CN102276862A - 一种pmma芯片与pdms芯片的不可逆键合方法 - Google Patents

Abstract

一种PMMA芯片与PDMS芯片的不可逆键合方法，将PMMA芯片与PDMS芯片分开加工。利用反应离子刻蚀机的B室对PMMA芯片的键合面进行氧等离子体处理，用电晕放电仪对PDMS芯片的键合面进行处理，并合理控制处理参数。将处理后的PDMS芯片的键合面和PMMA芯片的键合面相互贴合并固紧，得到不可逆键合的芯片。本发明充分利用了PMMA和PDMS的优点，使PMMA芯片的键合面和PDMS芯片的键合面由亲水性变为疏水性，从而提高了键合成功率，增强了PMMA芯片与PDMS芯片的键合强度。

Description

一种PMMA芯片与PDMS芯片的不可逆键合方法

技术领域

本发明涉及一种聚甲基丙烯酸甲酯芯片与聚二甲基硅氧烷芯片的不可逆键合方法，属于微流控芯片领域。

背景技术

微流控芯片又称微流控芯片实验室，指的是在一块几平方厘米的芯片上构建的化学或生物实验室。它把化学和生物等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测，细胞培养、分选、裂解等基本操作单元集成到一块很小的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以实现常规化学或生物实验室的各种功能。

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)又称有机玻璃，是一种重要的高分子材料，它是一种无定型聚合物，透光率很高，能透过普通光线的90％～92％，紫外线73％～76％(普通无机玻璃只能透过0.6％)；除醇、烷烃之外，可溶于其他许多有机溶剂；介电性能和机械性能良好，耐冲击，不易破碎，在低温下冲击强度变化很小。

聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一种具有弹性的高分子聚合物，通常它是由PDMS预聚体和固化剂按照一定的体积比(质量比)混合并聚合而成。PDMS具有非常理想的材料特性：良好的绝缘性，能承受高压，热稳定性高，适合加工各种生化反应芯片，具有很高的生物兼容性和气体通透性，可以用于细胞培养；弹性模量低，适合制作多种微流控芯片。

目前，PMMA微流控芯片的制作流程主要采用热模压法制作基片和盖片，并将基片和盖片键合形成具有封闭通道的芯片。然而这种方法将芯片的成型与键合工艺分开，自动化程度低，芯片制作周期长，键合强度较差，严重阻碍了微流控芯片的大批量、低成本制造。

发明内容

为克服现有技术中存在的不足，本发明提出了一种PMMA芯片与PDMS芯片的不可逆键合方法。

本发明的具体过程包括以下步骤：

步骤1：选择PMMA芯片平整表面作为键合面；将PMMA芯片置于分析纯的异丙醇中，对PMMA芯片的键合面用超声波清洗5～10分钟后吹干。

步骤2：选择PDMS芯片平整表面作为键合面；将PDMS芯片置于分析纯的异丙醇中，对PDMS芯片的键合面用超声波清洗5～10分钟后吹干。

步骤3：用反应离子刻蚀机的B室对PMMA芯片的键合面进行氧等离子体处理20～60秒，其中反应离子刻蚀机的氧气流量为50～100sccm，反应离子刻蚀机的功率为200w，反应腔的压力为10～20Pa。

步骤4：将经步骤3处理后的PMMA芯片置于浓度为5％，温度为65～85度的氨丙基三乙氧基硅烷中浸泡1～2分钟后吹干。

步骤5：将经步骤4处理后的PMMA芯片置于30～55度的烘箱中烘烤10～30分钟。

步骤6：用电晕放电仪对PDMS芯片的键合面进行处理，处理时间为20～60秒；用电晕放电仪对PMMA芯片的键合面进行处理，处理时间为25～70秒。

步骤7：将PDMS芯片的键合面和PMMA芯片的键合面相互贴合并固紧，得到不可逆键合的芯片。

本发明基于的原理是，PMMA芯片在氧等离子体环境中处理后，便在PMMA芯片的键合面形成一层自装配层；氨丙基三乙氧基硅烷和电晕放电仪处理PMMA芯片后，PMMA芯片键合面的Si-OH和Si-O键被打开，电晕放电仪处理PDMS芯片键合面后，PDMS芯片键合面的OH键被打开，根据键的组合原则，PDMS芯片键合面的共价键与PMMA芯片键合面的共价键组合，完成键合。

本发明通过使用PMMA芯片与PDMS芯片分开加工的方法，充分利用了PMMA和PDMS的优点，取得了工艺简单，成品率高的有益效果。PMMA芯片的键合面通过氧等离子体和电晕放电仪处理后，PMMA芯片的键合面由亲水性变为疏水性，PDMS芯片的键合面通过电晕放电仪处理后，PDMS芯片的键合面由亲水性变为疏水性，从而提高了键合成功率。利用氨丙基三乙氧基硅烷对PMMA芯片的键合面进行处理后，增强了PMMA芯片与PDMS芯片的粘结性，提高了PMMA芯片和PDMS芯片的键合强度和键合成功率。用拉力测试装置对PMMA芯片和PDMS芯片的键合整体进行拉力测试后，发现PMMA芯片和PDMS芯片的键合面处完好，拉力达到30N；用最大压强测试装置对PMMA芯片和PDMS芯片的键合整体进行压强承受能力测试后，发现采用本发明的键合方法键合PMMA芯片和PDMS芯片的强度达到300KPa，而在文献[1Hsih Yin Tan，Weng Keong Loke，and Nam-Trung Nguyen，WCB 2010，IFMBEProceedings 31，1177-1180]中报道的PMMA芯片和PDMS芯片的键合强度为20KPa。

具体实施方式

实施例1

本实施例是一种聚甲基丙烯酸甲酯芯片与聚二甲基硅氧烷芯片的不可逆键合方法，具体包括如下步骤：

步骤1：选择PMMA芯片平整表面作为键合面。将PMMA芯片置于分析纯的异丙醇中，用型号为KH-250DB、功率为50瓦的超声清洗器对PMMA芯片的键合面清洗10分钟后吹干。

步骤2：选择PDMS芯片平整表面作为键合面。将PDMS芯片置于分析纯的异丙醇中，用型号为KH-250DB、功率为50瓦的超声清洗器对PDMS芯片的键合面清洗10分钟后吹干。

步骤3：用型号为RIE-502的反应离子刻蚀机的B室对PMMA芯片的键合面进行氧等离子体处理1分钟，其中反应离子刻蚀机的氧气流量为50sccm，即标准大气压下50毫升/分钟，反应离子刻蚀机的功率为200瓦，反应腔的压力为20Pa。

步骤4：将步骤3处理后的PMMA芯片置于浓度为5％，温度为85摄氏度的氨丙基三乙氧基硅烷中浸泡1分钟后吹干。

步骤5：将步骤4处理后的PMMA芯片置于55摄氏度的烘箱中烘烤10分钟。

步骤6：用型号为BD-20ACV的电晕放电仪对PDMS芯片的键合面进行处理，处理时间为35秒。用型号为BD-20ACV的电晕放电仪对PMMA芯片的键合面进行处理，处理时间为45秒。

步骤7：将PDMS芯片的键合面和PMMA芯片的键合面相互贴合，并用夹子夹持键合装置24小时，以提高键合强度和键合成功率。取下夹子，得到不可逆键合的芯片。

实施例2

本实施例是一种聚甲基丙烯酸甲酯芯片与聚二甲基硅氧烷芯片的不可逆键合方法，具体包括如下步骤：

步骤1：选择PMMA芯片平整表面作为键合面。将PMMA芯片置于分析纯的异丙醇中，用型号为KH-250DB、功率为100瓦的超声清洗器对PMMA芯片的键合面清洗5分钟后吹干。

步骤2：选择PDMS芯片平整表面作为键合面。将PDMS芯片置于分析纯的异丙醇中，用型号为KH-250DB、功率为100瓦的超声清洗器对PDMS芯片的键合面清洗5分钟后吹干。

步骤3：用型号为RIE-502的反应离子刻蚀机的B室对PMMA芯片的键合面进行氧等离子体处理30秒，其中反应离子刻蚀机的氧气流量为80sccm，即标准大气压下80毫升/分钟，反应离子刻蚀机的功率为200瓦，反应腔的压力为20Pa。

步骤4：将步骤3处理后的PMMA芯片置于浓度为5％，温度为75摄氏度的氨丙基三乙氧基硅烷中浸泡90秒后吹干。

步骤5：将步骤4处理后的PMMA芯片置于45摄氏度的烘箱中烘烤15分钟。

步骤6：用型号为BD-20ACV的电晕放电仪对PDMS芯片的键合面进行处理，处理时间为25秒。用型号为BD-20ACV的电晕放电仪对PMMA芯片的键合面进行处理，处理时间为50秒。

步骤7：将PDMS芯片的键合面和PMMA芯片的键合面相互贴合，并用夹子夹持键合装置24小时，以提高键合强度和键合成功率。取下夹子，得到不可逆键合的芯片。

实施例3

本实施例是一种聚甲基丙烯酸甲酯芯片与聚二甲基硅氧烷芯片的不可逆键合方法，具体包括如下步骤：

步骤1：选择PMMA芯片平整表面作为键合面。将PMMA芯片置于分析纯的异丙醇中，用型号为KH-250DB、功率为80瓦的超声清洗器对PMMA芯片的键合面清洗8分钟后吹干。

步骤2：选择PDMS芯片平整表面作为键合面。将PDMS芯片置于分析纯的异丙醇中，用型号为KH-250DB、功率为80瓦的超声清洗器对PDMS芯片的键合面清洗8分钟后吹干。

步骤3：用型号为RIE-502的反应离子刻蚀机的B室对PMMA芯片的键合面进行氧等离子体处理25秒，其中反应离子刻蚀机的氧气流量为100sccm，即标准大气压下100毫升/分钟，反应离子刻蚀机的功率为200瓦，反应腔的压力为10Pa。

步骤4：将步骤3处理后的PMMA芯片置于浓度为5％，温度为65摄氏度的氨丙基三乙氧基硅烷中浸泡2分钟后吹干。

步骤5：将步骤4处理后的PMMA芯片置于40摄氏度的烘箱中烘烤20分钟。

步骤6：用型号为BD-20ACV的电晕放电仪对PDMS芯片的键合面进行处理，处理时间为40秒。用型号为BD-20ACV的电晕放电仪对PMMA芯片的键合面进行处理，处理时间为25秒。

步骤7：将PDMS芯片的键合面和PMMA芯片的键合面相互贴合，并用夹子夹持键合装置24小时，以提高键合强度和键合成功率。取下夹子，得到不可逆键合的芯片。

实施例4

本实施例是一种聚甲基丙烯酸甲酯芯片与聚二甲基硅氧烷芯片的不可逆键合方法，具体包括如下步骤：

步骤1：选择PMMA芯片平整表面作为键合面。将PMMA芯片置于分析纯的异丙醇中，用型号为KH-250DB、功率为60瓦的超声清洗器对PMMA芯片的键合面清洗9分钟后吹干。

步骤2：选择PDMS芯片平整表面作为键合面。将PDMS芯片置于分析纯的异丙醇中，用型号为KH-250DB、功率为60瓦的超声清洗器对PDMS芯片的键合面清洗9分钟后吹干。

步骤3：用型号为RIE-502的反应离子刻蚀机的B室对PMMA芯片的键合面进行氧等离子体处理30秒，其中反应离子刻蚀机的氧气流量为50sccm，即标准大气压下50毫升/分钟，反应离子刻蚀机的功率为200瓦，反应腔的压力为20Pa。

步骤4：将步骤3处理后的PMMA芯片置于浓度为5％，温度为65摄氏度的氨丙基三乙氧基硅烷中浸泡2分钟后吹干。

步骤5：将步骤4处理后的PMMA芯片置于30摄氏度的烘箱烘烤30分钟。

步骤6：用型号为BD-20ACV的电晕放电仪对PDMS芯片的键合面进行处理，处理时间为60秒。用型号为BD-20ACV的电晕放电仪对PMMA芯片的键合面进行处理，处理时间为70秒。

步骤7：将PDMS芯片的键合面和PMMA芯片的键合面相互贴合，并用夹子夹持键合装置24小时，以提高键合强度和键合成功率。取下夹子，得到不可逆键合的芯片。

实施例5

本实施例是一种聚甲基丙烯酸甲酯芯片与聚二甲基硅氧烷芯片的不可逆键合方法，具体包括如下步骤：

步骤1：选择PMMA芯片平整表面作为键合面。将PMMA芯片置于分析纯的异丙醇中，用型号为KH-250DB、功率为80瓦的超声清洗器对PMMA芯片的键合面清洗8分钟后吹干。

步骤2：选择PDMS芯片平整表面作为键合面。将PDMS芯片置于分析纯的异丙醇中，用型号为KH-250DB、功率为80瓦的超声清洗器对PDMS芯片的键合面清洗8分钟后吹干。

步骤3：用型号为RIE-502的反应离子刻蚀机的B室对PMMA芯片的键合面进行氧等离子体处理30秒，其中反应离子刻蚀机的氧气流量为50sccm，即标准大气压下50毫升/分钟，反应离子刻蚀机的功率为200瓦，反应腔的压力为15Pa。

步骤4：将步骤3处理后的PMMA芯片置于浓度为5％，温度为65摄氏度的氨丙基三乙氧基硅烷中浸泡2分钟后吹干。

步骤5：将步骤4处理后的PMMA芯片置于40摄氏度的烘箱烘烤20分钟。

步骤6：用型号为BD-20ACV的电晕放电仪对PDMS芯片的键合面进行处理，处理时间为20秒。用型号为BD-20ACV的电晕放电仪对PMMA芯片的键合面进行处理，处理时间为60秒。

步骤7：将PDMS芯片的键合面和PMMA芯片的键合面相互贴合，并用夹子夹持键合装置24小时，以提高键合强度和键合成功率。取下夹子，得到不可逆键合的芯片。

Claims (1)

1.一种PMMA芯片与PDMS芯片的不可逆键合方法，其特征在于，其具体过程包括以下步骤：

步骤1：选择PMMA芯片平整表面作为键合面；将PMMA芯片置于分析纯的异丙醇中，对PMMA芯片的键合面用超声波清洗5～10分钟后吹干；

步骤2：选择PDMS芯片平整表面作为键合面；将PDMS芯片置于分析纯的异丙醇中，对PDMS芯片的键合面用超声波清洗5～10分钟后吹干；

步骤3：用反应离子刻蚀机的B室对PMMA芯片的键合面进行氧等离子体处理20～60秒，其中反应离子刻蚀机的氧气流量为50～100sccm，反应离子刻蚀机的功率为200w，反应腔的压力为10～20Pa；

步骤4：将经步骤3处理后的PMMA芯片置于浓度为5％，温度为65～85度的氨丙基三乙氧基硅烷中浸泡1～2分钟后吹干；

步骤5：将经步骤4处理后的PMMA芯片置于30～55度的烘箱中烘烤10～30分钟；

步骤6：用电晕放电仪对PDMS芯片的键合面进行处理，处理时间为20～60秒。

用电晕放电仪对PMMA芯片的键合面进行处理，处理时间为25～70秒；

步骤7：将PDMS芯片的键合面和PMMA芯片的键合面相互贴合并固紧，得到不可逆键合的芯片。