PDMS芯片与铌酸锂基底的等离子改性键合

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：2024-10-09

PDMS是一种弹性体材料，结构式如图1-1-a所示。使用PDMS制造的微流控芯片可以通过等离子改性键合工艺与多种基底材料实现键合，在微流控领域有广泛地应用。声表面波微流控芯片的基底材料为铌酸锂。铌酸锂是一种压电材料，具有铁电相结构，本质上为离子晶体，其中Nb-O骨架带负电，Li+带正电，结构式如图1-1-b所示。铌酸锂是目前应用较广的新型压电材料之一，具备良好的压电换能特性，是主要使用的声表面波材料之一，同时也在光波导、压电传感器、光学调制器以及各类线性与非线性光学中获得了重要的应用。

图1.1 PDMS 与铌酸锂的结构式

PDMS芯片与铌酸锂基底的等离子改性键合原理

等离子键合的方法主要通过生成不可逆的Li-O-Si键，来实现铌酸锂衬底与PDMS之间的键合。当带有叉指换能器的铌酸锂衬底与PDMS管道都制作完成后，需要使用氧气等离子（O2PlasmaCleaner）处理将二者“粘连”集成在一起。把表面干净的PDMS与铌酸锂放置在氧气等离子的环境中，高能等离子轰击PDMS和铌酸锂的表面，破坏原有的Li-O键和和Si-O键，生成新的Li-OH键合Si-OH键。当氧等离子处理过的PDMS表面和铌酸锂表面接触在一起时，Li-OH与Si-OH发生缩聚反应，生成不可逆的Li-O-Si键，其具有高的强度，实现“粘连”。

等离子键合流程如下：

a)铌酸锂衬底处理：由于铌酸锂基底涂有一层光刻胶，先用丙酮去除表面的光刻胶。接着把基底放入装有丙酮的蒸发皿中，盖上玻璃片。接着将蒸发皿放入到超声波清洗池中处理5min。之后用金属镊子取出衬底，放入装有无水乙醇的蒸发皿中，盖上玻璃片，放入超声波清洗池中，用超声波处理5min。用镊子取出，放入装有去离子水的蒸发皿中，盖上玻璃片，放入超声波清洗池中，用超声波处理5min。之后用塑料镊子取出，氮气吹干。最后把衬底放入无尘盒中，备用。

b)取两块载波片，用乙醇擦拭干净。作为PDMS和铌酸锂衬底的托盘

c)取出准备好的PDMS管道。把没有管道凹槽的面上的静电无胶膜去除，并将它贴在前面准备好的载玻片。然后去掉有管道一面的静电无胶膜，放入无尘盒中备用。
d)设置等离子清洗机，设置如下，先设置处理时间为2min，再设置真空率为5.0×101Pa，最后打开氧气瓶，开启真空泵，按下启动开关，等到达真空率后，调节功率旋钮，使的电流表的数值和电压表的数值的乘积约为150W，最后手动按下停止按钮，关闭真空泵，关闭氧气阀。等离子清洗机设置完成。

e)把铌酸锂衬底放在另一块载玻片上，有金属叉指的一面朝上。

f)打开等离子清洗机的舱门，把载有铌酸锂的载玻片和载有PDMS管道的载玻片放入到舱内的玻璃平台上，关上舱门。打开氧气瓶，启动真空泵，按下启动按钮。等待处理完成。

g)等离子处理完毕后，立即取出铌酸锂彻底和PDMS管道，把铌酸锂放置在操作台上（下面有载玻片保护），手持PDMS管道，让铌酸锂衬底上的定位点和PDMS管道上的定位点先对齐再贴合。

h)把键合的管道，连同作为基底的盖玻片一起放入到恒温干燥箱中，并在玻片上添加200克的砝码。设置恒温干燥箱的温度为60度，烘烤2个小时，强化键合的效果。
i)烘烤完成后，移除两个载玻片，如图1.2(a)所示，放置在显微镜中观察管道的效果，如图1.2(b)是流体汇入区域的管道，如图1.2(c)是出口分界点区域的管道。这样基于SSAW的分选器件就键合完成了。