CN104150436A

CN104150436A - 基于聚合物材质微流控芯片的有机溶剂混溶溶液浸泡键合方法

Info

Publication number: CN104150436A
Application number: CN201410455329.7A
Authority: CN
Inventors: 刘晓为; 张贺; 田丽; 王蔚; 韩小为
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2014-09-09
Filing date: 2014-09-09
Publication date: 2014-11-19

Abstract

本发明公开了一种基于聚合物材质微流控芯片的有机溶剂混溶溶液浸泡键合方法，所述方法如下：a、将无水乙醇与有机溶剂按照V_乙醇∶V_有机＝20∶1～5∶1的比例混合，得到混溶溶液；b、使用步骤a配制的混溶溶液将带有微结构的聚合物芯片充分润湿，将润湿后聚合物芯片组装后，放入盛有混溶溶液的培养皿，随后立即将培养皿放入烘箱中，键合温度在25～60℃，键合时间为5～20分钟。本发明改进了传统的聚合物材质微流控芯片键合工艺，避免键合过程中，有机溶剂对微沟道的阻塞，减小了沟道形变量，并可以实现多层复杂结构芯片键合。此外本方法所需仪器简单，可以实现大批量芯片同时键合，在缩短芯片键合时间的同时保证键合强度，有利于微流控芯片的商业化。

Description

基于聚合物材质微流控芯片的有机溶剂混溶溶液浸泡键合方法

技术领域

本发明涉及一种微流控芯片的键合方法，具体涉及一种基于有机聚合物材质的有机溶剂混溶溶液浸泡键合方法。

背景技术

微流控芯片是利用微加工技术，将微沟道、微储液池及微检测器等功能元器件，集成在几平方厘米大小的基底材料上，从而实现进样、混合、分离等功能。自微流控芯片问世以来，芯片键合就一直是芯片设计过程中的关键步骤。目前聚合物材质的微流控芯片在国内外比较典型的键合方式主要包括热压键合法、胶黏剂封合法、表面活化辅助键合法和有机溶剂辅助键合法等。

热压键合法是采用粉末压片机在一定温度和压力下实现芯片的封合。但由于聚合物材料的硬度和软化温度远低于硅、玻璃等其他芯片基底材料，因此对其进行热键合时，容易造成微沟道横截面形状的改变。胶黏剂封合法是使用非基片材料作为胶黏剂实现对芯片的键合封装，工艺步骤简单，但使用粘合剂进行封装，极易导致微沟道阻塞。表面活化辅助键合法是使用氧等离子体或光线照射对有机聚合物材料键合界面进行活化并完成键合的一种工艺，等离子体活化是一种快速高效的封装方法，但是需要真空密闭环境及扩散泵、分子泵等设备，成本昂贵，不适宜大规模生产。有机溶剂辅助键合法是在芯片键合界面涂抹有机溶剂，利用有机溶剂作为黏合剂实现芯片封合。有机溶剂辅助键合法简单易行，键合强度高，应用广泛，但是在键合过程中，有机溶剂极易进入微沟道，造成沟道阻塞或形变。总之，上述聚合物微流控芯片的键合方法在实际应用过程中存在各种实际问题。这有悖于微流控芯片通过集成化、微型化实现普及的宗旨，从而限制其在各个领域的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于有机聚合物材质的有机溶剂混溶溶液浸泡键合方法。本发明改进了传统的聚合物材质微流控芯片键合工艺，避免键合过程中有机溶剂对微沟道的阻塞，减小了沟道形变量，并可以实现多层复杂结构芯片键合。此外，本方法所需仪器简单，可以实现大批量芯片同时键合，在缩短芯片键合时间的同时保证键合强度，有利于微流控芯片的商业化。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

a、根据所选用的聚合物芯片材料不同，将无水乙醇与有机溶剂按照体积比为V_乙醇∶V_有机＝20∶1～5∶1的比例混合，得到混溶溶液；

b、使用步骤a配制的混溶溶液将带有微结构的聚合物芯片充分润湿，将润湿后聚合物芯片组装后，放入盛有混溶溶液的培养皿，随后立即将培养皿放入烘箱中，根据所选用的聚合物芯片材料及混溶溶液配比不同，键合温度控制范围在25～60℃，键合时间范围控制为5～20分钟。

本发明所述的有机溶剂混溶浸泡键合是利用三氯甲烷、异丙醇、丙酮等有机溶剂与无水乙醇混溶按一定体积比混合后，对有机聚合物芯片键合界面进行润湿和浸泡。所述芯片材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚碳酸酯(PC)等有机高分子聚合物。

相比国内外其他聚合物微流控芯片的键合方法，本发明采用有机溶剂混溶浸泡法，使有机物材料芯片在常压条件下完成键合，需要的工艺成本低，工艺步骤少，易于在聚合物材质微流控芯片的键合领域推广应用，具体优点如下：

1、避免聚合物材质的微流控芯片在键合过程的微沟道阻塞，减小了微沟道及微结构形变量；

2、实现了多层及复杂结构聚合物材质的微流控芯片的封和，键合条件容易控制，键合流程简单，键合时间短；

3、提高聚合物材质的微流控芯片的键合效率，降低键合成本，且可以实现大批量芯片同时键合；

4、有机溶剂混溶浸泡键合法支持由不同种类聚合物材质构成的复合材料微流控芯片键合；

5、可以通过控制混溶溶液配比、键合时间和键合温度来适应不同聚合物芯片材质。

附图说明

图1为组装后的PMMA材质十字沟道微流控芯片在混溶溶液中浸泡照片。

图2为PMMA材质，深度为150微米梯形微沟道键合前横截面照片。

图3为PMMA材质，深度为150微米梯形微沟道键合后横截面照片。

图4为PMMA材质，三层微混合器芯片照片。

图5为PMMA材质，H-型微混合腔显微照片。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式依照如下步骤进行基于有机聚合物材料微流控芯片的混溶溶液浸泡键合：

(1)将待键合PMMA微流控芯片清洗、烘干，备用。

(2)按体积比配制无水乙醇与三氯甲烷混溶溶液，比例范围在V_乙醇∶V_三氯甲烷＝20∶1～10∶1。

(3)将上述待键合PMMA基片在混溶溶液中润湿，并使用石英玻璃卡具固定，在组装过程中确保键合界面间没有气泡。将固定后的芯片放入盛有混溶溶液的培养皿中。组装后浸泡在混溶溶液中的十字沟道芯片照片如图1所示。键合前150微米深梯形微沟道横截面照片如图2所示。

(4)将培养皿放入干燥箱，根据混溶溶液配比不同，控制键合温度在25～40℃，控制键合时间在5～10分钟。键合结束后，取出芯片，关闭干燥箱。

(5)芯片静置20分钟，待键合界面间混溶溶液挥发后，进行键合强度测试。

(6)多层芯片键合重复上述步骤1-4即可。为防止浸泡时间过长导致的微结构形变，每次只对一层基片进行封和，封和过程中只有待键合界面浸泡在混合溶液中。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：键合过程中所使用的有机溶剂为丙酮。因此键合条件与实施方式一有所不同。鉴于丙酮对PMMA材料的溶解能力不及三氯甲烷，在混溶溶液的配制过程中，提高了丙酮的含量，体积比的范围为V_乙醇∶V_丙酮＝10∶1～5∶1。同时也延长了键合时间，键合时间的范围是10～20分钟。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：键合过程中所使用的聚合物芯片材料为聚碳酸甲酯(PC)，因此键合条件与实施方式一有所不同。鉴于PC材质的玻璃化温度比PMMA材质高约60～80℃，在键合过程中，我们提高了键合温度，温度范围控制在40～60℃。

具体实施方式四：本实施方式依照如下步骤进行基于有机聚合物材料微流控芯片的混溶溶液浸泡键合：

(1)将待键合PMMA微流控芯片清洗、烘干，备用。

(2)按体积比配制无水乙醇与三氯甲烷混溶溶液，比例范围在V_乙醇∶V_三氯甲烷＝10∶1。

(4)将培养皿放入干燥箱，根据混溶溶液配比不同，控制键合温度在40℃，控制键合时间在10分钟。键合结束后，取出芯片，关闭干燥箱。键合后150微米深梯形微沟道横截面照片如图3所示。从图3中可以看出键合后的微沟道形貌无明显改变，键合界面清晰、完整。

(5)芯片静置20分钟，待键合界面间混溶溶液挥发后，进行键合强度测试。当芯片材料为聚甲基丙烯酸甲酯，混溶溶液为三氯甲烷和无水乙醇时，芯片的键合强度可达267.5N/cm²，此时微沟道的形变量小于4.2％。

(6)多层芯片键合重复上述步骤1-4即可。为防止浸泡时间过长导致的微结构形变，每次只对一层基片进行封和，封和过程中只有待键合界面浸泡在混合溶液中。使用本方法制作的三层微混合器芯片照片如图4所示。组装后的多层微流控芯片使用有色染料罗丹明B进行渗漏测试，芯片封和良好，H-型微混合腔显微照片如图5所示。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：键合过程中所使用的有机溶剂为丙酮，V_乙醇∶V_丙酮＝5∶1。同时也延长了键合时间，键合时间的范围是15分钟。当芯片材料为聚甲基丙烯酸甲酯，混溶溶液为丙酮和无水乙醇时，芯片的键合强度可达185.3N/cm²。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四不同的是：键合过程中所使用的聚合物芯片材料为聚碳酸甲酯(PC)，键合温度控制在55℃。当芯片材料为为聚碳酸甲酯，混溶溶液为三氯甲烷和无水乙醇时，芯片的键合强度可达216.5N/cm²。

本发明的技术方案不局限于以上所列举具体实施方式，不能以此限定本发明的保护范围。本领域人员还可以对其进行局部改变，只要是没有超出本专利的精神实质，都示为对本专利的等同替换，都在本专利的保护范围之内。

Claims

1.基于聚合物材质微流控芯片的有机溶剂混溶溶液浸泡键合方法，其特征在于所述方法步骤如下：

a、将无水乙醇与有机溶剂按照体积比为V_乙醇∶V_有机＝20∶1～5∶1的比例混合，得到混溶溶液；

2.根据权利要求1所述的基于聚合物材质微流控芯片的有机溶剂混溶溶液浸泡键合方法，其特征在于所述有机溶剂为三氯甲烷、异丙醇或丙酮。

3.根据权利要求1所述的基于聚合物材质微流控芯片的有机溶剂混溶溶液浸泡键合方法，其特征在于所述聚合物芯片的材质为聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷或聚碳酸酯。

4.根据权利要求1所述的基于聚合物材质微流控芯片的有机溶剂混溶溶液浸泡键合方法，其特征在于所述聚合物芯片的材质为聚甲基丙烯酸甲酯，有机溶剂为三氯甲烷，V_乙醇∶V_三氯甲烷＝20∶1～10∶1，键合温度为25～40℃，键合时间为5～10分钟。

5.根据权利要求1所述的基于聚合物材质微流控芯片的有机溶剂混溶溶液浸泡键合方法，其特征在于所述聚合物芯片的材质为聚甲基丙烯酸甲酯，有机溶剂为丙酮，V_乙醇∶V_丙酮＝10∶1～5∶1，键合温度为25～40℃，键合时间为10～20分钟。

6.根据权利要求1所述的基于聚合物材质微流控芯片的有机溶剂混溶溶液浸泡键合方法，其特征在于所述聚合物芯片的材质为聚碳酸甲酯，有机溶剂为三氯甲烷，V_乙醇∶V_{有机三氯甲烷}＝20∶1～10∶1，键合温度为40～60℃，键合时间为5～10分钟。