CN104627953B - 一种以su-8光刻胶和pdms为基材的微流控芯片键合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种以SU-8光刻胶和PDMS为基材的微流控芯片键合方法，首先提供一SU-8基片与一PDMS基片，采用异丙醇和去离子水对所述SU-8基片及PDMS基片进行清洗，接着对所述PDMS基片的键合面进行氧等离子体处理，然后采用APTES水溶液对所述SU-8基片及PDMS基片的键合面进行硅烷化改性处理，最后将所述SU-8基片及PDMS基片的键合面相互贴合并进行按压加热，以键合所述SU-8基片及PDMS基片，形成完整微流控芯片。具有以下有益效果：1）该方法可使用普通低功率等离子体机或电晕放电仪等廉价设备对PDMS基片的键合面进行改性；2）操作过程简单，工艺的可控性、稳定性、重复性高，键合强度、成品率高、不易发生泄漏；3）SU-8基片与PDMS基片的键合有助于实现多功能精密复杂结构的微流控芯片。
Description
技术领域
本发明提供了一种以SU-8光刻胶和PDMS为基材的微流控芯片键合方法。属于微流控芯片领域。
技术背景
微流控技术（Microfluidics）是一个生物、化学、医学、物理、电子、材料、机械等多学科交叉的崭新研究应用领域。微流控芯片又称为芯片实验室（Lab-on-a-chip），是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微纳米尺度的芯片上。微流控芯片以微通道、微结构形成网络，以可控流体贯穿整个***，用以取代常规生物、化学、医学分析实验室的各种功能，实现分析设备的微型化、便携化和多功能化。微流控芯片涉及在微纳米尺度操控纳升至皮升体积的流体和集成多种电学、光学、生化检测手段，其中的微结构、微通道和微腔体往往采用不同材料的键合予以实现，芯片键合的好坏程度极大地影响了芯片的质量和功能。
目前，微流控芯片的加工常采用软光刻技术，以SU-8光刻胶制作微通道阳模，由聚二甲基硅氧烷（PDMS）固化成型倒模后与玻璃或有机聚合物基板键合形成芯片。SU-8光刻胶以其优异的机械性能、热稳定性、电绝缘性和耐腐蚀性，具有自整平、对近紫外光敏感且吸收极小等优点，在MEMS微机电制造和装配方面表现出极大的优势；同时SU-8光刻胶具有很好的生物兼容性，适用于制造BioMEMS生物微机电器件。PDMS是微流控芯片中常用的有机高分子聚合物，通常由PDMS预聚体和固化剂按照一定的质量比混合并聚合而成。PDMS具有优异的生物兼容性和气体通透性，且具有光学透明、电学绝缘、化学惰性以及热稳定性好等优良特性，同时其成本低，使用方便，是微流控芯片广泛应用的加工材料。
然而，PDMS微流控芯片因其材料特性具有一定的局限性：1）由于PDMS的高弹性，无法进行圆片级加工；2）PDMS芯片的键合无法通过光刻掩膜对准机与基底上的精密结构（例如，微电极）进行精确对准，限制了PDMS芯片上高精度检测功能的集成。而SU-8光刻胶有效地克服了PDMS的这些缺点。虽然SU-8很难与PDMS等其他材料直接键合形成微流控芯片，国外依然有学者研究利用SU-8光刻胶直接加工微流控芯片的工艺方法，提出了用简单的气相沉积3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）的方法对SU-8基片表面进行硅烷化处理，另用高功率氧等离子体灰化炉在200W~400W功率范围内对PDMS基片进行表面改性，然而该方法有如下缺点：1）需要高功率等离子体灰化炉，价格昂贵，非一般微流控芯片用户可承受；2）在键合工艺中，需要使用重物压制在加热的芯片上，易造成PDMS基片的形变；3）氧等离子体在高功率范围内可控性、稳定性差，造成制造的成品率低，键合强度低、工艺可重复性差、芯片容易发生泄漏。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种以SU-8光刻胶和PDMS为基材的微流控芯片键合方法，用于解决现有技术中SU-8基片与PDMS基片键合难、成品率、所用设备昂贵且可控性差、键合效果差、易发生泄漏等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供了一种以SU-8光刻胶和PDMS为基材的微流控芯片键合方法，至少包括步骤：采用氧等离子体对所述PDMS基片的键合面进行疏水性至亲水性改性处理，然后采用一定浓度的APTES水溶液对所述SU-8基片和PDMS基片的键合面进行硅烷化改性处理，最后键合所述SU-8基片和PDMS基片。
作为本发明的以SU-8光刻胶和PDMS为基材的微流控芯片键合方法的一种优选方案，至少包括以下步骤：
步骤1：提供一SU-8基片与一PDMS基片，对所述SU-8基片及PDMS基片进行清洗；
步骤2：采用氧等离子体对所述PDMS基片的键合面进行等离子体处理；
步骤3：采用一定浓度的APTES水溶液对所述SU-8基片及PDMS基片的键合面进行硅烷化改性处理；
步骤4：将所述SU-8基片及PDMS基片的键合面相互贴合并进行按压加热，以键合所述SU-8基片及PDMS基片，形成以SU-8光刻胶和PDMS为基材的完整微流控芯片。
进一步地，上述步骤1包括以下步骤：
步骤1-1：提供一SU-8基片与一PDMS基片，用异丙醇对所述SU-8基片及PDMS基片进行清洗；
步骤1-2：采用去离子水对所述SU-8基片及PDMS基片进行清洗，并用清洁空气或氮气进行吹干。
进一步地，作为本发明的以SU-8光刻胶和PDMS为基材的微流控芯片键合方法的一种优选方案，上述步骤2中对所述PDMS基片的键合面进行氧等离子体处理的时间可根据所用等离子体灰化炉、等离子体清洗机、或电晕放电仪的功率范围调整，处理时间为10~60s。
进一步地，上述步骤3包括以下步骤：
步骤3-1：将所述SU-8基片及经氧等离子体改性后的PDMS基片浸入一定浓度的APTES水溶液中；
步骤3-2：采用去离子水对所述SU-8基片及PDMS基片进行清洗，并用清洁空气或氮气进行吹干。
更进一步地，作为本发明的以SU-8光刻胶和PDMS为基材的微流控芯片键合方法的一种优选方案，上述步骤3-1中所述SU-8基片和PDMS基片浸入APTES水溶液的时间为20min。
更进一步地，作为本发明的以SU-8光刻胶和PDMS为基材的微流控芯片键合方法的一种优选方案，上述步骤3-1中所述APTES水溶液的体积比浓度为3%~5%。
进一步地，作为本发明的以SU-8光刻胶和PDMS为基材的微流控芯片键合方法的一种优选方案，上述步骤4中对所述SU-8基片及PDMS基片贴合后加热的温度为90℃，加热时间为10~60min。
如上所述，本发明提供了一种以SU-8光刻胶和PDMS为基材的微流控芯片键合方法，首先提供一SU-8基片与一PDMS基片，采用异丙醇和去离子水对所述SU-8基片及PDMS基片进行清洗，接着采用氧等离子体对所述PDMS基片的键合面进行等离子体处理，然后采用一定浓度的APTES水溶液对所述SU-8基片及PDMS基片的键合面进行硅烷化改性处理，最后将所述SU-8基片及PDMS基片的键合面相互贴合并进行按压加热，以键合所述SU-8基片及PDMS基片，形成以SU-8光刻胶和PDMS为基材的完整微流控芯片。
本发明具有以下有益效果：1）该方法使用氧等离子体的目的仅是对PDMS基片的键合面从疏水性改为亲水性，因此无需价格昂贵的高功率等离子体灰化炉，可使用普通低功率等离子体清洗机或电晕放电仪等廉价设备；2）该操作过程简单，无需重物压制在贴合的芯片上，工艺的可控性、稳定性、可重复性高，键合强度、成品率高，成品微流控芯片不易发生泄漏；3）由于SU-8基芯片加工工艺成熟，可制造复杂精细结构，并易于与微电极等结构进行精确集成，SU-8基片与PDMS基片的键合有助于实现多功能精密结构的的微流控芯片。
附图说明
图1显示为本发明的以SU-8光刻胶和PDMS为基材的微流控芯片键合方法的流程示意图。
图2~图3显示为本发明的以SU-8光刻胶和PDMS为基材的微流控芯片键合方法的步骤1所呈现的示意图。
图4显示为本发明的以SU-8光刻胶和PDMS为基材的微流控芯片键合方法的步骤2所呈现的示意图。
图5~图6显示为本发明的以SU-8光刻胶和PDMS为基材的微流控芯片键合方法的步骤3所呈现的示意图。
图7显示为本发明的以SU-8光刻胶和PDMS为基材的微流控芯片键合方法的步骤4所呈现的示意图。
元件标号说明
101SU-8基片
102SU-8基片的SU-8光刻胶
103SU-8基片的衬底，可采用玻璃或硅材料
104PDMS基片
105APTES水溶液
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的原理下进行各种修饰或改变。
请参阅图1~图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以例示方式说明本发明的基本原理、工作过程及功效，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形成及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可改变，且其组件布局型态亦可更为复杂。
如图1~图7所示，本实施例提供一种以SU-8光刻胶和PDMS为基材的微流控芯片键合方法，至少包括步骤：采用氧等离子体对所述PDMS基片104的键合面进行疏水性至亲水性改性处理，然后采用一定浓度的APTES水溶液105对所述SU-8基片101和PDMS基片104的键合面进行硅烷化改性处理，最后键合所述SU-8基片101和PDMS基片104。
具体地，所述SU-8基片101和PDMS基片104的键合方法至少包括以下步骤：
如图1~图3所示，首先进行步骤1，即S1~S2，提供一SU-8基片101与一PDMS基片104，对所述SU-8基片101及PDMS基片104进行清洗.
进一步地，步骤1包括以下步骤：
步骤1-1：提供一SU-8基片101与一PDMS基片104，用异丙醇对所述SU-8基片101及PDMS基片104进行清洗；
步骤1-2：采用去离子水对所述SU-8基片101及PDMS基片104进行清洗，并用清洁空气或氮气进行吹干。
在本实施例中，采用异丙醇和去离子水清洗SU-8基片101及PDMS基片104的清洗时间无明确限定；洗顺序必须是先用异丙醇清洗，目的是去除所述SU-8基片101与PDMS基片104表面可能存在的有机物及杂质颗粒，然后用去离子水清洗，目的是去除残留的异丙醇及杂质颗粒；用清洁空气或氮气进行吹干可缩短工艺实施时间。在一具体的实施例中，采用异丙醇清洗时间为30~60s，采用去离子水清洗时间为1~2min。
如图1、图4所示，接着进行步骤2，即S3，采用氧等离子体对所述PDMS基片104的键合面进行等离子体处理，目的是将PDMS基片104的键合面从疏水性改性为亲水性。
在本实施例中，采用氧等离子体对所述PDMS基片104的键合面进行等离子体处理的时间可根据所用等离子体设备的功率范围进行调整，处理时间为10s~60s，其调整原则为高功率设备处理时间短，低功率设备处理时间长。在一具体的实施过程中，采用微波等离子体灰化炉对所述PDMS基片104的键合面进行等离子体处理的功率为200~400W，处理的时间为10~15s；在另一具体的实施过程中，采用低功率等离子体清洗机对所述PDMS基片104的键合面进行等离子体处理的功率为30W，处理的时间为30~60s。
如图1、图5~图6所示，然后进行步骤3，即S4~S5，将所述SU-8基片101及PDMS基片104浸入一定浓度的APTES水溶液105中，目的是对SU-8基片101及PDMS基片104的键合面进行硅烷化改性处理。
进一步地，上述步骤3包括以下步骤：
步骤3-1：将所述SU-8基片101及经氧等离子体改性后的PDMS基片104浸入一定浓度的APTES水溶液105中；
步骤3-2：采用去离子水对所述SU-8基片101及PDMS基片104进行清洗，并用清洁空气或氮气进行吹干。
在本实施例中，所用APTES水溶液105的体积比浓度为3%~5%。在一具体的实施例中，将2.5mL液态纯APTES溶于75mL去离子水中，获得3.2%的APTES水溶液105；在另一具体的实施例中，将3mL液态纯APTES溶于60mL去离子水中，获得4.8%的APTES水溶液105；将所述SU-8基片101和PDMS基片104浸入APTES水溶液105的时间为20min，以达到有效地表面硅烷化改性处理；采用去离子水清洗SU-8基片101及PDMS基片104的清洗时间为1~2min，目的是去除残留在基片上的APTES水溶液105。
需要说明的是，在本实施例中，经氧等离子改性后的PDMS基片104不可长时间暴露于空气中，再浸入APTES水溶液105。在一具体的实施例中，经氧等离子改性后的PDMS基片104在1~5min中之内浸入APTES水溶液105中，目的是为了防止亲水性的PDMS基片104因暴露在空气中时间过长后又变为疏水性。
如图1、图7所示，最后进行步骤4，即S6，将所述SU-8基片101及PDMS基片104的键合面相互贴合并进行按压加热，以键合所述SU-8基片101及PDMS基片104，形成完整微流控芯片。
在本实施例中，将所述SU-8基片101及PDMS基片104贴合按压后置于热板加热，热板温度为90℃，加热时间为10~60min。
需要说明的是，将贴合后的微流控芯片置于热板加热时，以SU-8基片101的玻璃或硅材料衬底103接触热板，无需重物压制在上部的PDMS基片104上。该键合方法的最后一步在90℃热板上完成，一方面可有效的加速键合工艺过程，实现高键合强度，且此键合过程不可逆；另一方面，温度设置合理，远低于SU-8光刻胶及PDMS材料的玻璃化温度，对所用加工材料无影响。
综上所述，本发明提供了一种以SU-8光刻胶和PDMS为基材的微流控芯片键合方法，首先提供一SU-8基片与一PDMS基片，采用异丙醇和去离子水对所述SU-8基片及PDMS基片进行清洗，接着采用氧等离子体对所述PDMS基片的键合面进行等离子体处理，然后采用一定浓度的APTES水溶液对所述SU-8基片及PDMS基片的键合面进行硅烷化改性处理，最后将所述SU-8基片及PDMS基片的键合面相互贴合并进行按压加热，以键合所述SU-8基片及PDMS基片，形成完整微流控芯片。具有以下有益效果：1）该方法使用氧等离子体的目的仅是对PDMS基片的键合面从疏水性改为亲水性，因此无需价格昂贵的高功率等离子体灰化炉，可使用普通低功率等离子体清洗机或电晕放电仪等廉价设备；2）该操作过程简单，无需重物压制在贴合的芯片上，工艺的可控性、稳定性、可重复性高，键合强度、成品率高，成品微流控芯片不易发生泄漏；3）由于SU-8基芯片加工工艺成熟，可制造复杂精细结构，并易于与微电极等结构进行精确集成，SU-8基片与PDMS基片的键合有助于实现多功能精密结构的的微流控芯片。所以，本发明有效克服了现有技术中的缺点，且在微流控芯片产业中具有高度利用价值。
上述实施例仅例示性地说明了本发明的基本原理、工艺过程及功效，而非用于限制本发明的应用。任何熟练掌握该技术的人员皆可在不违背本发明的原理下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的原理与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种以SU-8光刻胶和PDMS为基材的微流控芯片键合方法，其特征在于，至少包括步骤：采用氧等离子体对所述PDMS基片的键合面进行疏水性至亲水性改性处理，然后采用一定浓度的APTES水溶液对所述SU-8基片和PDMS基片的键合面进行硅烷化改性处理，最后键合所述SU-8基片和PDMS基片。
2.根据权利要求1所述的以SU-8光刻胶和PDMS为基材的微流控芯片键合方法，其特征在于：至少包括以下步骤：
步骤1：提供一SU-8基片与一PDMS基片，对所述SU-8基片及PDMS基片进行清洗；
步骤2：采用氧等离子体对所述PDMS基片的键合面进行等离子体处理；
步骤3：采用一定浓度的APTES水溶液对所述SU-8基片及PDMS基片的键合面进行硅烷化改性处理；
步骤4：将所述SU-8基片及PDMS基片的键合面相互贴合并进行按压加热，以键合所述SU-8基片及PDMS基片，形成以SU-8光刻胶和PDMS为基材的完整微流控芯片。
3.根据权利要求2所述的以SU-8光刻胶和PDMS为基材的微流控芯片键合方法，其特征在于：步骤1至少包括以下步骤：
步骤1-1：提供一SU-8基片与一PDMS基片，用异丙醇对所述SU-8基片及PDMS基片进行清洗；
步骤1-2：采用去离子水对所述SU-8基片及PDMS基片进行清洗，并用清洁空气或氮气进行吹干。
4.根据权利要求2所述的以SU-8光刻胶和PDMS为基材的微流控芯片键合方法，其特征在于：对所述PDMS基片的键合面进行氧等离子体处理的时间可根据所用等离子体灰化炉、等离子体清洗机、或电晕放电仪的功率范围调整，处理时间为10~60s。
5.根据权利要求2所述的以SU-8光刻胶和PDMS为基材的微流控芯片键合方法，其特征在于：步骤3至少包括以下步骤：
步骤3-1：将所述SU-8基片及经氧等离子体改性后的PDMS基片浸入一定浓度的APTES水溶液中；
步骤3-2：采用去离子水对所述SU-8基片及PDMS基片进行清洗，并用清洁空气或氮气进行吹干。
6.根据权利要求1~5任意一项所述的以SU-8光刻胶和PDMS为基材的微流控芯片键合方法，其特征在于：所述SU-8基片和PDMS基片浸入APTES水溶液的时间为20min。
7.根据权利要求1~5任意一项所述的以SU-8光刻胶和PDMS为基材的微流控芯片键合方法，其特征在于：所述APTES水溶液的体积比浓度为3%~5%。
8.根据权利要求1~5任意一项所述的以SU-8光刻胶和PDMS为基材的微流控芯片键合方法，其特征在于：所述SU-8基片及PDMS基片贴合后加热的温度为90℃，加热时间为10~60min。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant |