專利名稱：一種以聚二甲基硅氧烷為基材的芯片簡易不可逆鍵合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種以聚二甲基硅氧烷(PDMS)為基材的芯片的簡易鍵合方法。
背景技術(shù)：
微流控芯片(Micro-fluidic chip)是微全分析系統(tǒng)(Micrototalanalysis system)或稱芯片實(shí)驗(yàn)室(Lab-on-a-chip)的重要組成部分，已引起了人們的普遍關(guān)注和興趣?，F(xiàn)階段所制作而成的芯片多采用生物技術(shù)、微電子技術(shù)及MEMS技術(shù)，以標(biāo)準(zhǔn)的IC工藝流程在以硅片、玻璃等基材為襯底加工各種工作單元，即光刻—腐蝕—打通孔—鍵合。但此方法制作微流控芯片的光刻和蝕刻技術(shù)工藝冗長、費(fèi)時(shí)，需要超凈環(huán)境，芯片鍵合難度大，材料易碎且成本較高。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)，已成為制作微流控芯片的重要材料。
聚二甲基硅氧烷是一種具有彈性的高分子聚合物，通常它是由PDMS基質(zhì)和相應(yīng)的固化劑按一定的比例熱聚合而成。作為構(gòu)建微流控芯片的基底材料，PDMS表現(xiàn)出了非常理想的材料特性良好的絕緣性，能承受高電壓，已廣泛應(yīng)用于各種毛細(xì)管電泳微芯片的制作；熱穩(wěn)定性高，適合加工各種生化反應(yīng)芯片，具有很高的生物兼容性和氣體通透性，可以用于細(xì)胞培養(yǎng)；同時(shí)，具有優(yōu)良的光學(xué)特性，可應(yīng)用于多種光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)；彈性模量低，適合于制作微流體控制器件，如毛細(xì)管電泳芯片、微泵等。
PDMS能透過300nm以上的紫外和可見光，并具有無毒、用澆注法能復(fù)制微通道加工簡便、芯片成本低等特點(diǎn)，是微流控分析芯片制備中使用較多的高聚物材料。此外，PDMS還具有以下優(yōu)點(diǎn)原材料價(jià)格便宜、制作周期短、耐用性好、封裝方法靈活，可以和硅、氮化硅、氧化硅、玻璃等許多材料形成很好的密封。
目前，PDMS芯片通常采用兩種鍵合方式可逆鍵合和不可逆鍵合。可逆鍵合法是將兩塊新鮮剝離的PDMS芯片直接貼合，經(jīng)過保溫處理后鍵合在一起，但是鍵合的強(qiáng)度較低，在使用的過程中易出現(xiàn)漏液現(xiàn)象；不可逆鍵合法采用氧等離子體處理PDMS表面，或用紫外線照射PDMS表面，然后將兩片PDMS芯片直接貼合，再經(jīng)過保溫等處理后來實(shí)現(xiàn)不可逆鍵合。無論是等離子體方式還是用紫外線方法進(jìn)行鍵合都需要特定的設(shè)備，而且對(duì)設(shè)備的整體要求比較高，一般實(shí)驗(yàn)室難以實(shí)現(xiàn)。
(三)發(fā)明內(nèi)客本發(fā)明的目的在于提供一種工藝過程簡單、成本低、生產(chǎn)效率高、有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量的以聚二甲基硅氧烷為基材的芯片簡易不可逆鍵合方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的(1)芯片的襯底材料為聚二甲基硅氧烷與聚二甲基硅氧烷，或者是聚二甲基硅氧烷與玻璃；(2)將聚二甲基硅氧烷預(yù)聚體與固化劑按比例混合、澆注于模具中、固化，再將聚二甲基硅氧烷樣品新鮮剝離，得到聚二甲基硅氧烷組件；(3)將新鮮剝離的聚二甲基硅氧烷芯片組件放入氨水中，浸泡10～30分鐘，取出；(4)將經(jīng)過處理后的聚二甲基硅氧烷芯片組件用去離子水反復(fù)沖洗；(5)將處理好的兩片聚二甲基硅氧烷芯片組件貼合后，于80～150℃保溫1～3小時(shí)，實(shí)現(xiàn)聚二甲基硅氧烷與聚二甲基硅氧烷的不可逆鍵合；或者是將處理好的聚二甲基硅氧烷芯片組件貼在清洗干凈的玻璃面上，80～150℃保溫1～3小時(shí)，實(shí)現(xiàn)聚二甲基硅氧烷與玻璃的不可逆鍵合。
本發(fā)明還可以包括這樣一些特征1、聚二甲基硅氧烷預(yù)聚體與固化劑聚合物的混合體積比為4-6∶1。
2、所述的氨水的重量比濃度為15％～28％。
3、固化溫度為25～125℃。
本發(fā)明的鍵合原理聚合后的PDMS表面主要為-Si(CH3)3的形式存在，經(jīng)氨水溶液處理后，在其表面產(chǎn)生大量的Si-OH鍵，處理后的PDMS芯片現(xiàn)場(chǎng)貼合后，經(jīng)過一定溫度的保溫處理，就可在兩片芯片之間產(chǎn)生大量的Si-O-Si鍵，從而實(shí)現(xiàn)芯片的不可逆鍵合。而玻璃中主要含有SiO2，玻璃和用氨水處理后的PDMS芯片現(xiàn)場(chǎng)貼合后，經(jīng)過一定溫度的保溫處理，就可在PDMS/Glass界面間形成大量的氫鍵Si-OH----O-Si，使其鍵合，但鍵合強(qiáng)度不如PDMS/PDMS牢固。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1、采用聚二甲基硅氧烷為加工襯底材料，較以用硅片、玻璃為襯底材料的芯片在材質(zhì)的選用上具有較高性價(jià)比；2、采用氨水處理表面，不需要特殊的儀器設(shè)備及昂貴的試劑，使鍵合成本大大降低；3、該鍵合方法不需要復(fù)雜的工藝設(shè)備，加工工藝過程簡化，制作成本降低，加工成品率高。
(四)


圖1為實(shí)施例1中PDMS芯片鍵合界面照片；圖2為實(shí)施例2中有溝道PDMS芯片的鍵合界面照片；(五)具體實(shí)施方案下面舉例對(duì)本發(fā)明作更詳細(xì)的描述實(shí)施例1目前市售的PDMS(聚二甲基硅氧烷)一般由預(yù)聚體與固化劑兩劑組成，首先將PDMS(聚二甲基硅氧烷)預(yù)聚體與固化劑按體積比5∶1混合均勻，然后分別澆注于模具內(nèi)，室溫下在真空箱中脫氣10min，形成一定厚度的液層。在選定溫度范圍在25～125℃條件下加熱固化，達(dá)到預(yù)定的固化時(shí)間后，將聚合固化后的PDMS片新鮮剝離，放入氨水中，浸泡10～30分鐘，取出；再將經(jīng)過處理后的PDMS芯片組件用去離子水反復(fù)沖洗，以祛除吸附于芯片表面的氨水；將處理好的兩片PDMS芯片組件下表面對(duì)粘，置于80～150℃烘箱保溫1～3小時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)不可逆鍵合。冷卻后測(cè)定兩片PDMS間的粘接強(qiáng)度。從圖1中可以看出兩片PDMS芯片鍵合界面完全融合。
實(shí)施例2按案例1方法配制PDMS混合液，分別澆注于有溝道圖形和無溝道圖形的模具內(nèi)，固化；將聚合固化后的PDMS片新鮮剝離，放入氨水中，浸泡10～30分鐘，取出；再將經(jīng)過處理后的PDMS芯片組件用去離子水反復(fù)沖洗，以祛除吸附于芯片表面及溝道圖形內(nèi)的氨水；將處理好的兩片PDMS芯片組件下表面對(duì)粘，置于80～150℃烘箱保溫1～3小時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)不可逆鍵合。冷卻后測(cè)定兩片PDMS間的粘接強(qiáng)度。
實(shí)施例3首先將PDMS(聚二甲基硅氧烷)基質(zhì)與固化劑按體積比4∶1混合均勻，然后分別澆注于模具內(nèi)，室溫下在真空箱中脫氣10min，形成一定厚度的液層。在選定溫度范圍(25～125℃)下加熱固化，達(dá)到預(yù)定的固化時(shí)間后，將聚合固化后的PDMS片新鮮剝離，放入氨水中，浸泡10～30分鐘，取出；再將經(jīng)過處理后的PDMS芯片組件用去離子水反復(fù)沖洗，以祛除吸附于芯片表面的氨水；將處理好的兩片PDMS芯片組件下表面對(duì)粘，置于80～150℃烘箱保溫1～3小時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)不可逆鍵合。冷卻后測(cè)定兩片PDMS間的粘接強(qiáng)度。
實(shí)施例4首先將PDMS(聚二甲基硅氧烷)基質(zhì)與固化劑按體積比6∶1混合均勻，然后分別澆注于模具內(nèi)，室溫下在真空箱中脫氣10min，形成一定厚度的液層。在選定溫度范圍(25～125℃)下加熱固化，達(dá)到預(yù)定的固化時(shí)間后，將聚合固化后的PDMS片新鮮剝離，放入氨水中，浸泡10～30分鐘，取出；再將經(jīng)過處理后的PDMS芯片組件用去離子水反復(fù)沖洗，以祛除吸附于芯片表面的氨水；將處理好的兩片PDMS芯片組件下表面對(duì)粘，置于80～150℃烘箱保溫1～3小時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)不可逆鍵合。冷卻后測(cè)定兩片PDMS間的粘接強(qiáng)度。
權(quán)利要求
1.一種以聚二甲基硅氧烷為基材的芯片簡易不可逆鍵合方法，其特征在于(1)芯片的襯底材料為聚二甲基硅氧烷與聚二甲基硅氧烷，或者是聚二甲基硅氧烷與玻璃；(2)將聚二甲基硅氧烷預(yù)聚體與固化劑按比例混合、澆注于模具中、固化，再將聚二甲基硅氧烷樣品新鮮剝離，得到聚二甲基硅氧烷組件；(3)將新鮮剝離的聚二甲基硅氧烷芯片組件放入氨水中，浸泡10～30分鐘，取出；(4)將經(jīng)過處理后的聚二甲基硅氧烷芯片組件用去離子水反復(fù)沖洗；(5)將處理好的兩片聚二甲基硅氧烷芯片組件貼合后，于80～150℃保溫1～3小時(shí)，實(shí)現(xiàn)聚二甲基硅氧烷與聚二甲基硅氧烷的不可逆鍵合；或者是將處理好的聚二甲基硅氧烷芯片組件貼在清洗干凈的玻璃面上，80～150℃保溫1～3小時(shí)，實(shí)現(xiàn)聚二甲基硅氧烷與玻璃的不可逆鍵合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以聚二甲基硅氧烷為基材的芯片簡易不可逆鍵合方法，其特征在于聚二甲基硅氧烷預(yù)聚體與固化劑聚合物的混合體積比為4-6∶1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的以聚二甲基硅氧烷為基材的芯片簡易不可逆鍵合方法，其特征在于所述的氨水的重量比濃度為15％～28％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的以聚二甲基硅氧烷為基材的芯片簡易不可逆鍵合方法，其特征在于固化溫度為25～125℃。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的以聚二甲基硅氧烷為基材的芯片簡易不可逆鍵合方法，其特征在于固化溫度為25～125℃。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種以聚二甲基硅氧烷為基材的芯片簡易不可逆鍵合方法。主要步驟包括芯片的襯底材料為聚二甲基硅氧烷；將聚二甲基硅氧烷澆注于模具中、固化，再將聚二甲基硅氧烷樣品新鮮剝離；將新鮮剝離的聚二甲基硅氧烷芯片組件放入氨水中，浸泡；將經(jīng)過處理后的聚二甲基硅氧烷芯片組件用去離子水反復(fù)沖洗；將處理好的兩片聚二甲基硅氧烷芯片組件貼合，或者是將處理好的聚二甲基硅氧烷芯片組件貼在清洗干凈的玻璃面上，實(shí)現(xiàn)聚二甲基硅氧烷與聚二甲基硅氧烷/玻璃的不可逆鍵合。本發(fā)明采用聚二甲基硅氧烷為加工襯底材料，具有較高性價(jià)比、鍵合成本低、加工工藝過程簡單、加工成品率高。
文檔編號(hào)C08J5/12GK1683443SQ20051000980
公開日2005年10月19日 申請(qǐng)日期2005年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月9日
發(fā)明者劉曉為, 王蔚, 田麗, 宣雷, 鮑志勇 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)