CN102701145A - 一种高质量的pdms-聚烯烃类塑料不可逆键合的方法 - Google Patents

Abstract

一种聚二甲基硅氧烷（PDMS）与聚烯烃类塑料的等离子体不可逆键合方法，它是将表面洁净的PDMS芯片和聚烯烃类塑料片使用中频发生器以非接触方式通入氧气和氮气的混合气体进行等离子体处理，并将PDMS和聚烯烃类塑料的处理面立即接触黏贴即可实现黏贴。贴合的复合体可以耐受大约500KPa的外界压力而不破裂，并且在较大的温度范围和化学环境下保持一定时间的稳定性。这种处理方法对被处理对象的表面结构改变小于10nm，能够满足高精度的微纳结构贴合的需要。方法绿色环保，简单易行，价格低廉，适合于大规模卷对卷的PDMS-烃类塑料贴合。在微纳流控芯片制造领域尤其具有良好的应用前景。

Description

一种高质量的PDMS-聚烯烃类塑料不可逆键合的方法

技术领域

本发明涉及微纳流控芯片，以及聚二甲基硅氧烷（PDMS）与聚烯烃类塑料的等离子体不可逆键合方法。

 

背景技术

微纳流控芯片从20世纪90年代出现，到现在经过了将近二十年的快速发展，被《Nature》杂志预测为21世纪10大关键技术领域之一。它主要通过对微纳尺度的控制来实现其功能，具有小型化，集成化，试剂用量少等重要特点。随着器件尺寸的减小，微纳系统还能呈现出一些特殊的微观性质，在化学、生物学、医学和微电子系统等领域中具有广泛的应用前景。学术界对微纳尺寸流体及多物理场作用下的微观性质研究已经取得了丰硕的成果，正处于技术从实验室转向实际生产的关键过程中。据《lab on a chip》微纳芯片权威杂志预测，微纳芯片的市场化将在未来五到十年迎来高速发展期。

微纳流控芯片一般是指关键流体管道结构尺寸在微（1 μm ~ 1 mm）和纳（1 nm ~ 1 μm）尺度的流体芯片。由于其尺寸的特殊性，宏观的制备方法无法满足芯片的制备要求，因此对微纳加工技术提出了挑战。传统基于光刻的技术存在价格昂贵，难以大规模生产和质控耗费高的缺陷，因此在微纳流控技术发展过程中由Whiteside首先提出了基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的软光刻技术（基于模板倒模，弹性高分子固化），被其后的微纳芯片研究者广泛采用。 但是由于PDMS不具有稳定的力学性质，表面难以修饰和附加额外的功能化结构，通常需要和其他结构形成复合芯片以达到特定的功能。

随着塑料产品中功能塑料的快速发展，将PDMS和塑料贴合替代PDMS-玻璃、PDMS-硅，PDMS-PDMS，成为发展趋势。特别是烃类塑料，其中很多具有良好的光学、热学性质。但是其表面缺乏贴合所需的功能基团，难以和PDMS贴合。现有的主要贴合方法主要包括表面覆胶贴合，溶液化学表面基团处理贴合和空气、氧气等离子体贴合三种。覆胶贴合只适用于精度要求不高的芯片，不能用于纳芯片的制备。溶液化学表面基团处理价格昂贵，步骤繁琐，并可能造成化学污染和PDMS溶胀，也不适用于大规模生产。而等离子体处理绿色环保，可卷对卷批量化生产，可望成为芯片贴合的主流方法。但是以往单纯基于氧气的方法被证明不能高质量贴合PDMS和塑料。因此亟需一种能够高质量贴合PDMS-塑料（特别是烃类塑料）的等离子体方法。

 

发明内容

本发明的目的是提出一种绿色环保，廉价易行PDMS-烃类塑料贴合方法。

本发明的技术方案如下：

一种聚二甲基硅氧烷（PDMS）与聚烯烃类塑料的等离子体不可逆键合方法，它包括下列步骤：

（1）将表面洁净的PDMS芯片和聚烯烃类塑料片放入等离子体腔，关闭舱门；

（2）通入氧气和氮气的混合气体，氧气和氮气的体积比为0:1 ~ 49:1，调节舱内总气体气压在20~40 Pa范围内；

（3）等离子体使用中频发生器以非接触方式产生，功率为35W ~ 60W/ L，等离子体处理时间为20~60 s；

（4）处理结束后，还原舱内气压到大气压，并将PDMS和聚烯烃类塑料的处理面立即接触黏贴即可实现黏贴。

上述的等离子体不可逆键合方法，所述的聚烯烃塑料包括链状烯烃聚合物、芳香族烯烃聚合物或环状烯烃聚合物。

上述的等离子体不可逆键合方法，所述的聚烯烃塑料包括聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）或环烯烃共聚物(COC)。

 

本发明利用氧气-氮气混合气体实现了高质量的PDMS-烃类塑料的不可逆贴合，其中的氧气和氮气具有协同作用，效果好于单纯的氧气或氮气。PDMS和聚烯烃类塑料不可逆贴合，再经过机械剥离后呈现的截面如图1所示，未出现贴合面剥离的现象，断裂面在PDMS本体内； 对处理前后的表面的原子力显微镜表征(图2)显示，PDMS和聚烯烃塑料的表面几何形变不超过10 nm；对具有微流体管道的PDMS-聚烯烃类塑料的气体压力试验（图3-A）表明，这种键合下的芯片均可耐受大约500 KPa的外界正压力而维持较好的键合状态。以PDMS-PS为例，将其储存于-20℃ ~ 50℃的环境下储存一周，如图3-B所示其键合质量并无明显降低，仍然达到约500 KPa。而液体压力试验表明即使在15 mL/min的高流速下，芯片并没有漏液的现象发生。将芯片内灌注1M盐酸，1M氢氧化钠或纯水，芯片分别在3天，一周和一月中没有出现漏液现象，说明芯片可用于某些极端化学环境。

本发明的意义

本发明利用氧气和氮气混合气体在等离子体激发中的的协同作用同时处理PDMS和聚烯烃类塑料，实现了PDMS-烃类塑料的高质量不可逆贴合。贴合的技术造成贴合面几何结构的改变小于10 nm，可满足纳米级精度的贴合要求。贴合的复合结构在较宽的温度和化学环境下具有较好的稳定性。特别适合于高精度微纳流控塑料芯片的大规模制备。

 

附图说明

图1. PDMS-PS，PDMS-COC，PDMS-PP不可逆键合结构的撕裂截面图。

图2. PDMS、PS、COC、PP在等离子体处理前后表面粗糙度的原子力显微镜表征。

图3. PDMS-烃类塑料耐压力曲线，A. PDMS-PS，PDMS-COC，PDMS-PP不可逆键合结构常温下耐压力曲线；B. PDMS-PS 不可逆键合结构在不同温度下放置一周后的耐压力曲线。

 

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

       仪器设备：中频等离子体仪一台（苏州奥米格机电科技有限公司，DT-II型）。材料：用软光刻技术制备的PDMS片，烃类塑料片。

实施例1：PDMS和PS的氧气-氮气复合气体等离子体不可逆贴合

步骤1：将表面洁净的PDMS（美国道康宁公司 Sylgard 184 silicone elastomer）芯片和塑料PS片（浙江力行得科技有限公司，光学级PS透明板）放入等离子体腔，关闭舱门；

步骤2：通入氧气，氮气混合气体（气体体积比例1:4），调节舱内总气体气压20 Pa；

步骤3：等离子体使用中频发生器以非接触方式产生，功率为35W/ L，等离子体处理时间为40 s；

步骤4：处理结束后，还原舱内气压到大气压，并将PDMS和塑料PS的处理面立即接触黏贴即可实现黏贴。

 

实施例2：PDMS和PS的氧气-氮气复合气体等离子体不可逆贴合

步骤1：将表面洁净的PDMS（美国道康宁公司 Sylgard 184 silicone elastomer）芯片和塑料PS片（浙江力行得科技有限公司，光学级PS透明板）放入等离子体腔，关闭舱门；

步骤2：通入氧气，氮气混合气体（气体体积比例1:1），调节舱内总气体气压35 Pa；

步骤3：等离子体使用中频发生器以非接触方式产生，功率为57W/ L，等离子体处理时间为20 s；

步骤4：处理结束后，还原舱内气压到大气压，并将PDMS和塑料PS的处理面立即接触黏贴即可实现黏贴。

经过机械剥离后呈现的截面如图1所示，对处理前后的表面的原子力显微镜表征如图2所示，对具有微流体管道的PDMS-PS塑料的气体压力试验如图3-A所示，在不同温度下放置一周后的耐压力曲线如图3-B所示。

 

实施例3：PDMS和PP的氧气-氮气复合气体等离子体不可逆贴合

步骤1：将表面洁净的PDMS芯片和塑料PP片（由中国扬子石化F401料生产的PP片）放入等离子体腔，关闭舱门；

步骤2：通入氧气，氮气混合气体（气体体积比例1:1），调节舱内总气体气压30Pa；

步骤3：等离子体使用中频发生器以非接触方式产生，功率为57W/ L。等离子体处理时间为30 s；

步骤4：处理结束后，还原舱内气压到大气压，并将PDMS和塑料PP的处理面立即接触即可实现黏贴。

 

实施例4：PDMS和PP的氧气-氮气复合气体等离子体不可逆贴合

步骤1：将表面洁净的PDMS芯片和塑料PP片（由中国扬子石化F401料生产的PP片）放入等离子体腔，关闭舱门；

步骤2：通入氧气，氮气混合气体（气体体积比例1:4），调节舱内总气体气压35Pa；

步骤3：等离子体使用中频发生器以非接触方式产生，功率为48W/ L。等离子体处理时间为30 s；

步骤4：处理结束后，还原舱内气压到大气压，并将PDMS和塑料PP的处理面立即接触即可实现黏贴。

 

经过机械剥离后呈现的截面如图1所示，对处理前后的表面的原子力显微镜表征如图2所示，对具有微流体管道的PDMS-PP塑料的气体压力试验如图3-A所示，

实施例5：PDMS和COC的氧气-氮气复合气体等离子体不可逆贴合

步骤1：将表面洁净的PDMS芯片和塑料COC片（由美国Ticona公司，Topas 5010L-01材料生产的COC片）放入等离子体腔，关闭舱门；

步骤2：通入氧气，氮气混合气体（气体体积比例0:1），调节舱内总气体气压20 Pa；

步骤3：等离子体使用中频发生器以非接触方式产生，功率为60W/ L。等离子体处理时间为60 s；

步骤4：处理结束后，还原舱内气压到大气压，并将PDMS和塑料COC的处理面立即接触即可实现黏贴。

 

实施例6：PDMS和COC的氧气-氮气复合气体等离子体不可逆贴合

步骤1：将表面洁净的PDMS芯片和塑料COC片（由美国Ticona公司，Topas 5010L-01材料生产的COC片）放入等离子体腔，关闭舱门；

步骤2：通入氧气，氮气混合气体（气体体积比例49:1），调节舱内总气体气压40 Pa；

步骤3：等离子体使用中频发生器以非接触方式产生，功率为35W/ L。等离子体处理时间为30 s；

步骤4：处理结束后，还原舱内气压到大气压，并将PDMS和塑料COC的处理面立即接触即可实现黏贴。

 

经过机械剥离后呈现的截面如图1所示，对处理前后的表面的原子力显微镜表征如图2所示，对具有微流体管道的PDMS-PS塑料的气体压力试验如图3-A所示，在不同温度下放置一周后的耐压力曲线如图3-B所示。

Claims (3)

1.一种聚二甲基硅氧烷（PDMS）与聚烯烃类塑料的等离子体不可逆键合方法，其特征是它包括下列步骤：

（1）将表面洁净的PDMS芯片和聚烯烃类塑料片放入等离子体腔，关闭舱门；

（2）通入氧气和氮气的混合气体，氧气和氮气的体积比为0:1~ 49:1，调节舱内总气体气压在20Pa ~ 40 Pa范围内；

（3）等离子体使用中频发生器以非接触方式产生，功率为35W ~ 60W/ L，等离子体处理时间为20 s ~ 60 s；

（4）处理结束后，还原舱内气压到大气压，并将PDMS和聚烯烃类塑料的处理面立即接触黏贴即可实现黏贴。

2.根据权利要求1所述的等离子体不可逆键合方法，其特征是：所述的聚烯烃塑料包括链状烯烃聚合物、芳香族烯烃聚合物或环状烯烃聚合物。

3.根据权利要求1所述的等离子体不可逆键合方法，其特征是：所述的聚烯烃塑料包括聚苯乙烯、聚丙烯或环烯烃共聚物。

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