CN104607256A - 等离子体辅助热压键合微流控芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种等离子体辅助热压键合微流控芯片及其制备方法，所述方法包括：对基片和盖片分别进行等离子处理，使所述基片的表面形成第一活化层，并且所述盖片的表面形成第二活化层；利用所述第一活化层和所述第二活化层对所述基片和所述盖片进行热压键合，得到所述微流控芯片。本发明提供的方法在键合工艺参数上降低了键合温度与时间，显著提高了热键合的生产效率及良率，且键合强度为直接热键合的3-5倍，而微结构的变形量比直接热键合显著降低。
Description
技术领域
本发明涉及生物科学微全分析***(Micro Total Analysis System，μ-TAS)技术领域，尤其涉及一种等离子体辅助热压键合微流控芯片及其制备方法。
背景技术
微流控芯片是指通过微加工技术及其它加工方法将一个生物或化学实验室微缩到一块只有几平方厘米大的薄片。在一块芯片上构建的化学或生物实验室可以将化学和生物领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测、细胞培养、分选、裂解等基本操作单元进行集成。最终，上述的操作单元可以集成到一块很小的芯片上，由微通道形成网络，用可控流体贯穿整个***，用以实现常规化学或生物实验室的各种功能。
目前热塑性聚合物的微流控芯片制作中使用最广泛的键合方法是直接热键合法，其主要工艺是将基片与盖片配合后放入加热腔内，然后利用加热装置基片和盖片进行加热，与此同时对其施加一定压力。当材料被加热到玻璃化温度Tg附近并且压力达到设定的键合压力时，进入保温保压阶段。在这个过程中，由于受到较高的温度和外部压力作用，器件表面紧密贴合，分子间作用力不断增强。待保温保压一段时间后，开始对基片和盖片降温，当温度降低到材料的Tg以下时，卸载芯片上的压力，最终基片和盖片会在表面分子间作用力下实现键合。
直接热键合法不改变微结构表面的特性，也不引入其他的物质，所以微结构表面均匀一致。然而，在这一方法中键合强度和微结构的变形量是很难兼顾的矛盾，由于分子间作用力和接触界面之间距离的高次方成反比，因此只有在较高温度和压力下，两界面上聚合物分子间才能够产生较强的相互作用力，而获得高强度的键合。但是温度、压力过高则容易导致微通道变形量过大，还会引起基片整体变形和键合残余应力过大。另外设备开机预热和键合的时间都比较长，并且在热压键合之后，微流控芯片上的有机物会附着在加热块或者垫片上，不易清洗。
发明内容
本发明的目的是通过等离子体处理热塑性微流控芯片，能够降低热压键合的条件，并能够提高键合强度，显著降低微通道变形量，从而协助热压键合的规模化生产。
第一方面，本发明提供了一种等离子体辅助热压键合微流控芯片的制备方法，所述方法包括：对基片和盖片分别进行等离子处理，使所述基片的表面形成第一活化层，并且所述盖片的表面形成第二活化层；利用所述第一活化层和所述第二活化层对所述基片和所述盖片进行热压键合，得到所述微流控芯片。
优选的，所述基片和盖片的材料均为热塑性聚合物。
优选的，所述等离子处理的气体为O2或体积比1:1的O2/N2混合气体，功率为50W-100W，处理时间为1分钟-3分钟，气体流速为100sccm-400sccm。
优选的，所述热压键合的温度为80℃-100℃，压强为1Mpa-5Mpa，时间为5分钟-15分钟。
优选的，所述利用所述第一活化层和所述第二活化层对所述基片和所述盖片进行热压键合具体为：
将所述基片和所述盖片放入热压设备中，并将所述第一活化层与所述第二活化层对准；
利用所述热压设备，将所述第一活化层和所述第二活化层贴合在一起，并在预设温度下施加压力，从而实现所述基片和所述盖片的热压键合。
优选的，所述基片包括沟槽；在所述热压键合后，所述基片与所述盖片间，通过所述沟槽形成微通道。
第二方面，本发明提供了一种如上述第一方面所述的等离子体辅助热压键合微流控芯片的制备方法制备的微流控芯片。
本发明提供了一种等离子体辅助热压键合微流控芯片及其制备方法，在微流控芯片键合前的预处理环节中，利用等离子体改性技术在等离子体机腔体中对微流控芯片表面进行等离子体处理，提高芯片表面活性后进入热压机中实现键合。本发明提供的方法在键合工艺参数上降低了键合温度与时间，显著提高了热键合的生产效率，且键合强度为直接热键合的3-5倍，而微结构的变形量比直接热键合显著降低。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的等离子体辅助热压键合微流控芯片的制备方法流程图；
图2为本发明实施例一提供的等离子体辅助热压键合微流控芯片的制备方法示意图；
图3为本发明实施例一提供的等离子体辅助热压键合微流控芯片的制备方法示意图；
图4为本发明实施例一提供的等离子体辅助热压键合微流控芯片的制备方法示意图；
图5为本发明实施例四提供的微流控芯片剖面图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。应当理解为这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明，但并不意于限制本发明的保护范围。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的等离子体辅助热压键合微流控芯片的制备方法流程图，如图1所示，所述方法包括：
S110,对基片和盖片分别进行等离子处理，使所述基片的表面形成第一活化层，并且所述盖片的表面形成第二活化层.
具体的，将基片和盖片键合面朝上放入等离子处理机中，使所述基片的表面形成第一活化层，并且所述盖片的表面形成第二活化层，如图2所示。
具体的，所述基片和盖片的材料均为热塑性聚合物。例如，聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、环烯烃聚合物(Cyclo-olefin polymer，COP)等。
具体的，所述等离子处理的气体为O2或体积比1:1的O2/N2混合气体，功率为50W-100W，处理时间为1分钟-3分钟，气体流速为100sccm-400sccm。
S120,利用所述第一活化层和所述第二活化层对所述基片和所述盖片进行热压键合，得到所述微流控芯片。
具体的，将所述基片和所述盖片放入热压设备中，并将所述第一活化层与所述第二活化层对准，如图3所示；利用所述热压设备，将所述第一活化层和所述第二活化层贴合在一起，并在预设温度下施加压力，从而实现所述基片和所述盖片的热压键合，得到所述微流控芯片，如图4所示。
具体的，所述热压键合的温度为80℃-100℃，压强为1Mpa-5Mpa，时间为5分钟-15分钟。
具体的，所述基片包括沟槽；在所述热压键合后，所述基片与所述盖片间，通过所述沟槽形成微通道。
本实施例提供的等离子体辅助热压键合微流控芯片的制备方法，在微流控芯片键合前的预处理环节中，利用等离子体改性技术在等离子体机腔体中对微流控芯片表面进行等离子体处理，提高芯片表面活性后进入热压机中实现键合。本实施例提供的方法在键合工艺参数上降低了键合温度与时间，显著提高了热键合的生产效率，且键合强度为直接热键合的3-5倍，而微结构的变形量比直接热键合显著降低。
为更好的理解本发明提供的技术方案，下述以多个具体实例分别说明应用本发明上述实施例提供的制备方法制备微流控芯片的具体过程，及其性能。
实施例二
一种PC等离子体辅助热压键合微流控芯片的制备方法，步骤如下：
1、PC基片和盖片规格为37.5*25*0.6mm，等离子处理气体选择为体积比1:1的O2/N2混合气体，将PC芯片的基片和盖片键合面朝上放入等离子体处理机中。
2、设置等离子处理功率为50W，等离子体处理时间2分钟，气体流速为200sccm通入处理机中，对芯片的基片和盖片进行表面活化处理。
3、对芯片等离子处理完毕后，将芯片的基片和盖片对准上下贴合在一起，放入热压键合机中，设置热压参数温度100℃，压强3Mpa，时间10min。
4、完毕后取出样品进行测试，通过3D显微镜测试得到沟槽宽度变化率在3％以下，破坏芯片后通过台阶仪测试得到沟槽深度变化率在10％以下。
实施例三
一种PMMA等离子体辅助热压键合微流控芯片的制备方法，步骤如下：
1，PMMA基片和盖片规格为45*37*0.6mm，等离子体气体选择为O2，将PMMA芯片的基片和盖片键合面朝上放入等离子体处理机中。
2，设置等离子处理功率为100W，等离子体处理时间1分钟，气体流速为300sccm通入处理机中，对PMMA芯片基片和盖片进行表面活化处理。
3，对芯片等离子处理完毕后，将芯片的基片和盖片对准上下贴合在一起，放入热压键合机中，设置热压参数温度80℃，压强1Mpa，时间5min。
4，完毕后取出样品进行测试，通过3D显微镜测试得到沟槽宽度变化率在2％以下，破坏芯片后通过台阶仪测试得到沟槽深度变化率在10％以下。
以上实施例是在本发明技术方案为前提下，给出的详细实施材料组分和具体制备工艺过程，但本发明的保护范围不限于上述实施例。
实施例四
本实施例提供的微流控芯片由实施例一中的等离子体辅助热压键合微流控芯片的制备方法制备而成，图5为本发明实施例四提供的微流控芯片剖面图，如图5所示，所述微流控芯片包括：盖片1、基片2。
盖片1和基片2经过等离子处理后，表面形成活化层，在热压设备中经过处理后，键合在一起，形成微流控芯片。基片2上设置有沟槽，基片2与盖片1间，通过沟槽3形成微通道。
需要说明的是，尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解为本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种等离子体辅助热压键合微流控芯片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
对基片和盖片分别进行等离子处理，使所述基片的表面形成第一活化层，并且所述盖片的表面形成第二活化层；
利用所述第一活化层和所述第二活化层对所述基片和所述盖片进行热压键合，得到所述微流控芯片。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基片和盖片的材料均为热塑性聚合物。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述等离子处理的气体为O2或体积比1:1的O2/N2混合气体，功率为50W-100W，处理时间为1分钟-3分钟，气体流速为100sccm-400sccm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热压键合的温度为80℃-100℃，压强为1Mpa-5Mpa，时间为5分钟-15分钟。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述利用所述第一活化层和所述第二活化层对所述基片和所述盖片进行热压键合具体为：
将所述基片和所述盖片放入热压设备中，并将所述第一活化层与所述第二活化层对准；
利用所述热压设备，将所述第一活化层和所述第二活化层贴合在一起，并在预设温度下施加压力，从而实现所述基片和所述盖片的热压键合。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基片包括沟槽；
在所述热压键合后，所述基片与所述盖片间，通过所述沟槽形成微通道。
7.一种如上述权利要求1-6任一权项所述的制备方法制备的微流控芯片。
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