專利名稱：逆向熱鍵合技術(shù)制作尺寸可控的微納米流體系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微納流體系統(tǒng)制作技術(shù)領(lǐng)域，涉及的是微流控系統(tǒng)的制備方法。
二:
背景技術(shù)：
微納米流體系統(tǒng)一般定義為流體流動的通道在至少一維以上的截面處于微納米的尺寸范圍。微系統(tǒng)技術(shù)是支撐現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)的重要支柱。作為微系統(tǒng)技術(shù)之一的微流體系統(tǒng)是近年來發(fā)展比較熱門的研究領(lǐng)域，基于微流體系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展起來的微全分析系統(tǒng)已經(jīng)成功用于流體傳輸、傳熱傳質(zhì)模擬、化學(xué)、生物科學(xué)和DNA檢測等領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展前景。目前微納米流體系統(tǒng)的制作材料主要是硅及其化合物，常用方法是利用電子束光刻或聚焦離子束刻蝕技術(shù)獲得納米溝槽結(jié)構(gòu)，并利用鍵合或犧牲層技術(shù)實現(xiàn)納米通道的頂部密封。上述方法可以實現(xiàn)納米通道尺寸的精確控制，但可以選用的材料僅僅為玻璃、硅及其化合物等，制作成本昂貴，工藝周期長，不利于向器件化批量化方向發(fā)展。因為大部分納米通道都是一次性使用的，相比于硅的高制作成本，聚合物材料以其優(yōu)良的化學(xué)機械性能、生物兼容性、微加工性能得到越來越多的青睞。目前常用的高聚物材料包括聚碳酸酯PC、聚二甲基硅氧烷PDMS以及有機玻璃PMMA等。其中鍵合是微流控器件制作工藝中的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前采用最多的，比較簡單的技術(shù)是熱鍵合技術(shù)。傳統(tǒng)的熱鍵合技術(shù)通道尺寸難以控制，且容易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。由于封裝層聚合物是旋涂在柔性襯底上的，封裝層必然不平整，導(dǎo)致鍵合時成功率很低，通道尺寸不均勻且通道強度很低。
三:

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種簡單的逆向熱鍵合技術(shù)制作尺寸可控的微納米流體系統(tǒng)的方法用以解決上述問題。將SU-8膠旋涂在光柵模板上，通過逆向壓印的方式，制得SU-8膠光柵結(jié)構(gòu)。根據(jù)粘附能的不同，將光柵結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到UV襯底上。這層光柵結(jié)構(gòu)反扣在封裝層Si基底上，在低溫低壓下制得尺寸可控的微納米流體系統(tǒng)，實現(xiàn)了制作方法的更新，提高了效率，并且成功地降低了生產(chǎn)成本，為微納米通道的制作提供了一條更為簡單的思路。本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下方案:1、一種逆向熱鍵合技術(shù)制作尺寸可控的微納米流控系統(tǒng)的方法，其特征是首先在預(yù)處理過的光柵模板上涂覆一層SU-8光刻膠，通過逆向壓印技術(shù)將圖形復(fù)制到SU-8光刻膠上，然后根據(jù)各界面間的粘附能不同的原理，使用UV膠帶將固化的SU-8光刻膠揭下來，圖形成功轉(zhuǎn)移到柔性UV膠帶上。另取一 Si片旋涂一層薄SU-8光刻膠形成封裝層Si基底，將上述制得的SU-8膠圖形結(jié)構(gòu)層覆蓋在Si基底上，經(jīng)逆向熱鍵合技術(shù)制得微納米流控系統(tǒng)。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的逆向熱鍵合技術(shù)制作尺寸可控的微納米流控系統(tǒng)的方法，其特征是按如下步驟操作:a、光柵模板經(jīng)過預(yù)處理后，在上面旋涂一層脫模劑，然后置于85_95°C的熱臺上加熱15分鐘。b、在處理過的光柵模板上旋涂一層SU-8光刻膠，在烘臺中加熱80°C，5min后，取一 PDMS塊壓在光刻膠上，PDMS塊上放一重為0.5kg的鐵塊，用以逆向壓印光刻膠，使光刻膠充分填充模板溝槽，保持90°C和壓印壓力15分鐘后自然冷卻，再透過PDMS塊進(jìn)行紫外曝光lmin30s ;對曝光后的SU-8光刻膠以80°C烘烤固化5分鐘，使玻璃模板上的光柵結(jié)構(gòu)復(fù)制在SU-8光刻膠上，在SU-8光刻膠上形成光柵結(jié)構(gòu)圖形；C、將PDMS塊從SU-8光刻膠上去除，用UV膠帶粘附在SU_8光刻膠上，根據(jù)表面粘附能的不同，可以輕松地將SU-8光刻膠轉(zhuǎn)移到柔性UV膠帶上。在柔性基底上制得完美的納米光柵圖形。d、取一 Si片，經(jīng)丙酮擦洗后在烘箱中烘烤(130°C，30min)，然后對其進(jìn)行氧氣等離子體處理。隨后旋涂一層薄SU-8光刻膠，這層SU-8光刻膠的厚度非常重要，它是尺寸控制的關(guān)鍵因素。將其置于熱臺上前烘(90°C，IOmin)，制得封裝層Si基底。e、將步驟c所制得的SU-8膠光柵結(jié)構(gòu)圖形進(jìn)行氧氣等離子體處理；然后反扣覆蓋在步驟d制得的具有薄SU-8光刻膠的封裝層Si基底上，用滾筒來回滾壓UV膠帶基底，使得SU-8光柵結(jié)構(gòu)與封裝層Si基底接觸均勻，再在UV膠帶基底上放置一重為0.25kg的鐵塊，并在烘臺上以65°C加熱I分鐘。Si基底上的薄SU-8光刻膠在毛細(xì)力作用下填充溝槽，形成微納米通道結(jié)構(gòu)。f、透過UV膠帶對各SU-8光刻膠層進(jìn)行紫外曝光，曝光時間4min，此時，UV膠帶完全失去粘性。完成曝光后后烘，使得各SU-8光刻膠層充分固化交聯(lián)，完成鍵合，形成一定鍵合強度的SU-8流體通道。烘烤溫度80°C，時間7-8min。隨即，去除SU-8光刻膠上的UV膠帶完成SU-8微納米流體系統(tǒng)的制作。步驟a中光柵模板的預(yù)處理是首先將光柵模板在濃H2S04和雙氧水的混合溶液中浸泡兩個小時，再用去離子水洗滌后用氮氣吹干，置于烘箱中烘烤以除去水汽，烘烤溫度為130°C，時間 30min。步驟b中SU-8光刻膠的厚度大約為5um，溶劑為甲苯。步驟b中所用的PDMS塊是以PDMS預(yù)聚體和固化劑，按照體積比10: I混合獲得，混合后靜置I小時備用步驟c中UV膠帶是一種特殊的膠帶，在曝光前，這種膠帶具有比較強的粘性，經(jīng)過曝光，I父帶失去粘性。步驟d、e中對Si片及光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行氧氣等離子體處理的真空度為25Pa，功率為60W,轟擊時間分別為5min和15s。上述各步驟中的紫外曝光光源的波長為365nm，曝光劑量為200mJ/cm2。 與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益技術(shù)效果體現(xiàn)在:1、本發(fā)明中，通道的尺寸完全由原始模版的尺寸和封裝層SU-8膠的厚度決定，可以很好地控制通道尺寸，獲得我們所需要的納米流體系統(tǒng)，為后續(xù)其他實驗奠定良好的基礎(chǔ)。如附圖1，a為復(fù)制出來的納米溝槽線寬，b為納米溝槽孔徑，h為納米溝槽原始深度，t為薄SU-8膠的厚度。在聚合物薄SU-8膠不可壓縮且完全填充的情況下，所獲得的納米通道深度為D。貝Ij(a+b) t = b (h_D)
可得通道高度為:D = h-(l+a/b)t2、本發(fā)明中薄SU-8膠封裝層是旋涂在硬質(zhì)基底Si片上的，能夠得到非常均勻的封裝層。相比于普通熱鍵合在PET等柔性基底上旋涂封裝層，本實驗由于采用Si硬質(zhì)基底，所以在前烘過程中不會發(fā)生翹曲現(xiàn)象。這樣在隨后的鍵合過程中SU-8膠能夠很好接觸、填充，獲得尺寸非常小，強度合適的納米流體系統(tǒng)。3、本發(fā)明因為采用了 UV膠帶這種特殊的物質(zhì)，使得實驗操作上非常簡單，大大降低了制作成本。
四:


圖1通道尺寸控制的原理2逆向熱鍵合技術(shù)制作尺寸可控的微納米流體系統(tǒng)工藝流程中標(biāo)號:1-SU-8光刻膠，2-光柵模板，3-PDMS塊4-UV膠帶，5_薄SU-8光刻膠，6-Si基底
五:
具體實施例方式本實施例中逆向熱鍵合技術(shù)制作尺寸可控的微納米流體系統(tǒng)的方法按如下步驟操作:1、玻璃光柵模板在濃H2SO4和雙氧水的混合溶液(體積比2: I)中浸泡兩個小時后，用去離子水清洗干凈。然后用氮氣吹干后置于130°C的烘箱中烘烤30min。待冷卻后，在光柵模板上面旋涂一層DC20脫模劑，置于85-95°C的熱臺上加熱15分鐘，脫模劑的作用是改變模板的表面能，使固化后的SU-8光刻膠能容易地脫附。此時，玻璃模板預(yù)處理工作完成。2、在處理過的光柵模板上旋涂一層SU-8光刻膠，這層光刻膠的溶劑為甲苯，用于改變SU-8光刻膠的極性，實驗證明用甲苯做溶劑的光刻膠能更加容易地填充模板溝槽，復(fù)制出更加完美的圖形，旋涂上的SU-8光刻膠厚度大約為5um。模板在烘臺中加熱80°C，5min后，取一 PDMS塊壓在光刻膠上。其中PDMS塊是以PDMS預(yù)聚體和固化劑，按照體積比10: I混合獲得，混合后靜置I小時，然后傾倒在平整的玻璃基板上，85°C加熱30min后就可獲得所要的PDMS塊。PDMS塊上放一重為0.5kg的鐵塊，用以壓印光刻膠，使光刻膠充分填充模板溝槽，保持80°C和壓印壓力15分鐘后自然冷卻，再透過PDMS塊進(jìn)行紫外曝光lmin30s ；對曝光后的SU-8光刻膠以80°C烘烤固化5分鐘，使玻璃模板上的光柵結(jié)構(gòu)復(fù)制到SU-8光刻膠上，在SU-8光刻膠上形成光柵結(jié)構(gòu)圖形；3、將PDMS塊從SU_8光刻膠上去除，用UV膠帶粘附在SU_8光刻膠上，根據(jù)表面粘附能的不同，可以輕松地將SU-8光刻膠轉(zhuǎn)移到柔性UV膠帶上。在柔性基底上制得完美的納米光柵圖形。UV膠帶在未曝光之前具有比較強的粘性，經(jīng)過曝光4min，失去粘性。4、取一 Si片，經(jīng)丙酮擦洗后在烘箱中烘烤(130°C，30min)，然后對其進(jìn)行氧氣等離子體處理，增加表面能，增加光刻膠的粘附力，對Si基底進(jìn)行氧氣等離子體處理的真空度為25Pa，功率為60W，轟擊時間為5min。隨后旋涂一層薄SU-8光刻膠，這層SU-8光刻膠的厚度非常重要，它是尺寸控制的關(guān)鍵因素。將其置于熱臺上前烘(90°C，IOmin)，制得封裝層Si基底。
5、將步驟c所制得的SU-8膠光柵結(jié)構(gòu)圖形進(jìn)行氧氣等離子體處理，增加這層光刻膠的表面能，利于后續(xù)鍵合工藝的進(jìn)行。對SU-8光刻膠進(jìn)行氧氣等離子體處理的真空度為25Pa，功率為60W，轟擊時間為10秒；然后將這層UV基底上的SU-8光刻膠反扣覆蓋在步驟d制得的具有薄SU-8光刻膠的封裝層Si基底上，用滾筒來回滾壓UV膠帶基底，使得SU-8光柵結(jié)構(gòu)與封裝層Si基底接觸均勻，再在UV膠帶基底上放置一重為0.25kg的鐵塊，并在烘臺上以65°C加熱I分鐘。Si基底上的薄SU-8光刻膠在毛細(xì)力作用下填充溝槽，形成微納米通道結(jié)構(gòu)。6、透過UV膠帶對各SU-8光刻膠層進(jìn)行紫外曝光，對曝光時間的掌握非常重要，曝光時間短，UV膠帶還有粘性，機械揭下UV膠帶就顯得非常困難，曝光時間長，光刻膠變性，影響通道的外形和強度。經(jīng)過實驗驗證，曝光時間選為4min，此時，UV膠帶完全失去粘性。完成曝光后后烘，使得各SU-8光刻膠層充分固化交聯(lián)，完成鍵合，形成一定強度的SU-8流體通道。烘烤溫度80°C，時間7-8min。隨即，去除SU-8光刻膠上的UV膠帶完成SU-8微納米流體系統(tǒng)的制作。本實施例中各步驟中的紫外曝光光源的波長為365nm。
權(quán)利要求
1.一種逆向熱鍵合技術(shù)制作尺寸可控的微納米流體系統(tǒng)的方法，其特征是首先在預(yù)處理過的光柵模板上涂覆一層SU-8光刻膠，通過逆向壓印技術(shù)將圖形復(fù)制到SU-8光刻膠上，然后根據(jù)各界面間的粘附能不同的原理，使用UV膠帶將固化的SU-8光刻膠揭下來，圖形成功轉(zhuǎn)移到柔性UV膠帶上。另取一 Si片旋涂一層薄SU-8光刻膠形成封裝層Si基底，將上述制得的SU-8膠圖形結(jié)構(gòu)層覆蓋在Si基底上，經(jīng)逆向熱鍵合技術(shù)制得微納米流體系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的逆向熱鍵合技術(shù)制作尺寸可控的微納米流體系統(tǒng)的方法，其特征是按如下步驟操作: a、光柵模板經(jīng)過預(yù)處理后，在上面旋涂一層脫模劑，然后置于85-95°C的熱臺上加熱15分鐘。
b、在處理過的光柵模板上旋涂一層SU-8光刻膠，在烘臺上加熱80°C，5min后，取一PDMS塊壓在光刻膠上，PDMS塊上放一重為0.5kg的鐵塊，用以逆向壓印光刻膠，使光刻膠充分填充模板溝槽，保持80°C和壓印壓力15分鐘后自然冷卻，再透過PDMS塊進(jìn)行紫外曝光lmin30s ;對曝光后的SU-8光刻膠以80°C烘烤固化5分鐘，使玻璃模板上的光柵結(jié)構(gòu)復(fù)制到SU-8光刻膠上，在SU-8光刻膠上形成光柵結(jié)構(gòu)； C、將PDMS塊從SU-8光刻膠上去除，用UV膠帶粘附在SU-8光刻膠上，根據(jù)表面粘附能的不同，可以輕松地將SU-8光刻膠轉(zhuǎn)移到柔性UV膠帶上。在柔性基底上制得光柵結(jié)構(gòu)圖形。
d、取一Si片，經(jīng)丙酮擦洗后在烘箱中烘烤(130°C，30min)，然后對其進(jìn)行氧氣等離子體處理。隨后旋涂一層薄SU-8光刻膠，這層SU-8光刻膠的厚度非常重要，它是尺寸控制的關(guān)鍵因素。將其置于熱臺上前烘(90°C，IOmin)，制得封裝層Si基底。
e、將步驟c所制得的SU-8膠光柵結(jié)構(gòu)圖形進(jìn)行氧氣等離子體處理；然后反扣覆蓋在步驟d制得的具有薄SU- 8光刻膠的封裝層Si基底上，用滾筒來回滾壓UV膠帶基底，使得SU-8光柵結(jié)構(gòu)與封裝層Si基底接觸均勻，再在UV膠帶基底上放置一重為0.25kg的重物，并在烘臺上以65°C加熱I分鐘。Si基底上的薄SU-8光刻膠在毛細(xì)力作用下填充溝槽，形成微納米通道結(jié)構(gòu)。
f、透過UV膠帶對各SU-8光刻膠層進(jìn)行紫外曝光，曝光時間4min，此時，UV膠帶完全失去粘性。完成曝光后后烘，使得各SU-8光刻膠層充分固化交聯(lián)，完成鍵合，形成一定鍵合強度的SU-8流體通道。烘烤溫度80°C，時間7-8min。隨即，去除SU-8光刻膠上的UV膠帶完成SU-8微納米流體系統(tǒng)的制作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是步驟a中光柵模板的預(yù)處理是首先將光柵模板在濃H2SO4和雙氧水的混合溶液中浸泡兩個小時，再用去離子水洗滌，置于烘箱中烘烤以除去水汽。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是步驟b中SU-8光刻膠的厚度大約為5um，溶劑為甲苯。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述步驟b中所用的PDMS塊是以PDMS預(yù)聚體和固化劑，按照體積比10: I混合獲得，混合后靜置I小時備用。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述步驟c中UV膠帶是一種特殊的膠帶，在曝光前，這種膠帶具有比較強的粘性，經(jīng)過曝光，膠帶失去粘性。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是在所述步驟d、e中對Si片及光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行氧氣等離子體處理的真空度為25Pa，功率為60W，轟擊時間分別為5min和15秒。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述各步驟中的紫外曝光光源的波長為365nm，曝光劑量為 200mJ/cm2。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種逆向熱鍵合技術(shù)制作尺寸可控的微納米流體系統(tǒng)的方法，首先在預(yù)處理過的光柵模板上涂覆一層SU-8光刻膠，通過逆向壓印技術(shù)將圖形復(fù)制到SU-8光刻膠上，然后根據(jù)各向界面間的粘附能不同的原理，使用UV膠帶將固化的SU-8光刻膠揭下來，圖形成功轉(zhuǎn)移到柔性UV膠帶上。另取一Si片旋涂一層薄SU-8光刻膠形成封裝層Si基底，將上述制得的SU-8膠圖形結(jié)構(gòu)層覆蓋在Si基底上，經(jīng)逆向熱鍵合技術(shù)制得微納米流體系統(tǒng)。本發(fā)明將壓印技術(shù)與鍵合技術(shù)融合在一起，工藝操作簡單，無需高溫高壓，且通道尺寸可控，不易出現(xiàn)堵塞。制造成本低，利于大面積生產(chǎn)。
文檔編號B81C1/00GK103145089SQ201210394199
公開日2013年6月12日 申請日期2012年10月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月1日
發(fā)明者王旭迪, 涂呂星, 劉玉東, 陶偉, 王時飛 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)