CN1799820A

CN1799820A - 一种聚合物微流体***的热压键合方法

Info

Publication number: CN1799820A
Application number: CN 200410103236
Authority: CN
Inventors: 刘刚; 朱学林; 田扬超; 阚娅
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2004-12-31
Filing date: 2004-12-31
Publication date: 2006-07-12

Abstract

本发明聚合物微流体***的热压键合方法，将一个含有微结构和另一个不含微结构的聚合物薄片表面进行清洁并保持干燥，特征是将该聚合物的单体或同系物添加到不含微结构的聚合物表面，添加量为被添加的聚合物表面重量的 10％－40％，添加深度在0.1－10微米；将这两个表面面对面放入两个平板之间，加上0.5－5MPa压力，在低于聚合物玻璃化温度5－20℃下保持不少于2分钟；撤去压力，缓慢冷却至室温，即得到已键合的聚合物微流体***；添加方法可选用蒸汽法、旋转涂片法或浸渍法。本发明通过添加聚合物单体或同系物，降低了聚合物表面的玻璃化转变温度，解决了键合强度问题，提高了键合效率。工艺简单，可适应不同表面平整度的聚合物微结构的键合。

Description

一种聚合物微流体***的热压键合方法

技术领域：

本发明属于微电子机械***的键合方法技术领域，特别是涉及聚合物微流体***的热压键合技术。

背景技术：

随着微细加工技术的发展，以聚合物材料为主的加工工艺在微流控芯片及生物芯片的研究日益受到重视，形成了一类新的生化微流体***器件。聚合物材料不仅具有良好的生物兼容性，而且种类繁多，价格低廉，且易于通过模压、注射成型和其它复制技术实现大规模低成本的生产，克服了以硅或玻璃材料为主的加工工艺生产生化微***的高成本低产量的局限性。同时，聚合物材料很容易通过表面改性来改变电渗流，具有广阔的应用前景。

键合是生化微流体***制作中一个关键的工艺环节，对于聚合物材料，目前多采用粘接或热键合。粘接是一种很方便的键合技术，但还存在着有很多不足。美国《分析化学》(Anal.Chem.，73，2001，p4196-4201)指出，由于粘接剂与基体材料不同，可能产生样品区带增宽，同时，粘接剂又容易堵塞微通道，而且存在可能的污染问题。热键合是比较通用的键合技术，通常键合温度越高，键合强度也越大，键合越容易实现，但是聚合物微结构的热形变也就越大。所以，通常热键合温度低于聚合物的玻璃化转变温度，这就带来了键合强度低的问题，难以满足微流体***实用化的需要。为了解决这个问题，英国《微电子学》(Microelectronics Journal，34(3)，2003，p179-185)提出了采用局部加热熔融的方法使需键合的局部区域熔融粘接而其它部位处于低温状态。但是这种方法控制复杂、均匀性难以保证，同时，它的键合效率很低，只适合点键合和线键合。为了适应聚合物面键合的需要，德国《微***技术》(Microsystem technologies，10，2004，p372-374)提出了利用紫外光降解聚合物的方法来降低聚合物近表面的分子量，从而降低键合表面的玻璃化转变温度，这样就可以选择合适的热压键合温度，使它高于聚合物表面的玻璃化转变温度而又低于聚合物本体的玻璃化转变温度，可以在提高键合强度的同时减小微结构的热形变。这种方法虽然简单，但是还存在着明显的不足：首先，适用于紫外光降解的聚合物种类较少，绝大多数聚合物的玻璃化转变温度在紫外辐照后不会降低；其次，已降解聚合物的很多性能发生了改变，这会大大地改变微流体***的性能。

发明内容：

本发明提出一种聚合物微流体***的热压键合方法，通过添加聚合物的单体或同系物来降低聚合物表面的玻璃化转变温度，以解决现有技术尚未解决的聚合物微流体***的热压键合强度问题。

本发明聚合物微流体***的热压键合方法，先将需要相互键合的一个含有微结构和另一个不含微结构的聚合物薄片表面进行清洁处理并保持干燥，其特征在于将该聚合物的单体或同系物添加到不含微结构的聚合物表面，所述单体或同系物的添加量为被添加的聚合物表面重量的10％-40％，添加深度在0.1-10微米；将这两个表面面对面放入两个平板之间，加上0.5-5Mpa压力，在低于聚合物玻璃化温度5-20℃下保持不少于2分钟；撤去压力，缓慢冷却至室温，即得到已键合的聚合物微流体***。

根据所采用的聚合物与其单体或同系物的溶解性质和所需的添加深度，可选用以下方法来添加单体或同系物：

1、如果单体或同系物是其聚合物的良溶剂、所需的添加深度较浅，可选用蒸汽法：将聚合物放入单体或同系物的蒸汽中，温度控制在室温到单体或同系物的沸点，时间为1分钟-1小时；可通过控制时间和/或温度来控制添加量和添加深度，添加的深度一般为0.1-1微米；

2、如果单体或同系物不是其聚合物的良溶剂、所需的添加深度较浅，可选用旋转涂片法：将单体或同系物滴在聚合物表面，以500-2000转/分钟的速度旋转聚合物0.1-1分钟，温度控制在室温到聚合物的玻璃化温度之间，使其表面被均匀涂上单体或同系物；可通过控制旋转速度、时间和/或温度来控制添加量，其添加深度一般为0.1-2微米；

3、如果所需的添加深度较深，可选用浸渍法：将聚合物浸在单体或同系物中0.1-5分钟，温度控制在室温到聚合物玻璃化温度之间；可通过控制时间和/或温度控制添加量和添加深度，其添加的深度一般为1-10微米。

与现有技术相比，由于本发明采用了在不含微结构的聚合物表面添加聚合物单体或同系物，降低了聚合物表面的玻璃化转变温度，从而实现了在聚合物的玻璃化转变温度之上进行聚合物微结构的热压键合，克服了常规热压键合技术的不足，有效地解决了聚合物微流体***的键合强度问题，同时缩短了键合时间，提高了键合效率。本发明方法工艺简单，可以适应不同表面平整度的聚合物微结构的键合，同时采用聚合物的单体或同系物不会带来污染问题，是对热压键合技术制作聚合物微流体***方法的完善和拓展。

为了在实现键合的同时尽量不改变聚合物微结构的尺寸和表面性能，工艺上应该在保证两键合面充分接触的前提下将较少量的聚合物单体或同系物添加到聚合物表面。如果含有微结构的聚合物表面平整度较好，则聚合物的单体或同系物添加到不含微结构的聚合物表面的深度可以较浅，反之则需要较深，以满足两表面的充分接触。

具体实施方式：

下面结合实施例对聚合物微结构热压键合的具体过程进一步加以说明。

实施例1.聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微流体***的键合

1)PMMA薄片的清洁、干燥

取两片2mm厚的PMMA薄片，一片含有微结构图形，其表面平整度小于1微米，一片不含图形，尺寸都为5cm×5cm。先使用乙醇将两片PMMA薄片清洁干净，再用去离子水洗涤干净，然后将两片PMMA薄片放入烘箱中80℃烘4小时，最后放入干燥箱中保存。

2)PMMA薄片的表面改性

将不含微结构图形的PMMA薄片放在甩胶机上，在薄片上滴加聚合物单体甲基丙烯酸甲酯(MMA)，1000转/分钟旋转涂敷10秒。

MMA可以溶解PMMA，但它不是PMMA的良溶剂。如果含有微结构的PMMA表面平整度较好，可以采用旋转涂片法来进行PMMA薄片的表面改性，将较少的MMA添加到PMMA的表面。

3)PMMA微流体***的热压键合

将两片PMMA薄片放入两个平板之间，有微结构的一面与用MMA处理过的一面相对。85℃、0.5Mpa条件下保持2分钟。

热压键合工艺中，键合强度是随着键合温度的提高、键合压力的增大和键合时间的延长而逐渐增大的，在较高温度、较大压力和较长时间条件下进行键合可以获得更好的键合强度。

由于聚合物单体的添加降低了聚合物表面的玻璃化转变温度，使得热压键合可以在高于聚合物表面的玻璃化温度之上进行，这就使得键合容易进行，键合时间可以大大缩短，通常的热压键合一般需要1小时。

4)撤去温度和压力

撤去压力，缓慢将温度降至室温，降温速率为2℃/分钟，得到已键合的PMMA微流体***。

实施例2.聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微流体***的键合

1)PMMA薄片的清洁、干燥

取两片2mm厚的PMMA薄片，一片含有微结构图形，其表面平整度大于1微米，一片不含图形，尺寸都为5cm×5cm。先使用乙醇将两片PMMA薄片清洁干净，再用去离子水洗涤干净，然后将两片PMMA薄片放入烘箱中80℃烘4小时，最后放入干燥箱中保存。

2)PMMA薄片的表面改性

在玻璃容器中加入聚合物单体MMA，然后将不含微结构图形的PMMA薄片放入MMA中，1分钟后取出，用氮气将表面附着MMA吹去。

MMA可以溶解PMMA，但它不是PMMA的良溶剂。如果含有微结构的PMMA表面平整度不好，可以采用浸渍法来进行PMMA薄片的表面改性，将较多的MMA添加到PMMA的表面。

3)PMMA微流体***的热压键合

4)撤去温度和压力

实施例3.聚苯乙烯(PS)微流体***的键合

1)PS薄片的清洁、干燥

取两片2mm厚的PS薄片，一片含有微结构图形，其表面不平整度小于1微米，一片不含图形，尺寸都为5cm×5cm。先使用乙醇将两片PS薄片清洁干净，再用去离子水洗涤干净，然后将两片PS薄片放入烘箱中75℃烘4小时，最后放入干燥箱中保存。

2)PS薄片的表面改性

在玻璃容器中加入聚合物单体苯乙烯，然后将不含微结构图形的PS薄片加热到75℃后放入玻璃容器中，在苯乙烯的蒸汽中放置5分钟后取出。

苯乙烯是PS的良溶剂，如果采用旋转涂片法或浸渍法来进行PS薄片的表面改性，可能将太多的苯乙烯添加到PS的表面，故采用蒸汽法比较合适。另外，蒸汽法中温度的控制可以通过分别改变聚合物和单体的温度来实现。

3)PS微流体***的热压键合

将两片PS薄片放入两个平板之间，有微结构的一面与用苯乙烯处理过的一面相对。80℃、0.5Mpa条件下保持2分钟。

4)撤去温度和压力

撤去压力，缓慢将温度降至室温，降温速率为2℃/分钟，得到已键合的PS微流体***。

效果检测：

对上述实施例中得到的聚合物微流体***进行热压键合强度的检测：

将已键合的PMMA和PS微流体***分别放入MTS材料测试仪中进行拉伸测试，测试为力控制模式，逐步加力至微流体***被拉开，加力速率为30牛顿/秒，此时的拉力为聚合物微流体***的热压键合强度。采用同样方法检测利用常规热压键合获得的聚合物微流体***的热压键合强度。

测试结果表明，实施例1中的热压键合强度为0.07Mpa，采用常规热压键合的热压键合强度为0.01Mpa；实施例2中的热压键合强度为0.08Mpa，采用常规热压键合未能实现有效的热键合；实施例3中的热压键合强度为0.03Mpa，采用常规热压键合的热压键合强度为0.01Mpa。所以，添加聚合物单体的聚合物微流体***热压键合强度为常规热压键合强度的3-7倍，本发明可以有效地提高热压键合强度。

Claims

1、一种聚合物微流体***的热压键合方法，先将需要相互键合的一个含有微结构和另一个不含微结构的聚合物薄片表面进行清洁处理并保持干燥，其特征在于将该聚合物的单体或同系物添加到不含微结构的聚合物表面，所述单体或同系物的添加量为被添加的聚合物表面重量的10％-40％，添加深度在0.1-10微米；将这两个表面面对面放入两个平板之间，加上0.5-5Mpa压力，在低于聚合物玻璃化温度5-20℃下保持不少于2分钟；撤去压力，缓慢冷却至室温，即得到已键合的聚合物微流体***。

2、如权利要求1所述聚合物微流体***的热压键合方法，其特征在于所述将聚合物单体或同系物添加到不含微结构的聚合物表面采用蒸汽法，即：将聚合物放入单体或同系物的蒸汽中，温度控制在室温到单体或同系物的沸点，时间为1分钟-1小时。

3、如权利要求1所述聚合物微流体***的热压键合方法，其特征在于所述将聚合物单体或同系物添加到不含微结构的聚合物表面采用旋转涂片法，即：将单体或同系物滴在聚合物表面，以500-2000转/分钟的速度旋转聚合物0.1-1分钟，温度控制在室温到聚合物的玻璃化温度之间，使其表面被均匀涂上单体或同系物。

4、如权利要求1所述聚合物微流体***的热压键合方法，其特征在于所述将聚合物单体或同系物添加到不含微结构的聚合物表面采用浸渍法，即：将聚合物浸在单体或同系物中0.1-5分钟，温度控制在室温到聚合物玻璃化温度之间。