CN101544350A - 一种用于聚合物微流控芯片微通道超声波键合的微结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚合物微流控芯片微通道超声波键合的微结构，属于聚合物MEMS制造领域，用于聚合物微流控芯片微通道的封接。其特征是该微结构由微导能结构和微通道组成，键合过程发生的界面为与微导能结构直接接触的平面，通过微导能结构在超声波键合过程中受热软化润湿将上下片粘接在一起，整个键合过程不产生导能结构熔融物质的流延。本发明的有效效果是解决了其它方式在键合微流控芯片的过程中，由于热影响区域大，导致芯片微通道易发生形变或熔融液体流延易于造成微通道的堵塞，或者对不带有导能结构的芯片直接进行大面的键合时，产生的能量不能集中无法实现联接和密封等问题，提高了聚合物微流控芯片超声波键合的键合质量。

Description

一种用于聚合物微流控芯片微通道超声波键合的微结构

技术领域

本发明属于聚合物MEMS制造领域—聚合物MEMS的封接。涉及一种新的聚合物微流控芯片微通道超声波键合的微结构，用于实现对聚合物微流控芯片微通道的封接。

背景技术

微流控分析芯片是通过微细加工技术将微管道、微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测元件、窗口和连接器等功能器件集成在芯片上的微全分析系统。目前，聚合物微流控芯片在生化分析、药物筛选、疾病检测等方面获得了广泛的应用。微流控芯片的键合封装技术是其制造中的关键环节，是目前的瓶颈问题之一，严重阻碍了微流控芯片的产业化进程。

已有聚合物微流控芯片的键合技术存在着各种各样的缺陷，例如：热键合需要时间较长，对微通道形状有较大影响；而激光和微波键合要求键合区材料有吸收激光和微波的性质而其它部分材料要对激光或微波具有可透性，因此对材料具有很高的选择性；胶粘接和溶剂键合因为引入外来物质会造成化学兼容性和生物适应性等方面的问题。超声波键合微流控芯片就具有很大的优势，它键合时间短，无需中间介质、强度较高且能适用于几乎所有的热塑性聚合物，因此超声波键合微流控芯片可以大大提高生产效率，节约成本，提高键合质量，具有很大的应用和市场前景。

在已有的超声波塑料焊接过程中，在压力作用下，声波的机械振动传递到待焊接塑料的界面上上，使界面分子间摩擦和材料粘弹性产生热量，导致结合部位材料温度升高，然后使材料熔融后连接到一起。导能结构在焊接过程中起到能量集中和能量导向作用，在焊接过程中主要是通过导能结构的熔融流动后在结合界面间形成一层熔融连接层来实现对塑料器件的连接。

目前，研究超声波塑料焊接的国内外学者大都把精力放在器件尺度较大的超声波塑料焊接上，通过导能结构的熔融过程实现塑料的连接，而当把超声波焊接技术用于微流控芯片的连接时，传统的熔融连接方法就有着较大的局限性，因为导能结构的熔融流动会对微流控芯片的微通道产生不利影响。比如，如果要靠导能结构的熔融流延去实现对微通道的密封，则必须要求其流延端面到通道边缘时就必须停止流延，流过了会堵塞通道，流不到则不能实现对通道的良好密封，由于熔融流动的复杂性，使得这个过程很难控制。而在对不带导能结构的塑料器件进行焊接时则不能产生很好的能量集中，不能使局部温度升高实现联接的目的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种聚合物微流控芯片微通道的超声波键合的新的微结构及其键合方法，用于实现对聚合物微流控芯片微通道的密封连接，避免堵塞微通道。

本发明的技术方案是微流控芯片微通道超声波键合新的微结构，该微结构包括导能结构和微通道，导能结构要通过和微流控芯片的微通道直接接触形成连接键合界面，也可以和微流控芯片微通道制作在同一个器件上，然后再通过与另一基片的配合，在与微导能结构接触的平面形成键合界面，而且该微结构的导能结构和微流控芯片的微通道具有相同的形状，导能结构和微通道进行对准安装后导能结构能够覆盖在微通道的周围。本发明提出的这种微结构在用于聚合物微流控芯片微通道的超声波键合时，既存在导能结构能起到能量集中和能量导向作用，使键合界面处材料软化、润湿而粘接在一起，使微通道能密封连接，又通过合理的参数控制不产生熔融物质的流延而堵塞微通道。

本发明的效果和益处是能较好的解决已有的超声波塑料焊接方式在用于聚合物微流控芯片微通道的键合时，由于靠导能结构熔融流延后在键合界面形成一层熔融连接层来实现连接，易于造成堵塞微通道或流延不到通道边缘而不能密封通道，或者对不带导能结构的器件直接进行大面键合时，由于能量不集中等而带来的键合质量问题。

附图说明

图1是带有导能结构的聚合物基片结构示意图。

图2是带有微通道的聚合物芯片示意图。

图3是将导能结构和微通道制作在一体示意图。

图4(A)是分开式导能结构和微流控芯片配合示意图。

图4(B)是一体式导能结构和微流控芯片配合示意图。

图5是分开式键合结构截面图。

图6是一体式键合结构截面图。

图7是键合芯片装配后示意图。

图中：1导能结构；2微通道；3(微通道和导能结构)一体式结构；4焊头；5焊机底座。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

步骤一：微结构设计

导能结构1和微流控芯片微通道2可制作在不同的基片上也可制作在同一基片上，但它们必须有相同的形状，满足在空间分布上导能结构1表面和微通道2直接接触，接触表面即是键合界面，制作在不同的片上时则在导能结构1和盖片的接触表面处形成键合界面，此外，导能结构1和微通道2要保证对准以使导能结构1分布在微通道2的周围，保证通道的密封性，如附图1、2、3所示。

步骤二：微结构的制作

由于导能结构1和微流控芯片的微通道2尺寸都比较小，微通道2尺寸在微米级或微米级以下水平，导能结构1尺寸也在微米级或毫米级水平，因此要通过热压，注塑和精密机械加工的方法制成，结构截面图如附图5、6所示。

步骤三：定位夹持调平

将待键合的微流控芯片放置在超声波键合机底座5和焊头4的中间，然后对要进行键合的器件进行定位夹紧，防止键合过程中的跳动，再通过焊机调平结构实现器件表面和焊头4的平行。夹持时要保证上下片的对准，如附图4(A)、附图4(B)所示。

步骤四：超声键合

如附图7所示，随着焊头4下降到接触芯片至接触压力到达触发压力后发出超声，键合过程开始。本过程开始前要设置键合工艺参数，使键合压力、保持压力、振幅、键合时间、保压时间、触发压力等在合适的范围内，因为合适的键合参数能够控制住键合界面的物质不发生熔融流延，则不会产生熔融物质流进而堵塞微通道2，使聚合物微流控芯片实现成功键合。这里选用超声键合时间为0.8S，键合压力300N，保持压力200N，振幅24μm，保压时间5S，触发压力250N。

Claims (2)

1.一种聚合物微流控芯片微通道超声波键合的微结构，其特征在于，该微结构的导能结构(1)和微流控芯片的微通道(2)直接接触形成键合界面，或将微流控芯片的微通道(2)与导能结构(1)制作在同一器件上，然后再通过与另一基片的配合，在与微导能结构(1)接触的平面处形成键合界面；导能结构(1)和微通道(2)进行对准装配或导能结构(1)和微通道(2)制作在一体上时，导能结构(1)分布在微通道(2)的两侧。

2.权利要求1所述微结构的键合方法，其特征在于：在用这种微结构进行键合的整个过程中，通过参数控制在如下范围：振幅15～40μm，键合时间0.1～5s，键合压力100～680N，保持压力100～600N，触发压力44～650N，保压时间1～15s，能够有效避免导能结构(1)键合界面处聚合物材料的熔融流延，防止堵塞微沟道(2)，导能结构(1)键合界面在超声振动和压力作用下受热软化、润湿而粘接在一起，使微通道两侧实现密封连接。

Images