CN1286889C - 一种以聚二甲基硅氧烷为基材的芯片简易不可逆键合方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种以聚二甲基硅氧烷为基材的芯片简易不可逆键合方法。主要步骤包括：芯片的衬底材料为聚二甲基硅氧烷；将聚二甲基硅氧烷浇注于模具中、固化，再将聚二甲基硅氧烷样品新鲜剥离；将新鲜剥离的聚二甲基硅氧烷芯片组件放入氨水中，浸泡；将经过处理后的聚二甲基硅氧烷芯片组件用去离子水反复冲洗；将处理好的两片聚二甲基硅氧烷芯片组件贴合，或者是将处理好的聚二甲基硅氧烷芯片组件贴在清洗干净的玻璃面上，实现聚二甲基硅氧烷与聚二甲基硅氧烷/玻璃的不可逆键合。本发明采用聚二甲基硅氧烷为加工衬底材料，具有较高性价比、键合成本低、加工工艺过程简单、加工成品率高。

Description

一种以聚二甲基硅氧烷为基材的芯片简易不可逆键合方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基材的芯片的简易键合方法。

(二)背景技术

微流控芯片(Micro-fluidic chip)是微全分析系统(Micrototalanalysis system)或称芯片实验室(Lab-on-a-chip)的重要组成部分，已引起了人们的普遍关注和兴趣。现阶段所制作而成的芯片多采用生物技术、微电子技术及MEMS技术，以标准的IC工艺流程在以硅片、玻璃等基材为衬底加工各种工作单元，即光刻—腐蚀—打通孔—键合。但此方法制作微流控芯片的光刻和蚀刻技术工艺冗长、费时，需要超净环境，芯片键合难度大，材料易碎且成本较高。因此，高分子聚合物如聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，PMMA)，以及聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，HO(SiC₂H₄O)_nH PDMS)，已成为制作微流控芯片的重要材料。

聚二甲基硅氧烷是一种具有弹性的高分子聚合物，通常它是由PDMS基质和相应的固化剂按一定的比例热聚合而成。作为构建微流控芯片的基底材料，PDMS表现出了非常理想的材料特性：良好的绝缘性，能承受高电压，已广泛应用于各种毛细管电泳微芯片的制作；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；同时，具有优良的光学特性，可应用于多种光学检测系统；弹性模量低，适合于制作微流体控制器件，如毛细管电泳芯片、微泵等。

PDMS能透过300nm以上的紫外和可见光，并具有无毒、用浇注法能复制微通道加工简便、芯片成本低等特点，是微流控分析芯片制备中使用较多的高聚物材料。此外，PDMS还具有以下优点：原材料价格便宜、制作周期短、耐用性好、封装方法灵活，可以和硅、氮化硅、氧化硅、玻璃等许多材料形成很好的密封。

目前，PDMS芯片通常采用两种键合方式：可逆键合和不可逆键合。可逆键合法是将两块新鲜剥离的PDMS芯片直接贴合，经过保温处理后键合在一起，但是键合的强度较低，在使用的过程中易出现漏液现象；不可逆键合法采用氧等离子体处理PDMS表面，或用紫外线照射PDMS表面，然后将两片PDMS芯片直接贴合，再经过保温等处理后来实现不可逆键合。无论是等离子体方式还是用紫外线方法进行键合都需要特定的设备，而且对设备的整体要求比较高，一般实验室难以实现。

(三)发明内客

本发明的目的在于提供一种工艺过程简单、成本低、生产效率高、有利于提高产品质量的以聚二甲基硅氧烷为基材的芯片简易不可逆键合方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)芯片的衬底材料为聚二甲基硅氧烷与聚二甲基硅氧烷，或者是聚二甲基硅氧烷与玻璃；

(2)将聚二甲基硅氧烷预聚体与固化剂按比例混合、浇注于模具中、固化，再将聚二甲基硅氧烷样品新鲜剥离，得到聚二甲基硅氧烷组件；

(3)将新鲜剥离的聚二甲基硅氧烷芯片组件放入氨水中，浸泡10～30分钟，取出；

(4)将经过处理后的聚二甲基硅氧烷芯片组件用去离子水反复冲洗；

(5)将处理好的两片聚二甲基硅氧烷芯片组件贴合后，于80～150℃保温1～3小时，实现聚二甲基硅氧烷与聚二甲基硅氧烷的不可逆键合；或者是将处理好的聚二甲基硅氧烷芯片组件贴在清洗干净的玻璃面上，80～150℃保温1～3小时，实现聚二甲基硅氧烷与玻璃的不可逆键合。

本发明还可以包括这样一些特征：

1、聚二甲基硅氧烷预聚体与固化剂聚合物的混合体积比为4-6∶1。

2、所述的氨水的重量比浓度为15％～28％。

3、固化温度为25～125℃。

本发明的键合原理：

聚合后的PDMS表面主要为-Si(CH₃)₃的形式存在，经氨水溶液处理后，在其表面产生大量的Si-OH键，处理后的PDMS芯片现场贴合后，经过一定温度的保温处理，就可在两片芯片之间产生大量的Si-O-Si键，从而实现芯片的不可逆键合。而玻璃中主要含有SiO₂，玻璃和用氨水处理后的PDMS芯片现场贴合后，经过一定温度的保温处理，就可在PDMS/Glass界面间形成大量的氢键Si-OH----O-Si，使其键合，但键合强度不如PDMS/PDMS牢固。

本发明的优点在于：1、采用聚二甲基硅氧烷为加工衬底材料，较以用硅片、玻璃为衬底材料的芯片在材质的选用上具有较高性价比；2、采用氨水处理表面，不需要特殊的仪器设备及昂贵的试剂，使键合成本大大降低；3、该键合方法不需要复杂的工艺设备，加工工艺过程简化，制作成本降低，加工成品率高。

(四)附图说明

图1为实施例1中PDMS芯片键合界面照片；

图2为实施例2中有沟道PDMS芯片的键合界面照片；

(五)具体实施方案

下面举例对本发明作更详细的描述：

实施例1：

目前市售的PDMS(聚二甲基硅氧烷)一般由预聚体与固化剂两剂组成，首先将PDMS(聚二甲基硅氧烷)预聚体与固化剂按体积比5∶1混合均匀，然后分别浇注于模具内，室温下在真空箱中脱气10min，形成一定厚度的液层。在选定温度范围在25～125℃条件下加热固化，达到预定的固化时间后，将聚合固化后的PDMS片新鲜剥离，放入氨水中，浸泡10～30分钟，取出；再将经过处理后的PDMS芯片组件用去离子水反复冲洗，以祛除吸附于芯片表面的氨水；将处理好的两片PDMS芯片组件下表面对粘，置于80～150℃烘箱保温1～3小时，即可实现不可逆键合。冷却后测定两片PDMS间的粘接强度。从图1中可以看出两片PDMS芯片键合界面完全融合。

实施例2：

按案例1方法配制PDMS混合液，分别浇注于有沟道图形和无沟道图形的模具内，固化；将聚合固化后的PDMS片新鲜剥离，放入氨水中，浸泡10～30分钟，取出；再将经过处理后的PDMS芯片组件用去离子水反复冲洗，以祛除吸附于芯片表面及沟道图形内的氨水；将处理好的两片PDMS芯片组件下表面对粘，置于80～150℃烘箱保温1～3小时，即可实现不可逆键合。冷却后测定两片PDMS间的粘接强度。

实施例3：

首先将PDMS(聚二甲基硅氧烷)基质与固化剂按体积比4∶1混合均匀，然后分别浇注于模具内，室温下在真空箱中脱气10min，形成一定厚度的液层。在选定温度范围(25～125℃)下加热固化，达到预定的固化时间后，将聚合固化后的PDMS片新鲜剥离，放入氨水中，浸泡10～30分钟，取出；再将经过处理后的PDMS芯片组件用去离子水反复冲洗，以祛除吸附于芯片表面的氨水；将处理好的两片PDMS芯片组件下表面对粘，置于80～150℃烘箱保温1～3小时，即可实现不可逆键合。冷却后测定两片PDMS间的粘接强度。

实施例4：

首先将PDMS(聚二甲基硅氧烷)基质与固化剂按体积比6∶1混合均匀，然后分别浇注于模具内，室温下在真空箱中脱气10min，形成一定厚度的液层。在选定温度范围(25～125℃)下加热固化，达到预定的固化时间后，将聚合固化后的PDMS片新鲜剥离，放入氨水中，浸泡10～30分钟，取出；再将经过处理后的PDMS芯片组件用去离子水反复冲洗，以祛除吸附于芯片表面的氨水；将处理好的两片PDMS芯片组件下表面对粘，置于80～150℃烘箱保温1～3小时，即可实现不可逆键合。冷却后测定两片PDMS间的粘接强度。

Claims (5)

1、一种以聚二甲基硅氧烷为基材的芯片简易不可逆键合方法，其特征在于：

(1)芯片的衬底材料为聚二甲基硅氧烷与聚二甲基硅氧烷，或者是聚二甲基硅氧烷与玻璃；

(2)将聚二甲基硅氧烷预聚体与固化剂按比例混合、浇注于模具中、固化，再将聚二甲基硅氧烷样品新鲜剥离，得到聚二甲基硅氧烷组件；

(3)将新鲜剥离的聚二甲基硅氧烷芯片组件放入氨水中，浸泡10～30分钟，取出；

(4)将经过处理后的聚二甲基硅氧烷芯片组件用去离子水反复冲洗；

(5)将处理好的两片聚二甲基硅氧烷芯片组件贴合后，于80～150℃保温1～3小时，实现聚二甲基硅氧烷与聚二甲基硅氧烷的不可逆键合；或者是将处理好的聚二甲基硅氧烷芯片组件贴在清洗干净的玻璃面上，80～150℃保温1～3小时，实现聚二甲基硅氧烷与玻璃的不可逆键合。

2、根据权利要求1所述的以聚二甲基硅氧烷为基材的芯片简易不可逆键合方法，其特征在于：聚二甲基硅氧烷预聚体与固化剂聚合物的混合体积比为4-6∶1。

3、根据权利要求1或2所述的以聚二甲基硅氧烷为基材的芯片简易不可逆键合方法，其特征在于：所述的氨水的重量比浓度为15％～28％。

4、根据权利要求1或2所述的以聚二甲基硅氧烷为基材的芯片简易不可逆键合方法，其特征在于：固化温度为25～125℃。

5、根据权利要求3所述的以聚二甲基硅氧烷为基材的芯片简易不可逆键合方法，其特征在于：固化温度为25～125℃。

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