专利名称：基于有机聚合物材质微流控芯片的有机溶剂辅助键合方法
技术领域：
本发明涉及一种微流控芯片的键合方法，具体涉及一种基于有机聚合物材质(聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯等)的微流控芯片的溶剂辅助键合方法。
背景技术：
微流控芯片是利用微加工技术，将微沟道、微储液池及微检测器等功能元器件，集成在几平方厘米大小的基底材料上，从而实现进样、混合、分离等功能。自微流控芯片问世以来，芯片键合就一直是芯片设计过程中的关键步骤。目前聚合物材质的微流控芯片在国内外比较典型的键合方式主要包括热压键合法、胶黏剂封合法、表面活化辅助键合法和有机溶剂辅助键合法等。热压键合法是采用粉末压片机在一定温度和压力下实现芯片的封合。但由于聚合物材料的硬度和软化温度远低于硅、玻璃等其他芯片基底材料，因此对其进行热键合时，容易造成微沟道横截面形状的改变。胶黏剂封合法是使用非基片材料作为胶黏剂实现对芯片的键合封装，工艺步骤简单，但使用粘合剂进行封装，极易导致微沟道阻塞。表面活化辅助键合法是使用氧等离子体或光线照射对有机聚合物材料键合界面进行活化并完成键合的一种工艺，等离子体活化是一种快速高效的封装方法，但是需要真空密闭环境及扩散泵、分子泵等设备，成本昂贵，不适宜大规模生产。有机溶剂辅助键合法是在芯片键合界面涂抹有机溶剂，利用有机溶剂作为黏合剂实现芯片封合。有机溶剂辅助键合法简单易行，键合强度高，应用广泛，但是在键合程中，有机溶剂极易进入微沟道，造成沟道阻塞或形变。总之，上述聚合物微流控芯片的键合方法在实际应用过程中存在各种实际问题。这有悖于微流控芯片通过集成化、微型化实现普及的宗旨，从而限制其在各个领域的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于有机聚合物材质的微流控芯片溶剂辅助键合方法，它改进了传统的有机溶剂辅助键合工艺，避免了键合过程中，有机容溶剂对微沟道的阻塞，减小了沟道形变量，同时可以简化芯片键合的工艺流程、缩短芯片键合时间、保证微流控芯片键合的质量，有利于微流控芯片的普及。本发明的目的是通过如下方案实现的:
a、利用有机溶剂饱和蒸汽对待键合聚合物微流控芯片的盖片进行熏蒸处理，根据所选用的聚合物芯片材料不同，熏蒸时间范围控制在3(Γ200秒；
b、将熏蒸后的聚合物盖片与带有微沟道的聚合物基片通过固定模具组装后，放入干燥箱内；根据所选用的聚合物芯片材料不同，键合温度控制范围在25 65°C，键合时间范围控制为21分钟。芯片键合强度和微沟道形变量可以通过调节熏蒸时间、键合温度、键合时间控制。键合后，微沟道的形变量小于2%，键合强度大于lN/cm2。本发明所述的溶剂辅助键合是利用三氯甲烷、异丙醇、丙酮等有机溶剂饱和蒸汽对有机聚合物芯片键合界面进行熏蒸。所述芯片材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚碳酸酯(PC)等有机高分子聚合物。相比国内外其他聚合物微流控芯片的键合方法，本发明采用熏蒸式有机溶剂辅助键合方法，使有机物材料芯片在常压条件下完成键合，需要的工艺成本低，工艺步骤少，易于在聚合物材质微流控芯片的键合领域推广应用，具体优点如下:
1、PMMA及其他聚合物材质的微流控芯片在键合后微沟道产生的形变量较小；
2、制作PMMA及其他聚合物材质的微流控芯片的键合工艺参数容易控制，使得微流控芯片的键合工艺流程得到简化，键合时间缩短；
3、PMMA及其他聚合物材质的微流控芯片的键合效率高；
4、PMMA及其他聚合物材质的微流控芯片的键合成本低；
5、溶剂辅助键合法支持由不同种类聚合物材质构成的复合式微流控芯片键合；
6、可以通过控制熏蒸时间、键合时间和键合温度来适应不同聚合物芯片材质。
图1为熏蒸冷凝装置的结构示意图。图2为沟道深度为300微米的PMMA材质芯片键合前横截面照片 图3为沟道深度为300微米的PMMA材质芯片键合后横截面照片
图4为沟道深度为100微米深PMMA材质芯片键合前横截面照片。图5为沟道深度为100微米深PMMA材质芯片键合后横截面照片。
具体实施例方式具体实施方式
一:本实施方式依照如下步骤进行基于PMMA有机聚合物材料的微流控芯片的溶剂辅助键合:
(I)将待键合PMMA微流控盖片(不含有微结构的微流控芯片)清洗、烘干，备用。键合前300微米深PMMA聚合物微沟道横截面照片如图2所示。(2)将上述待键合PMMA微流控盖片放入熏蒸装置中，通过该装置产生的有机溶剂蒸汽，对聚合物基片进行熏蒸处理。为避免有机溶剂蒸汽对空气造成的污染，熏蒸装置中还包含了蒸汽冷凝设备，用于回收废气。按照图1组装熏蒸冷凝装置，其中:1、试管架，2、温度计，3、三口烧瓶，4、酒精灯，
5、恒压漏斗，6、压力计，7、熏蒸室，8、恒温水浴，9、冷凝管，10、真空泵接口，11、抽滤瓶，12、冷却水接口，13、待键合芯片。测试装置的密闭性并在恒压漏斗和三口烧瓶内加入1/2体积的三氯甲烷，打开冷凝循环水。(3)对待键合聚合物盖片行熏蒸处理，步骤如下:加热三口烧瓶内的三氯甲烷，观测温度计示数，当示数为62°C时，三氯甲烷沸腾，产生蒸汽后维持加热温度不变。观测压力计示数，当压力计示数显示为21.2kPa时(室温20°C时三氯甲烷的饱和气压)，打开真空泵，通过对加热温度的控制维持熏蒸装置内部三氯甲烷蒸汽的饱和度。维持水浴温度范围在6(T65°C以防止熏蒸室内的有机蒸汽凝结,熏蒸时间控制在10(Tl20秒。有机蒸汽通过熏蒸室后，进入冷凝装置，通过冷凝管液化，废液流入抽滤瓶，避免环境污染。(4)熏蒸结束后，迅速关闭酒精灯和恒温水浴，15秒后关闭真空泵和循环冷却水，待装置内部有机蒸汽排放干净、熏蒸室内温度恢复室温后，取出PMMA盖片与带有微沟道的PMMA基片通过卡具组装，放入干燥箱内键合，设置键合温度为40°C，键合时间为5分钟。(5)键合结束后，关闭干燥箱，待箱内温度恢复至室温后取出芯片，进行抗拉测试，芯片的键合强度大于lN/cm2。键合后300微米深PMMA聚合物微沟道横截面照片如图3所示。与键合前微沟道横截面照片(图2)相比，键合后的微沟道形貌无明显改变，键合界面清晰、完整。
具体实施方式
二:本实施方式与具体实施方式
一不同的是键合过程中所使用的有机溶剂为丙酮。因此实验条件与实施方式一有所不同，当温度计示数为56°C时丙酮沸腾，压力计示数为24.64 kPa时(室温20°C时丙酮的饱和气压)，打开真空泵，通过对加热温度的控制维持熏蒸装置内部丙酮蒸汽的饱和度。维持水浴温度范围在55飞(TC以防止熏蒸室内的有机蒸汽凝结，熏蒸时间控制在8(Γ100秒。使用卡具组装熏蒸后的芯片，并放入干燥箱内键合，设置键合温度为45°C，键合时间为5分钟。比较键合前100微米深PMMA聚合物微沟道横截面照片(图4)和键合后100微米深PMMA聚合物微沟道横截面照片(图5)，键合后的微沟道形貌无明显改变，键合界面清晰、完整。
具体实施方式
三:本实施方式与具体实施方式
一不同的是键合过程中所使用的聚合物芯片盖片为聚 碳酸甲酯(PC)，因此实验条件与实施方式一有所不同。熏蒸时间控制在17(Γ200秒。使用卡具组装熏蒸后的芯片，并放入干燥箱内键合，设置键合温度为60°C，键合时间为10分钟。本发明的技术方案不局限于以上所列举具体实施方式
，不能以此限定本发明的保护范围。本领域人员还可以对其进行局部改变，只要是没有超出本专利的精神实质，都示为对本专利的等同替换，都在本专利的保护范围之内。
权利要求
1.基于有机聚合物材质微流控芯片的有机溶剂辅助键合方法，其特征在于所述方法步骤如下: a、利用有机溶剂饱和蒸汽对待键合聚合物微流控芯片的盖片进行熏蒸处理3(Γ200秒； b、将熏蒸后的聚合物盖片与带有微沟道的聚合物基片通过固定模具组装后，放入干燥箱内，在温度为25飞5°C的条件下键合2 8分钟。
2.根据权利要求1所述的基于有机聚合物材质微流控芯片的有机溶剂辅助键合方法，其特征在于所述有机溶剂为三氯甲烷、异丙醇或丙酮。
3.根据权利要求1所述的基于有机聚合物材质微流控芯片的有机溶剂辅助键合方法，其特征在 于所述芯片材质为聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷或聚碳酸酯。
全文摘要
基于有机聚合物材质微流控芯片的有机溶剂辅助键合方法，涉及一种微流控芯片的键合方法。本发明的键合方法是通过如下方案实现的a.利用有机溶剂饱和蒸汽对待键合聚合物微流控芯片的盖片进行熏蒸处理30～200秒；b.将熏蒸后的聚合物盖片与带有微沟道的聚合物基片通过固定模具组装后，放入干燥箱内，在温度为25～65℃的条件下键合2～8分钟。本发明改进了传统的有机溶剂辅助键合工艺，避免了键合过程中，有机溶剂对微沟道的阻塞，减小了沟道形变量，同时可以简化芯片键合的工艺流程、缩短芯片键合时间、保证微流控芯片键合的质量，有利于微流控芯片的普及。
文档编号B81C3/00GK103172018SQ20131008483
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月18日 优先权日2013年3月18日
发明者刘晓为, 张贺, 韩小为, 王蔚, 田丽 申请人:哈尔滨工业大学