專利名稱：基于有機聚合物材質(zhì)微流控芯片的有機溶劑輔助鍵合方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種微流控芯片的鍵合方法，具體涉及一種基于有機聚合物材質(zhì)(聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯等)的微流控芯片的溶劑輔助鍵合方法。
背景技術(shù)：
微流控芯片是利用微加工技術(shù)，將微溝道、微儲液池及微檢測器等功能元器件，集成在幾平方厘米大小的基底材料上，從而實現(xiàn)進樣、混合、分離等功能。自微流控芯片問世以來，芯片鍵合就一直是芯片設計過程中的關(guān)鍵步驟。目前聚合物材質(zhì)的微流控芯片在國內(nèi)外比較典型的鍵合方式主要包括熱壓鍵合法、膠黏劑封合法、表面活化輔助鍵合法和有機溶劑輔助鍵合法等。熱壓鍵合法是采用粉末壓片機在一定溫度和壓力下實現(xiàn)芯片的封合。但由于聚合物材料的硬度和軟化溫度遠低于硅、玻璃等其他芯片基底材料，因此對其進行熱鍵合時，容易造成微溝道橫截面形狀的改變。膠黏劑封合法是使用非基片材料作為膠黏劑實現(xiàn)對芯片的鍵合封裝，工藝步驟簡單，但使用粘合劑進行封裝，極易導致微溝道阻塞。表面活化輔助鍵合法是使用氧等離子體或光線照射對有機聚合物材料鍵合界面進行活化并完成鍵合的一種工藝，等離子體活化是一種快速高效的封裝方法，但是需要真空密閉環(huán)境及擴散泵、分子泵等設備，成本昂貴，不適宜大規(guī)模生產(chǎn)。有機溶劑輔助鍵合法是在芯片鍵合界面涂抹有機溶劑，利用有機溶劑作為黏合劑實現(xiàn)芯片封合。有機溶劑輔助鍵合法簡單易行，鍵合強度高，應用廣泛，但是在鍵合程中，有機溶劑極易進入微溝道，造成溝道阻塞或形變。總之，上述聚合物微流控芯片的鍵合方法在實際應用過程中存在各種實際問題。這有悖于微流控芯片通過集成化、微型化實現(xiàn)普及的宗旨，從而限制其在各個領域的應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于有機聚合物材質(zhì)的微流控芯片溶劑輔助鍵合方法，它改進了傳統(tǒng)的有機溶劑輔助鍵合工藝，避免了鍵合過程中，有機容溶劑對微溝道的阻塞，減小了溝道形變量，同時可以簡化芯片鍵合的工藝流程、縮短芯片鍵合時間、保證微流控芯片鍵合的質(zhì)量，有利于微流控芯片的普及。本發(fā)明的目的是通過如下方案實現(xiàn)的:
a、利用有機溶劑飽和蒸汽對待鍵合聚合物微流控芯片的蓋片進行熏蒸處理，根據(jù)所選用的聚合物芯片材料不同，熏蒸時間范圍控制在3(Γ200秒；
b、將熏蒸后的聚合物蓋片與帶有微溝道的聚合物基片通過固定模具組裝后，放入干燥箱內(nèi)；根據(jù)所選用的聚合物芯片材料不同，鍵合溫度控制范圍在25 65°C，鍵合時間范圍控制為21分鐘。芯片鍵合強度和微溝道形變量可以通過調(diào)節(jié)熏蒸時間、鍵合溫度、鍵合時間控制。鍵合后，微溝道的形變量小于2%，鍵合強度大于lN/cm2。本發(fā)明所述的溶劑輔助鍵合是利用三氯甲烷、異丙醇、丙酮等有機溶劑飽和蒸汽對有機聚合物芯片鍵合界面進行熏蒸。所述芯片材質(zhì)為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚碳酸酯(PC)等有機高分子聚合物。相比國內(nèi)外其他聚合物微流控芯片的鍵合方法，本發(fā)明采用熏蒸式有機溶劑輔助鍵合方法，使有機物材料芯片在常壓條件下完成鍵合，需要的工藝成本低，工藝步驟少，易于在聚合物材質(zhì)微流控芯片的鍵合領域推廣應用，具體優(yōu)點如下:
1、PMMA及其他聚合物材質(zhì)的微流控芯片在鍵合后微溝道產(chǎn)生的形變量較小；
2、制作PMMA及其他聚合物材質(zhì)的微流控芯片的鍵合工藝參數(shù)容易控制，使得微流控芯片的鍵合工藝流程得到簡化，鍵合時間縮短；
3、PMMA及其他聚合物材質(zhì)的微流控芯片的鍵合效率高；
4、PMMA及其他聚合物材質(zhì)的微流控芯片的鍵合成本低；
5、溶劑輔助鍵合法支持由不同種類聚合物材質(zhì)構(gòu)成的復合式微流控芯片鍵合；
6、可以通過控制熏蒸時間、鍵合時間和鍵合溫度來適應不同聚合物芯片材質(zhì)。


圖1為熏蒸冷凝裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為溝道深度為300微米的PMMA材質(zhì)芯片鍵合前橫截面照片 圖3為溝道深度為300微米的PMMA材質(zhì)芯片鍵合后橫截面照片
圖4為溝道深度為100微米深PMMA材質(zhì)芯片鍵合前橫截面照片。圖5為溝道深度為100微米深PMMA材質(zhì)芯片鍵合后橫截面照片。
具體實施例方式具體實施方式
一:本實施方式依照如下步驟進行基于PMMA有機聚合物材料的微流控芯片的溶劑輔助鍵合:
(I)將待鍵合PMMA微流控蓋片(不含有微結(jié)構(gòu)的微流控芯片)清洗、烘干，備用。鍵合前300微米深PMMA聚合物微溝道橫截面照片如圖2所示。(2)將上述待鍵合PMMA微流控蓋片放入熏蒸裝置中，通過該裝置產(chǎn)生的有機溶劑蒸汽，對聚合物基片進行熏蒸處理。為避免有機溶劑蒸汽對空氣造成的污染，熏蒸裝置中還包含了蒸汽冷凝設備，用于回收廢氣。按照圖1組裝熏蒸冷凝裝置，其中:1、試管架，2、溫度計，3、三口燒瓶，4、酒精燈，
5、恒壓漏斗，6、壓力計，7、熏蒸室，8、恒溫水浴，9、冷凝管，10、真空泵接口，11、抽濾瓶，12、冷卻水接口，13、待鍵合芯片。測試裝置的密閉性并在恒壓漏斗和三口燒瓶內(nèi)加入1/2體積的三氯甲烷，打開冷凝循環(huán)水。(3)對待鍵合聚合物蓋片行熏蒸處理，步驟如下:加熱三口燒瓶內(nèi)的三氯甲烷，觀測溫度計示數(shù)，當示數(shù)為62°C時，三氯甲烷沸騰，產(chǎn)生蒸汽后維持加熱溫度不變。觀測壓力計示數(shù)，當壓力計示數(shù)顯示為21.2kPa時(室溫20°C時三氯甲烷的飽和氣壓)，打開真空泵，通過對加熱溫度的控制維持熏蒸裝置內(nèi)部三氯甲烷蒸汽的飽和度。維持水浴溫度范圍在6(T65°C以防止熏蒸室內(nèi)的有機蒸汽凝結(jié),熏蒸時間控制在10(Tl20秒。有機蒸汽通過熏蒸室后，進入冷凝裝置，通過冷凝管液化，廢液流入抽濾瓶，避免環(huán)境污染。(4)熏蒸結(jié)束后，迅速關(guān)閉酒精燈和恒溫水浴，15秒后關(guān)閉真空泵和循環(huán)冷卻水，待裝置內(nèi)部有機蒸汽排放干凈、熏蒸室內(nèi)溫度恢復室溫后，取出PMMA蓋片與帶有微溝道的PMMA基片通過卡具組裝，放入干燥箱內(nèi)鍵合，設置鍵合溫度為40°C，鍵合時間為5分鐘。(5)鍵合結(jié)束后，關(guān)閉干燥箱，待箱內(nèi)溫度恢復至室溫后取出芯片，進行抗拉測試，芯片的鍵合強度大于lN/cm2。鍵合后300微米深PMMA聚合物微溝道橫截面照片如圖3所示。與鍵合前微溝道橫截面照片(圖2)相比，鍵合后的微溝道形貌無明顯改變，鍵合界面清晰、完整。
具體實施方式
二:本實施方式與具體實施方式
一不同的是鍵合過程中所使用的有機溶劑為丙酮。因此實驗條件與實施方式一有所不同，當溫度計示數(shù)為56°C時丙酮沸騰，壓力計示數(shù)為24.64 kPa時(室溫20°C時丙酮的飽和氣壓)，打開真空泵，通過對加熱溫度的控制維持熏蒸裝置內(nèi)部丙酮蒸汽的飽和度。維持水浴溫度范圍在55飛(TC以防止熏蒸室內(nèi)的有機蒸汽凝結(jié)，熏蒸時間控制在8(Γ100秒。使用卡具組裝熏蒸后的芯片，并放入干燥箱內(nèi)鍵合，設置鍵合溫度為45°C，鍵合時間為5分鐘。比較鍵合前100微米深PMMA聚合物微溝道橫截面照片(圖4)和鍵合后100微米深PMMA聚合物微溝道橫截面照片(圖5)，鍵合后的微溝道形貌無明顯改變，鍵合界面清晰、完整。
具體實施方式
三:本實施方式與具體實施方式
一不同的是鍵合過程中所使用的聚合物芯片蓋片為聚 碳酸甲酯(PC)，因此實驗條件與實施方式一有所不同。熏蒸時間控制在17(Γ200秒。使用卡具組裝熏蒸后的芯片，并放入干燥箱內(nèi)鍵合，設置鍵合溫度為60°C，鍵合時間為10分鐘。本發(fā)明的技術(shù)方案不局限于以上所列舉具體實施方式
，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍。本領域人員還可以對其進行局部改變，只要是沒有超出本專利的精神實質(zhì)，都示為對本專利的等同替換，都在本專利的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.基于有機聚合物材質(zhì)微流控芯片的有機溶劑輔助鍵合方法，其特征在于所述方法步驟如下: a、利用有機溶劑飽和蒸汽對待鍵合聚合物微流控芯片的蓋片進行熏蒸處理3(Γ200秒； b、將熏蒸后的聚合物蓋片與帶有微溝道的聚合物基片通過固定模具組裝后，放入干燥箱內(nèi)，在溫度為25飛5°C的條件下鍵合2 8分鐘。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有機聚合物材質(zhì)微流控芯片的有機溶劑輔助鍵合方法，其特征在于所述有機溶劑為三氯甲烷、異丙醇或丙酮。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有機聚合物材質(zhì)微流控芯片的有機溶劑輔助鍵合方法，其特征在 于所述芯片材質(zhì)為聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷或聚碳酸酯。
全文摘要
基于有機聚合物材質(zhì)微流控芯片的有機溶劑輔助鍵合方法，涉及一種微流控芯片的鍵合方法。本發(fā)明的鍵合方法是通過如下方案實現(xiàn)的a.利用有機溶劑飽和蒸汽對待鍵合聚合物微流控芯片的蓋片進行熏蒸處理30～200秒；b.將熏蒸后的聚合物蓋片與帶有微溝道的聚合物基片通過固定模具組裝后，放入干燥箱內(nèi)，在溫度為25～65℃的條件下鍵合2～8分鐘。本發(fā)明改進了傳統(tǒng)的有機溶劑輔助鍵合工藝，避免了鍵合過程中，有機溶劑對微溝道的阻塞，減小了溝道形變量，同時可以簡化芯片鍵合的工藝流程、縮短芯片鍵合時間、保證微流控芯片鍵合的質(zhì)量，有利于微流控芯片的普及。
文檔編號B81C3/00GK103172018SQ20131008483
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月18日
發(fā)明者劉曉為, 張賀, 韓小為, 王蔚, 田麗 申請人:哈爾濱工業(yè)大學