微流控芯片材料與鍵合方法

文章出處：等離子清洗機(jī)廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時間：2023-09-14

鍵合的定義為，通過一些特定工藝，將兩種相同或不同的材料相互接觸，在接觸界面處，通過范德華力，化學(xué)鍵甚至原子力實現(xiàn)材料在分子層面的相互連接，從而使兩種材料成為一體的技術(shù)。在微流控器件的制造工藝中，鍵合是非常關(guān)鍵重要的環(huán)節(jié)，因為對微流體的操控需要在密封的通道內(nèi)實現(xiàn)，因此鍵合質(zhì)量直接關(guān)系到器件的使用性能。而微流控芯片的鍵合方法，與微流控芯片的材料是密切相關(guān)的，針對不同材料的微流控芯片與基底，鍵合方法也不盡相同。

早期微流控芯片的材料主要為硅與玻璃，原因在于材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，玻璃的光學(xué)性質(zhì)優(yōu)良，并且對硅基材料的加工工藝已在半導(dǎo)體領(lǐng)域獲得了較為成熟的發(fā)展。針對該材料微流控芯片的鍵合方法主要有熱鍵合、陽極鍵合與表面改性鍵合。熱鍵合的基本原理是對器件進(jìn)行高溫高壓處理，一般適用于同質(zhì)材料鍵合。在高溫環(huán)境下，材料內(nèi)部的分子運(yùn)動變得活躍，在鍵合界面處發(fā)生分子或原子擴(kuò)散現(xiàn)象，因而在冷卻至室溫時，兩材料即可成為一體。其他鍵合技術(shù)，例如超聲鍵合，激光鍵合等也是通過各自獨特的方式在鍵合界面施加高溫，使局部材料轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴趹B(tài)或玻璃態(tài)實現(xiàn)鍵合，其核心原理與熱鍵合相似。陽極鍵合是目前硅與玻璃材料最常用的鍵合技術(shù)，將硅片與玻璃保持緊密貼合，其中玻璃與電源負(fù)極相連，硅與正極相連，施加500~1000V的電壓。在電場作用下，玻璃內(nèi)部的Na+向陰極移動，O2-向鍵合界面移動，與Si原子結(jié)合，形成Si-O-Si鍵實現(xiàn)鍵合。表面改性鍵合則是通過各種表面改性方法，促進(jìn)鍵合界面處的擴(kuò)散效應(yīng)或形成化學(xué)鍵，但僅依靠表面改性無法形成鍵合，還需施以高溫高壓的條件，例如加壓退火等工藝。由于硅與玻璃材料的加工成本較高，且鍵合工藝較為復(fù)雜，如今已逐漸被聚合物材料所替代。

聚合物相比硅與玻璃，具有不易碎、成本低廉、易于加工等優(yōu)勢，逐漸成為目前主流的微流控芯片材料。其中使用頻率最高的有聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）與聚二甲基硅氧烷（PDMS）。其中，PMMA作為一種熱塑性塑料，可以通過微注射成型工藝實現(xiàn)大批量制造，基于熱鍵合原理，可以把芯片的成型與鍵合集成在注塑模具中，極大地縮短鍵合周期。同時，也可以使用溶劑鍵合的方法，通過有機(jī)溶劑對鍵合界面處聚合物的溶解作用，可使材料在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象，降低了熱鍵合所需要的溫度與壓力，對于芯片通道具有一定的保護(hù)效果。PDMS作為一種彈性體材料，可通過將預(yù)聚體與固化劑混合后加熱固化而成，制造工藝簡單，不需要專用的成型設(shè)備，通道結(jié)構(gòu)復(fù)制良好，同時具有較好的透光性與生物相容性，是目前是實驗室內(nèi)研究微流控技術(shù)最常用的材料之一。

在PDMS芯片的鍵合方法中，應(yīng)用較多的主要有膠粘鍵合與等離子表面改性鍵合。膠粘鍵合是通過在芯片與基底之間引入一層膠粘劑作為中間層實現(xiàn)PDMS與同質(zhì)及異質(zhì)材料的鍵合，工藝簡單，但對于操作精度提出了較高的要求。因為微通道的尺寸通常處于幾十微米至幾百微米之間，需要謹(jǐn)慎地控制膠粘劑的涂覆工藝，否則膠粘劑會流入通道中，造成微通道堵塞。由于膠粘層的引入，通道的性質(zhì)發(fā)生了改變，若應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，則還要考慮膠粘劑的生物相容性。等離子表面改性鍵合，是通過對PDMS表面進(jìn)行等離子處理，在其表面引入一層活性化學(xué)基團(tuán)，這些基團(tuán)在鍵合界面處會發(fā)生反應(yīng)，相互之間形成共價鍵，實現(xiàn)鍵合。使用等離子表面改性的方法不會改變材料本身性質(zhì)，對材料的生物相容性也沒有影響，并且改性時間較短，操作簡單，鍵合反應(yīng)可以自發(fā)地進(jìn)行，非常適用于PDMS與其他材料的鍵合。