CN1484021A

CN1484021A - 聚二甲基硅氧烷芯片低真空键合方法

Info

Publication number: CN1484021A
Application number: CNA031308570A
Authority: CN
Inventors: 沈德新; 周勇亮; 罗仲梓
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2003-05-15
Filing date: 2003-05-15
Publication date: 2004-03-24
Anticipated expiration: 2023-05-15
Also published as: CN1195981C

Abstract

涉及一种聚二甲基硅氧烷芯片低真空键合方法。其步骤为将聚合后的硅橡胶样品新鲜剥离得芯片组件，放入真空腔，抽真空，用氧气反复冲洗，排出残余气体：再抽真空，加高压使真空腔内的氧气起辉，对芯片组件表面进行氧等离子体轰击，并与大气压平衡，打开真空腔，将经氧等离子体处理好的芯片组件贴合。其键合强度很高，经拉力实验测定，可超过PDMS本体的强度，仪器设备简单，要求的真空度较低。抽真空时间、放气时间短，提高了效率。

Description

聚二甲基硅氧烷芯片低真空键合方法

(1)技术领域

本发明涉及一种低真空键合方法，尤其是一种聚二甲基硅氧烷芯片低真空键合方法。

(2)背景技术

微流控芯片(microfluidic chip)在分析系统、生物医药、化学和生物化学领域有着广泛的应用前景。传统的微流控芯片沿用了IC工业技术，主要是以硅和玻璃作为材料；因而必须经过制作掩膜、光刻、微通道的刻蚀等一系列工艺过程，制作工艺复杂、周期长、效率较低，而且在这种硬质材料上刻蚀出的微流体通道其侧壁难以做到既光滑又陡直。然而以高分子聚合物为材料制作微流控芯片，可以克服以上困难，从而实现低成本、大批量、高效率的制作工艺。这其中尤以聚二甲基硅氧烷(PDMS)应用最为广泛，因为它有以下优点：1)可通过模型复制的方法实现批量生产；2)它自身非常透明，可应用于许多检测装置(紫外可见吸收及荧光等)；3)低温聚合(65℃)；4)无毒，生物惰性，可直接用于生物样品；5)能可逆形变；6)能可逆地与自身及其他许多材料键合，也可通过氧等离子体处理实现不可逆的键合；7)表面化学可人为进行控制；8)弹性好，可适用于光滑、非平面表面，并且当它从复杂模型中脱模时不会损伤基底及自身，因而能实现完整的微流体通道的构筑。

通常一个微流控芯片由两片或两片以上薄片组件通过键合而成以形成封闭的微流体通道。键合是整个芯片制作工艺过程中关键的一步，因为只有通过好的键合技术实现芯片中微流体通路的完整密封，整个微流体芯片才具有使用的价值。目前常用的PDMS芯片键合方式有：可逆键合和不可逆键合两大类。可逆键合的最大优点之一是可重复使用，但键合的强度较低，在使用过程中会出现漏液现象。不可逆键合的键合强度很大，可以超过其本体的强度，因而可实现芯片的完整的密封。常用的不可逆键合方法是用氧等离子体处理PDMS表面，即把芯片组件薄片置于高真空的氧等离子体产生装置中，用氧等离子体轰击薄片表面，然后直接将两片薄片贴合，就可实现不可逆程度的键合，形成完整的微流控芯片(参见1.David C.Duffy，J.Copper McDonald，Oliver J.A.Schueller，George M.Whitesides Anal.Chem1998，70：4974-4984；2.J.Copper McDonald，David C.Duffy，Janelle R.Anderson，DanielT.Chiu，Hongkai Wu，Oliver J.A.Schueller，George M.Whitesides Electrophoresis2000，21：27-40；3.Xiaomei Yu，Dacheng Zhang，Xiang Wang，Ting Li，Xiuhan Li MEMS2002 Workshop Digest 2002：741-744。)。也有采用紫外照射芯片进行不可逆键合的报道(孟斐，陈恒武，方群，等，高等学校化学学报，2002，7：1264-1268)。但这种方法需要照射较长的时间(一般几个小时)，且照射后并不能很快地实现不可逆键合，必须放置很长的时间。

目前关于用氧等离子体处理PDMS芯片的不可逆键合技术，都要求较高的系统真空度，以除去真空腔内的杂质气体，确保氧气的纯度及控制氧气的分压在10^-2Torr数量级。因此对设备的整体要求比较高，一般实验室难以实现。并且，一般氧等离子体处理的时间为40～60秒，使芯片升温较高，容易破坏芯片的表面化学成分，对一些芯片的性能造成影响。

(3)发明内容

本发明旨在提供一种工艺简单、廉价、高效的聚二甲基硅氧烷(PDMS)芯片的低真空不可逆键合方法。

所说的键合方法为：

1、将聚合后的硅像胶样品新鲜剥离，得到PDMS芯片组件；

2、将新鲜剥离的PDMS芯片组件放入真空腔，抽真空到真空度(本底真空度)为0.1～0.3Torr：

3、用氧气反复冲洗真空腔至少2次，将其残余气体排出；

4、关闭氧气流，把真空腔抽真空到真空度(氧气压力)为0.1～0.3Torr；

5、加高压使真空腔内的氧气起辉，对PDMS芯片组件表面进行氧等离子体轰击；

6、轰击完毕即打开放气阀，向真空腔内充气直至与大气压平衡，打开真空腔，将经氧等离子体处理好的PDMS芯片组件现场贴合；

7、贴合后保温。

对PDMS芯片表面进行氧等离子体轰击的电压最好为1400～2000V，轰击时间最好为5～40s。

PDMS芯片贴合后的保温温度最好为80～150℃，保温时间最好至少1h。

本发明的键合机理说明如下：在氧等离子体处理前，PDMS表面主要是-Si(CH₃)₃的形式存在；而经氧等离子体处理后，其表面产生了大量的Si-OH键。因此处理后PDMS芯片现场贴合后，在经一定温度保温处理，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。

实验证明，1)采用本发明键合好的芯片键合强度很高，经拉力实验测定，它已经超过了PDMS本体的强度。

2)本发明使用的仪器设备简单：

A.此技术要求的真空度较低，仅0.1～0.3Torr，所以用一台普通的真空油泵(极限真空度约为0.1Torr)就可实现，同时正由于此，它对整个真空系统要求也就很低，在一个普通的密封腔中就可实现；如果按上述背景技术中所给的文献(1.David C.Duffy，J.CopperMcDonald，Oliver J.A.Schueller，George M.Whitesides Anal.Chem 1998，70：4974-4984；2.J.Copper McDonald，David C.Duffy，Janelle R.Anderson，Daniel T.Chiu，Hongkai Wu，Oliver J.A.Schueller，George M.Whitesides Electrophoresis2000，21：27-40；3.Xiaomei Yu，Dacheng Zhang，Xiang Wang，Ting Li，Xiuhan Li MEMS2002 Workshop Digest 2002：741-744。)要求，要达到10^-2Torr数量级，则需要较昂贵的扩散泵或分子泵等真空泵(参见徐成海，等，真空低温技术与设备，北京：冶金工业出版社，1995：21，)，并需要复杂的真空密闭体系，整个设备的造价就会成十倍的增长，因此文献中报道使用的都是较贵重的等离子体产生设备。

B.采用纯氧反复冲洗真空腔并通过泵将气体抽出，使得真空腔内的其他残留气体的浓度大幅度降低，就达到了采用高真空系统同样的效果。

C.此技术抽真空时间、放气时间都很短，一方面提高了效率，另一方面也更有利于键合。因为经氧等离子体处理后的PDMS表面活化状态与空气接触后维持的时间不长，所以放气时间越短PDMS表面活性越强，就越有利于键合。

综上所述，本发明提供了一种简单、廉价、高效的PDMS芯片的键合方法。在实施例中将对本发明作进一步的说明。

(4)附图说明

图1为键合后的PDMS芯片断面扫描电子显微镜(SEM)图。

图2为未键合的微通道剖面扫描电子显微镜(SEM)图。

图3为键合后微通道剖面扫描电子显微镜(SEM)图。

(5)具体实施方式

实施例1：

将硅橡胶材料倒入芯片模具，聚合后新鲜剥离，得到PDMS芯片组件，将其放入真空腔，抽真空直到腔的本底真空度为0.2Torr；用氧气反复冲洗3次，排出残余气体，关闭氧气流，再抽真空(即氧气压力)到0.3Torr，加高压1400V(电流为220mA)，使腔内氧气起辉、对PDMS芯片表面进行氧等离子体轰击，时间为40s；打开放气阀，向真空腔内充气至与大气压平衡，再打开真空腔，将芯片贴合，在100℃下保温2h，即实现不可逆键合。

经氧等离子体处理后，PDMS芯片表面有很强的亲水性，其接触角接近于0°，但随时间的延长亲水性逐渐变差，大约30～60min后几乎恢复到未处理前的状态。

实现不可逆键合后的断面情况如图1所示。从图1可看出，键合好的PDMS芯片组件结合非常紧密，两个组件之间不存在任何微小的裂缝，甚至扫描电子显微镜(SEM)下也不能发现明显界面。

键合前后微流体通道的密封情况见图2，3。

在图3中，键合后在通道键合侧外缘未见到未到明显的键合界面痕迹，因此，此方法可得到密封性良好的微流体通道。

实施例2：

将硅橡胶材料倒入芯片模具，聚合后新鲜剥离，得到PDMS芯片组件，将其放入真空腔，抽真空直到腔的本底真空度为0.15Torr；用氧气反复冲洗2次，排出残余气体，关闭氧气流，再抽真空(即氧气压力)到0.25Torr，加高压2000V(电流为380mA)，使腔内氧气起辉、对PDMS芯片表面进行氧等离子体轰击，时间为5s；打开放气阀，向真空腔内充气至与大气压平衡，再打开真空腔，将芯片贴合，在120℃下保温1.5h，即实现不可逆键合。

实施例3～10：

其键合方法类似实施例1，2，其实验条件如下表所示：

实施例	本底真空度/Torr	氧气压力/Torr	时间/Sec	电压/V	电流/mA
实施例	本底真空度/Torr	氧气压力/Torr	时间/Sec	电压/V	电流/mA	3	0.2	0.2	35	1400	220
4	0.3	0.1	40	1500	245	3	0.2	0.2	35	1400	220
4	0.3	0.1	40	1500	245	5	0.25	0.25	30	1500	245
6	0.3	0.15	25	1400	220	5	0.25	0.25	30	1500	245
6	0.3	0.15	25	1400	220	7	0.1	0.2	40	1400	220
8	0.2	0.3	5	2000	380	7	0.1	0.2	40	1400	220
8	0.2	0.3	5	2000	380	9	0.15	0.2	15	2000	380
10	0.3	0.3	30	1600	240	9	0.15	0.2	15	2000	380

实验表明，经氧等离子体处理过的PDMS芯片的亲水性都有很大改善，水滴能迅速在PDMS表面铺开(接触角接近0°)

Claims

1、聚二甲基硅氧烷芯片低真空键合方法，其特征在于其步骤为：

1)、将聚合后的硅像胶样品新鲜剥离，得到PDMS芯片组件；

2)、将新鲜剥离的PDMS芯片组件放入真空腔，抽真空到本底真空度为0.1～0.3Torr；

3)、用氧气反复冲洗真空腔至少2次，将其残余气体排出；

4)、关闭氧气流，把真空腔抽真空到氧气压力为0.1～0.3Torr；

5)、加高压使真空腔内的氧气起辉，对PDMS芯片组件表面进行氧等离子体轰击；

6)、轰击完毕立即打开放气阀，向真空腔内充气直至与大气压平衡；打开真空腔，将经氧等离子体处理好的PDMS芯片组件现场贴合；

7)、贴合后保温。

2、如权利要求1所述的聚二甲基硅氧烷芯片低真空键合方法，其特征在于对PDMS芯片表面进行氧等离子体轰击的电压为1400～2000V。

3、如权利要求1或2所述的聚二甲基硅氧烷芯片低真空键合方法，其特征在于对PDMS芯片表面进行氧等离子体轰击的时间为5～40s。

4、如权利要求1所述的聚二甲基硅氧烷芯片低真空键合方法，其特征在于PDMS芯片贴合后的保温温度为80～150℃。

5、如权利要求1或4所述的聚二甲基硅氧烷芯片低真空键合方法，其特征在于PDMS芯片贴合后的保温时间至少1h。