CN102910577A - 一种基于pmma材质及其它有机聚合物的微流控芯片的微波界面加热键合方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于PMMA材质及其它有机聚合物的微流控芯片的微波界面加热键合方法，涉及一种微流控芯片的键合方法。本发明的微波界面加热键合方法包括如下步骤：将微波吸收材料均匀涂敷于微流控芯片的基片和盖片的键合界面一侧，然后将芯片的基片和盖片中带有涂层的一侧对齐盖合置于带有电磁波发生装置的密闭容器中，控制微波功率范围在400-1000W，键合瞬时温度范围在95-200℃，键合时间为30-200S。本发明采用微波加热的方式，在键合的时候不需要施加外部压力，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。
Description
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PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，俗称有机玻璃）材质及其它有机聚合物的微流控芯片的微波界面加热键合方法。
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上。微流控芯片以芯片为操作平台，以分析化学为基础，以微机电加工技术为依托，以微管道网络为结构特征。它的目标是把整个生化实验室的功能，包括采样、反应、分离、检测等集成在微芯片上，且可以重复使用。最终，各个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系统，用以实现常规化学或生物实验室的各种功能。
微流控芯片消耗试样和试剂极少，检测精度高、检测时间短。芯片制作成本低，能够对特定离子、化合物、DNA片段等做出高灵敏有效检测，特别对有机物分子表现出来的高效、高通量、低成本的分离分析能力。这无疑将使微流控芯片分离技术与化学发光技术的联用成为环境检测，药物分析等研究中的重要手段。近年来，随着微加工技术、MEMS技术以及电子技术的日益成熟，微流控芯片向着集成化、微型化的方向发展。
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是热压法、超声波键合法等。热压法所采用的粉末压片机，设备成本较高，预热和键合的时间都比较长，并且在键合过程中需要施加一定的压力，容易造成微沟道横截面形状的改变。在进行热压键合之后，微流控芯片上的有机物会附着在压片机加热块或者垫片上，不易清洗。超声波键合法在使用的时候需要在芯片上制作导能筋，这增加了芯片制作的工序和复杂度。当超声波发生器本身的功率不足以融化导能筋的时候，还需要对芯片进行升温预热。同时，和热压法一样，超声键合法通常也需要在微流控芯片的上下表面施加一定的压力。如果控制不当，同样会增加沟道形变量。此外，其它的将上下两个基片结合的封合方法也存在一些问题，如胶粘法，在粘合过程中容易堵塞微沟道，并且胶的固化时间也比较长。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PMMA材质及其它有机聚合物的微流控芯片的微波界面加热键合方法，它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，从而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：
将微波吸收材料均匀涂敷于微流控芯片的基片和盖片的键合界面一侧，然后将芯片的基片和盖片中带有涂层的一侧对齐盖合置于带有电磁波发生装置的密闭容器中，控制微波功率范围在400-1000W，键合瞬时温度范围在95-200℃，键合时间为30-200S。
此处不必提到必须使用另外一项专利的装置，因为他们是同时申请，不属于现有技术，在实施方式中写清楚该装置的结构即可。
本发明将吸波涂层均匀涂覆于芯片的基片和盖片的键合界面处，电磁波发射装置和聚合物微流控芯片均被置于一个可以防止电磁波泄漏并且有一定隔热作用的封闭容器内。用电磁波在密闭容器内辐射加热，此时键合界面处的吸波材料吸收微波辐射释放热量，键合界面受热形成短暂的半熔融状态，从而完成键合。键合时间在几十秒，电磁发生装置所发出的微波功率和发射时间可以分别精确控制到瓦和秒级，所以键合界面处的熔融状态可以得到有效控制，从而减小微沟道的形变量、增加键合强度。芯片的选材为有机玻璃以及其它有机聚合物，芯片的几何尺寸不受限制，键合后，微沟道的形变量小于2%，键合强度大于1N/cm2。
相比国内外其它聚合物微流控芯片的键合方法，本发明采用微波加热的方式，在键合的时候不需要施加外部压力，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及其它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及其它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及其它聚合物材质的微流控芯片的键合效率高；
4、PMMA及其它聚合物材质的微流控芯片键合的成本低；
5、可以通过控制吸波涂料涂覆的量，来优化键合时的升温速率和幅度适应不同聚合物材料的键合需求；
6、将吸波涂层和聚合物微流控芯片的键合工艺进行有机结合。
附图说明
图1为键合前的微流控芯片的横截面示意图。
图2为键合后的微流控芯片的横截面示意图。
图3为电磁波键合装置的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式按照如下方法进行基于PMMA材质及其它有机聚合物的微流控芯片的微波界面加热键合：
首先，准备好芯片的基片和盖片。
然后，将芯片基片和盖片的键合界面一侧均匀涂覆吸波涂层，该涂层所吸收的电磁波处于微波波段。本次采用PMMA作为微流控芯片的材质，由于PMMA材质的玻璃化温度较低，因此吸波涂层的厚度比较薄（其厚度的数量级为0.1μm），其成分为碳单质。
最后，将芯片的基片和盖片中带有涂层的一侧对齐盖合（图1）置于带有电磁波发生装置的密闭容器（电磁波键合装置）中。由于密闭容器空间比较大，所以一次键合过程中，可以同时放置多枚芯片进行键合，以提高该键合工艺的效率。其中，微流控芯片上微沟道的尺寸为150μm×150μm。将电磁波功率设定为800W，定时为90秒，启动电源。为防止容器内电磁波反射对于电磁波发生装置的损坏，可以在里面置入一个盛满水的烧杯。键合过程结束后，开启容器待芯片冷却后取出。经过显微观测，芯片键合后（图2），微沟道的几何尺寸为149μm×148μm。经沟道横截面显微观测，微沟道键合后的形变量小于2%。经过抗拉测试，芯片的键合强度大于1N/cm2。测试表明，键合过程中瞬时（不超过3秒）的最高温度范围为95-200℃。至此，本次微流控芯片微波界面加热键合成功。
具体实施方式中给出具体数值
本实施方式中，芯片的选材除了有机玻璃外还可以是其它有机聚合物（包括聚碳酸酯或聚对二甲苯），芯片的几何形状与键合面积不受限制。
本实施方式中，吸波涂层的厚度均匀并且可以准确控制到0.1mg级别，即涂层的厚度在nm级，并且能够根据需要准确增加或者减少涂层的厚度，使得升温速率和幅度得到有效控制，能够适应不同聚合物材料的键合需求，使得芯片的键合强度满足实际需求。将吸波涂料倒入含有分散剂的溶液进行磁力搅拌和超声震荡直至混合均匀形成稀溶液，利用喷枪将涂料喷涂到芯片键合界面处然后烘干，如此反复。此时形成的吸波涂层比较均匀。在每次喷涂和烘干后可以用精密天平称量重量，直到涂层重量达到要求，完成喷涂过程。
本实施方式中，在键合一个过程中，在键合装置内可以放置多于10个微流控芯片，单个芯片的键合时间相对降低，提高了键合效率，降低了键合成本。
如图3所示，本实施方式中，电磁波键合装置由电磁波发生装置2、功率控制器3、定时器4、K型测温热电偶与温度显示器5、防电磁波泄漏的隔热密闭容器1、加热基板6组成。所述防电磁波泄漏的隔热密闭容器1是利用微波屏蔽材料和隔热材料制作而成的微波加热装置的外壳，该密闭容器能够有效隔绝电磁辐射，防止对操作者的伤害；同时，容器在密闭状态下能够一定程度上防止热量的散失。隔热密闭容器1内部设置有电磁波发生装置2和加热基板6，温度传感器（即K型热电偶）与加热基片6相连接，温度显示可以精确到0.1度，能够实时显示温度的波动，当温度出现异常波动时，可以对键合过程实施人为的干预或者终止。隔热密闭容器1底部内置梯形的载物台8，载物台8用以承载加热基板6和被加热的微流控芯片7。其中，微波可以通过的耐高温载物台8。电磁波发生装置2为内置磁控管的微波发生装置，位于容器的右上方，磁控管与位于隔热密闭容器外部的功率控制器3和定时器4相连接，以便于控制微波辐射的强度和时间。该装置所使用的一切部件均为现有技术。
Claims (4)
1.一种基于PMMA材质及其它有机聚合物的微流控芯片的微波界面加热键合方法，其特征在于所述微波界面加热键合方法包括如下步骤：将微波吸收材料均匀涂敷于微流控芯片的基片和盖片的键合界面一侧，然后将芯片的基片和盖片中带有涂层的一侧对齐盖合置于带有电磁波发生装置的密闭容器中，控制微波功率范围在400-1000W，键合瞬时温度范围在95-200℃，键合时间为30-200S。
2.根据权利要求1所述的一种基于PMMA材质及其它有机聚合物的微流控芯片的微波界面加热键合方法，其特征在于所述微流控芯片的材质为有机玻璃、聚碳酸酯或聚对二甲苯。
3.根据权利要求1所述的一种基于PMMA材质及其它有机聚合物的微流控芯片的微波界面加热键合方法，其特征在于所述微波吸收材料为碳单质。
4.根据权利要求1所述的一种基于PMMA材质及其它有机聚合物的微流控芯片的微波界面加热键合方法，其特征在于所述涂层的厚度为nm级。
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