CN108162368A - 一种微流控塑料芯片的热键合方法及所获得的芯片 - Google Patents

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    • B29C51/264—Auxiliary operations prior to the thermoforming operation, e.g. cutting

Abstract

本发明涉及一种新的微流控塑料芯片的热键合方法，以解决采用化学试剂辅助键合芯片遇到的问题。本发明方法不引入试剂污染，排除第三种物质对于生物领域的应用研究带来的影响；由于不涉及到化学试剂，对于不同芯片材料均可适用；在键合过程中温度相比传统的高温热压键合工艺低很多，对于微流道的形变影响较小，易于操作且制备效率大大提高；对环境和操作人员更加友好；降低芯片制造成本。另外，本发明还涉及通过所述热键合方法获得的微流控芯片。

Description

一种微流控塑料芯片的热键合方法及所获得的芯片
技术领域
本发明涉及微流控芯片技术领域，具体涉及一种微流控塑料芯片的热键合方法及所获得的芯片。
背景技术
微流控芯片技术(Microfluidics)是把生物、化学、医学等学科领域分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。
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。
对于塑料材质微流控芯片的制作，目前现有技术大多采用化学试剂辅助键合或者高温热压直接键合的方式进行。一方面，化学试剂辅助键合的方式会引入污染，并且对于塑料芯片的材质有要求，不同材质的塑料芯片键合需要匹配不同的化学试剂进行，而生物微流控芯片在不同的应用场合选用不同材质的芯片是非常频繁的，这样操作复杂且过程繁琐，使得工艺过程效率低。另一方面，高温热键合方式通常会导致微流控芯片微通道的热变形从而造成通道堵塞，另外普通的热键合方式键合强度不佳，芯片在使用过程中易发生开裂现象。
化学试剂本身是除芯片和处理目标以外的第三种物质，在很多生物应用领域的相容性不佳；化学试剂甚至会带来微流控芯片内部的污染，该污染使得制备的芯片在很多生物应用中是无法使用的，从而大大降低获得芯片的适用性。
化学试剂的使用还会造成环境的污染，并且对于操作人员也存在安全隐患；化学试剂处理后的污水排放产生麻烦，且增加了整个芯片制备的成本。
发明内容
本发明采用一种新的微流控塑料芯片的热键合方法，以解决前面采用辅助键合方式和高温热键合方式遇到的问题。
所述方法能够解决现有化学试剂辅助键合和高温热压键合微流控芯片产生的问题：不引入试剂污染问题，排除第三种物质对于生物领域的应用研究带来的影响；不涉及到化学试剂，对于不同芯片材料均可适用；在键合过程中温度相比传统的高温热压键合工艺低很多，对于微流道的形变影响较小，易于操作且制备效率大大提高；对环境和操作人员更加友好；降低芯片制造成本。
为实现上述目的，本发明的技术方案为一种微流控塑料芯片的热键合方法，所述方法包括采用低温低压等离子体对所述芯片的基片和盖片键合表面进行改性处理，以辅助键合。
进一步的，所述改性处理在所述键合表面添加羟基官能团以实现表面活化。
进一步的，所述等离子体为氧等离子体。
进一步的，所述改性处理的温度在40℃以下，压力在100mTorr以下，且处理时间在10min以内。优选的，所述改性处理的温度为35-38℃，压力为70-85mTorr，且处理时间为6-8min；更优选的，所述改性处理的温度为36.8℃，压力为82mTorr，且处理时间为450s。经发明人大量试验并对测试结果进行对比，在上述改性处理参数下，可以获得最优的等离子体处理效果，使得对于微流控塑料芯片表面活化作用最大化，最终使产品键合强度最优化。
进一步的，所述微流控塑料芯片的材质包括PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、COC(环烯烃共聚物)或PS(聚苯乙烯)等。
进一步的，所述微流控塑料芯片的热键合方法还包括将经过上述低温低压等离子体改性处理后的基片和盖片进行热压键合。
进一步的，所述热压键合的温度低于90℃，真空压力为20-50mBar，键合压力为1.0-1.1Bar，热压时间为15-18min。
进一步的，优选所述热压键合的温度为85℃，真空压力为30mBar，键合压力为1.0Bar，热压时间为16min。
本发明还涉及通过上述方法获得的芯片。通过本发明方法获得的芯片，其通道微结构受到上述过程的影响极小，相比于未经本发明方法处理之前，通常结构形变可以控制在10μm以内。
另外，通过上述方法获得的芯片，键合稳定可靠，可以在高至7Bar的压力冲击下不开裂。
本发明通过等离子处理进行芯片键合表面改性的原理是，在低压环境中氧等离子处理会使塑料芯片表面的C-H结构由于氧等离子的作用形成羟基、羧基等氢氧基团，这些氢氧基团使得塑料芯片的表面提高了相互键合的能力，从而在后续热压键合过程中，降低了键合温度和处理时间，克服了现有技术的缺陷。
低温热键合是指在相对较低的温度下进行芯片键合。塑料会在一定的温度下熔化，但是塑料的熔化温度通常会远远高于85℃，比如PMMA在135℃左右开始相态转变，COC在144℃左右开始相态转变。常规的热键合方式是需要将温度升高至塑料的相态转变温度时才能实现有效键合，否则键合不可靠；而本方法只需要在85℃左右的温度下进行热压即可实现可靠键合。
除上述提到的特点外，本发明方法还具有如下优点：
1、该键合方法不引入化学试剂，整个过程环保无污染；
2、该键合方法对于COC、PMMA、PS等生物医疗领域常用的塑料材质均可满足，对于材料选择宽泛；
3、该键合方法不会因为热变形从而造成通道堵塞，不影响微通道结构，从而大大提高良品率；
4、该键合方法获得的芯片强度高，芯片在使用过程中不易发生开裂现象。
5、由于排除了化学试剂残留的影响，对于微流控芯片在生物领域的应用更加宽泛稳定。
6、该热键合方法不引入化学试剂，整个过程环保无污染且降低操作人员的健康风险。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例
本实施例中微流控塑料芯片的热键合方法包括以下步骤和工艺参数：
1、将带有微流道结构的塑料基片和没有微流道结构的盖片放在等离子舱室中，关闭舱门，舱室内温度设置为36.8℃；
2、将等离子设备的等离子功率设置为230W，流量控制器MFC1的进气流量设置为28sccm，进气稳定时间设置为15s，基础压力设置为82mTorr，等离子处理时间设置为450s；
3、将MFC1连接到氧气瓶，氧气瓶气体输出压力调整为1.0Bar，氧气纯度在99.95％以上；
4、将等离子设备真空泵打开进行处理，处理完成后停止设备并将舱室压力恢复至常压；
5、取出经过氧等离子处理后的基片和盖片，将基片的结构面和盖片贴合放置在热压机中压印舱室的居中位置，关闭热压机舱门；
6、设置热压机的热键合参数，将温度设置为85℃，真空压力设置为30mBar，键合压力设置为1.0Bar，热压时间16min，真空破除温度设置为55℃；
7、进行热压键合，键合完成后停止热压机，取出芯片。
通过该实施例方法获得的芯片，其通道微结构形变均小于8μm；且该芯片键合稳定可靠，在高至8Bar的压力冲击下无开裂。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种微流控塑料芯片的热键合方法，其特征在于，所述方法包括采用低温低压等离子体对所述芯片的基片和盖片键合表面进行改性处理，以辅助键合。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述改性处理在所述键合表面添加羟基官能团以实现表面活化。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述等离子体为氧等离子体。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述改性处理的温度在40℃以下，压力在100mTorr以下，且处理时间在10min以内。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述改性处理的所述改性处理的温度为35-38℃，压力为70-85mTorr，且处理时间为6-8min。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微流控塑料芯片的材质包括PMMA、COC或PS。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述微流控塑料芯片的热键合方法还包括将经过上述低温低压等离子体改性处理后的基片和盖片进行热压键合的步骤。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述热压键合的温度低于90℃，真空压力为20-50mBar，键合压力为1.0-1.1Bar，热压时间为15-18min。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述热压键合的温度为85℃，真空压力为30mBar，键合压力为1.0Bar，热压时间为16min。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法获得的芯片，其特征在于，所述芯片的通道微结构相比于未经处理之前，结构形变在10μm以内；且所述芯片在高至7Bar的压力冲击下不开裂。
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