微流控芯片材料与键合方法

文章出处：等离子清洗机厂家 | 深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2023-09-14

键合的定义为，通过一些特定工艺，将两种相同或不同的材料相互接触，在接触界面处，通过范德华力，化学键甚至原子力实现材料在分子层面的相互连接，从而使两种材料成为一体的技术。在微流控器件的制造工艺中，键合是非常关键重要的环节，因为对微流体的操控需要在密封的通道内实现，因此键合质量直接关系到器件的使用性能。而微流控芯片的键合方法，与微流控芯片的材料是密切相关的，针对不同材料的微流控芯片与基底，键合方法也不尽相同。

早期微流控芯片的材料主要为硅与玻璃，原因在于材料化学性质稳定，玻璃的光学性质优良，并且对硅基材料的加工工艺已在半导体领域获得了较为成熟的发展。针对该材料微流控芯片的键合方法主要有热键合、阳极键合与表面改性键合。热键合的基本原理是对器件进行高温高压处理，一般适用于同质材料键合。在高温环境下，材料内部的分子运动变得活跃，在键合界面处发生分子或原子扩散现象，因而在冷却至室温时，两材料即可成为一体。其他键合技术，例如超声键合，激光键合等也是通过各自独特的方式在键合界面施加高温，使局部材料转变为熔融态或玻璃态实现键合，其核心原理与热键合相似。阳极键合是目前硅与玻璃材料最常用的键合技术，将硅片与玻璃保持紧密贴合，其中玻璃与电源负极相连，硅与正极相连，施加500~1000V的电压。在电场作用下，玻璃内部的Na+向阴极移动，O2-向键合界面移动，与Si原子结合，形成Si-O-Si键实现键合。表面改性键合则是通过各种表面改性方法，促进键合界面处的扩散效应或形成化学键，但仅依靠表面改性无法形成键合，还需施以高温高压的条件，例如加压退火等工艺。由于硅与玻璃材料的加工成本较高，且键合工艺较为复杂，如今已逐渐被聚合物材料所替代。

聚合物相比硅与玻璃，具有不易碎、成本低廉、易于加工等优势，逐渐成为目前主流的微流控芯片材料。其中使用频率最高的有聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）与聚二甲基硅氧烷（PDMS）。其中，PMMA作为一种热塑性塑料，可以通过微注射成型工艺实现大批量制造，基于热键合原理，可以把芯片的成型与键合集成在注塑模具中，极大地缩短键合周期。同时，也可以使用溶剂键合的方法，通过有机溶剂对键合界面处聚合物的溶解作用，可使材料在玻璃化转变温度以下发生扩散现象，降低了热键合所需要的温度与压力，对于芯片通道具有一定的保护效果。PDMS作为一种弹性体材料，可通过将预聚体与固化剂混合后加热固化而成，制造工艺简单，不需要专用的成型设备，通道结构复制良好，同时具有较好的透光性与生物相容性，是目前是实验室内研究微流控技术最常用的材料之一。

在PDMS芯片的键合方法中，应用较多的主要有胶粘键合与等离子表面改性键合。胶粘键合是通过在芯片与基底之间引入一层胶粘剂作为中间层实现PDMS与同质及异质材料的键合，工艺简单，但对于操作精度提出了较高的要求。因为微通道的尺寸通常处于几十微米至几百微米之间，需要谨慎地控制胶粘剂的涂覆工艺，否则胶粘剂会流入通道中，造成微通道堵塞。由于胶粘层的引入，通道的性质发生了改变，若应用于生物医学领域，则还要考虑胶粘剂的生物相容性。等离子表面改性键合，是通过对PDMS表面进行等离子处理，在其表面引入一层活性化学基团，这些基团在键合界面处会发生反应，相互之间形成共价键，实现键合。使用等离子表面改性的方法不会改变材料本身性质，对材料的生物相容性也没有影响，并且改性时间较短，操作简单，键合反应可以自发地进行，非常适用于PDMS与其他材料的键合。