fotolitografía. Las zonas de polisilicio, no protegidas por la resina, son eliminadas por grabado de plasma.

El motivo así formado permite realizar una resistencia de calentamiento sensiblemente en forma de anillo (Figuras 6 y 7).

6.

La resistencia de polisilicio se recubre, por ejemplo con una capa de óxido de silicio, del tipo "spin on glass" (26), de un espesor comprendido en general entre 100 y 200 nm, con el fin de que sea protegida eléctrica y químicamente frente al medio exterior (Figura 8).

7.

Un orificio (24), que constituirá el orificio de eyección, se realiza en el centro de la resistencia de calentamiento por grabado químico, por ejemplo, en una solución de HF de óxido de silicio ("spin on glass"), y a continuación con grabado de plasma del SiN_{x} y de nuevo grabado químico por HF de la capa de óxido de silicio (Figura 9).

Este orificio (24) tiene en general forma circular, con un diámetro de 5 a 50 \mum.

8.

Una capa espesa de resina fotosensible (27) está asentada en la capa de óxido de silicio "spin on glass" (26). Por capa espesa se entiende, en general, un espesor de 1 \mum a 100 \mum.

La resina fotosensible es, en general, resina SV8 de CITEC (marca registrada), y la técnica de depósito es un depósito por centrifugación.

A continuación del depósito, la capa de resina se fotolitografía, con el fin de realizar los canales (28) de las boquillas que rodean al agujero u orificio de inyección (Figura 10).

9.

Se realizan aberturas (31) en las capas de SiO_{2} y de SiN_{x} presentes sobre la cara trasera, por medio de un procedimiento de fotolitografía, ya presentado más arriba (Figura 11).

10.

El grabado químico, por ejemplo, en una solución de KOH o de TMAH, de las zonas no protegidas por la doble capa de SiO_{2}/SiN_{x} permite, por una parte, excavar en el substrato de silicio, el depósito (32), el cual retendrá el líquido a inyectar, y por otra parte, liberar la membrana que soporta el dispositivo de calentamiento y la boquilla de eyección (Figura 12).

Claims (23)

1. Cabeza de inyección y de dosificación, que comprende al menos un dispositivo de inyección y de dosificación térmica para proporcionar una cantidad determinada de líquido, comprendiendo el citado dispositivo:

un substrato plano ahuecado (21) que forma el depósito de líquido, y que está recubierto, por orden, por una membrana aislante dieléctrica (22, 23) no sometida a tensión, de resistencia térmica elevada, y a continuación por una capa semiconductora grabada que forma resistencia de calentamiento (25);

estando la citada membrana y la citada capa semiconductora atravesadas por un orificio (24) en comunicación de fluido con el citado depósito de líquido;

una capa de resina fotolitografiada, en forma de boquilla (27) sobre la citada membrana, situándose el canal (28) de la citada boquilla en la prolongación de dicho orificio, y permitiendo el volumen de dicho canal controlar la cantidad determinada de líquido que se ha de suministrar.

2. Cabeza de inyección y de dosificación según la reivindicación 1, en la que la cantidad determinada de líquido es de 1 nl a 100 \mul.

3. Cabeza según una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, en la que el substrato es de silicio monocristalino, eventualmente dopado.

4. Cabeza según una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, en la que la membrana aislante dieléctrica no tensada, de resistencia térmica elevada, está constituida por un apilamiento de dos capas cuyos espesores son tales que la tensión (termo)mecánica del apilamiento es nula.

5. Cabeza según la reivindicación 4, en la que la membrana está constituida por el apilamiento, por orden, de una primera capa de SiO_{2} sobre el substrato, y a continuación una segunda capa de SiN_{x}, siendo con preferencia x = 1, 2.

6. Cabeza según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en la que la capa semiconductora es de polisilicio o de silicio policristalino dopado.

7. Cabeza según la reivindicación 6, en la que el polisilicio o el silicio policristalino está dopado con fósforo.

8. Cabeza según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en la que se ha previsto, además, una capa química y térmicamente aislante, entre la capa semiconductora grabada y la capa de resina fotolitografiada en forma de boquilla.

9. Cabeza según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, que comprende varios dispositivos de inyección y de dosificación térmica.

10. Cabeza según la reivindicación 9, en la que los citados dispositivos están dispuestos en forma de matriz bidimensional.

11. Cabeza según una cualquiera de las reivindicaciones 9 y 10, que comprende de 10^{2} a 10^{5} dispositivos de inyección.

12. Cabeza según una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, en la que la cabeza está formada integralmente a partir de un sólo substrato; de una sola membrana aislante, capa semiconductora, capa química y térmicamente aislante eventual, y capa de resina fotolitografiada.

13. Procedimiento de fabricación de una cabeza de inyección y de dosificación según la reivindicación 1, en el que se llevan a cabo las etapas sucesivas siguientes:

se realiza sobre las dos caras de un substrato plano, una capa o membrana aislante dieléctrica no tensada, de resistencia térmica elevada;

se deposita sobre las capas aislantes dieléctricas una capa semiconductora;

se realiza un motivo de resina fotosensible sobre la capa semiconductora situada sobre la cara superior del substrato, y a continuación se eliminan, mediante grabado, las zonas de la capa semiconductora no protegida por la resina, obteniéndose así un motivo de resistencia de calentamiento;

se realiza eventualmente una capa química y térmicamente aislante sobre la cara superior del substrato;

se realiza un orificio en la capa semiconductora, en la capa aislante dieléctrica no tensada de resistencia térmica elevada dispuesta sobre la cara superior del substrato, y eventualmente en la capa química y térmicamente aislante;

se deposita una capa gruesa de resina fotosensible sobre la cara superior del substrato y se fotolitografía para realizar una boquilla en la prolongación del orificio;

se realizan aberturas en la capa aislante dieléctrica sobre la cara trasera del substrato;

se graban las zonas de la cara trasera del substrato no protegidas por la capa aislante dieléctrica, con el fin de crear un depósito para el líquido que se ha de eyectar, y liberar la membrana.

14. Procedimiento según la reivindicación 13, en el que el substrato es de silicio monocristalino, eventualmente dopado.

15. Procedimiento según la reivindicación 13, en el que la membrana aislante dieléctrica se realiza dopando sucesivamente sobre el substrato dos capas que forman un apilamiento, siendo los espesores de las dos capas tales que la tensión (termo)mecánica del apilamiento sea nula.

16. Procedimiento según la reivindicación 15, en el que la primera capa del apilamiento es una capa de SiO_{2}, y la segunda capa es una capa de SiN_{x}.

17. Procedimiento según la reivindicación 13, en el que la capa semiconductora es de polisilicio o de silicio policristalino dopado.

18. Procedimiento según la reivindicación 13, en el que las zonas de la capa semiconductora, no protegidas por la resina fotosensible, son eliminadas mediante un procedimiento de grabado con plasma.

19. Procedimiento según la reivindicación 13, en el que el orificio realizado en la capa química y térmicamente aislante eventual, en la capa semiconductora y en la capa aislante dieléctrica, se realiza mediante un procedimiento de grabación química y/o de grabación de plasma según la capa.

20. Procedimiento según la reivindicación 13, en el que las aberturas de la capa aislante dieléctrica sobre la cara trasera del substrato se realizan por fotolitografía.

21. Procedimiento según la reivindicación 13, en el que las zonas no protegidas de la cara trasera del substrato son grabadas mediante un procedimiento químico.

22. Sistema de funcionalización o direccionamiento, en particular de micro-reactores químicos o bioquímicos, que comprende la cabeza de inyección y de dosificación según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12.

23. Utilización de la cabeza según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 o del sistema según la reivindicación 22, en las técnicas que hacen uso de biopulgas, en la genómica, la química combinatoria, o la formulación farmacéutica.