聚二甲基硅氧烷中真空氧等离子体表面改性与键合

关键词: 芯片实验室; P DM S; 键合; 中真空; 氧等 离子体 中图分类号: O 634. 41; O 657 文献标识码 : A 文章编号: 0438 0479( 2005) 06 0792 04 了等离子体活化法的普遍推广使用 . 本文提出了一种在中真空 ( 27 Pa) 条件下 , PDM S 芯片活化及不可逆键合的方法. 利用等离子去胶刻蚀 机活化、 键合 PDMS 微流控芯片, 并研究了活化表面、 键合条件及键合效果 .
间后疏水性恢复的机理仍未 确认. F akes[ 10] 等认为氧 等离子体处理前的 PDM S 表面主要以 Si CH 3 的形式
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厦门大学学报 ( 自然 科学版)
2005 年
强度已经超过了 PDMS 的本体强度. 如图 4b 表明在 键合后的微通道内填充红墨水 , 未发现任何的渗漏 . 键 合的微流控芯片在施加压力灌注溶液和电泳分离实验 过程中均未发生溶液渗漏 ( 图 4b) .
[ 11]
小组认为处理后的 PDMS 在空气中放
置一段时间后 , 表面亲水的 Si OH 基团翻转到内部, 同时表面的 Si0X 薄层发生脆裂 , 内部自由的 PDM S 短 链移动到表面, 从而疏水性逐渐恢复. 我们使用透射红外 光谱对处理前后的 PDM S 薄 膜进行表征, 结果表明: 处理前 ( 图 2a) , 在 3 000 cm
U/ V 图3 F ig . 3 键合效果与氧等 离子体 处理时 间和键 合电压之 间 的关系 Effect o f applied voltage and treatment time o f ox yg en plasma o n P DM S replicas bonding
存在 , 表现出较强的疏水性; 而经氧等离子体处理后的 PDM S 表面产生了大量的 Si OH 基团 , 表现较强的亲 水性 . Ow en
收稿日期 : 2004 09 29 基金项目 : 福建省科技重点项目 ( 2003H86) 资助 作者简介 : 沈德新 ( 1978- ) , 男 , 硕士研究生 . * 通讯作者 : ylz hou@ jingxian. xm u. edu. cn
[ 7] [ 3] [ 4~ 6]
1
1. 1
实 验
( 1. 厦门大学化学系 , 福建省化学生物学重点实验室 ; 2. 厦 门大学萨本栋微机电研究中心 , 福建 厦门 361005)
摘要 : 键合是微流控芯片制作的 关键技术之一. 目前广泛应用的 PDM S 微流控芯片一般通过 高真空( 压力低 于 10 P a) 氧
等离子体活化及键合进行制备 , 需要昂贵 的分子泵等设备 . 通过 工艺改 进 , 使 用装配 普通油 泵的等 离子体 去胶机 , 在中 真 空( 27 Pa) 成功进行聚二甲基硅氧烷 ( PDM S) 表面改性及键合 . 处理 后的 PDM S 表 面亲水性 得到极大改 善 , 贴 合后可永 久 性密封 , 制作微流控芯片 . 使用扫描电镜 , 红外光谱 及接触角测量仪进 行了表 征 . 与文献报 道的高 真空氧 等离子 体处理 方 法相比 , 效果基本一致 , 却大幅度降低了对设备系统的要求 , 并缩短了操作时间 .
芯片的表面改性与不可逆键合. 改进后的工艺初始真 空度要求较低, 使用普通的真空油泵就可实现 , 同时对 整个真空系统要求也较低 , 大幅度降低了整体设备的 成本 . 键合效果及机理与文献报道的高真空等离子体 键合基本一致. 与之相 比, 设备简 单、 操作容易、 时间 短, 为一种简单、 廉价、 高效的 PDM S 芯片表面处理和 键合方法 . 除了 P DM S 外, 氧等离子体还可以活化其他高分 子, 如 P MM A, P ET , P E 等 . 活化后的高分子材料可以 与高分子材料或玻璃, 硅片等无机材料进行不可逆键 合. 因此, 中真空等离子体活化键合法也可以用于这些 材料微流控芯片的键合.
3
结 论
经过工艺改进, 在中真空 ( 27 Pa) 下实现了 PDM S
2. 3
键合条件的优化及键合效果
我们对键合的条件进行了摸索, 发现只有在合适
的电压和时间条件下, 才能实现芯片的即时不可逆键 合( 图 3) . 在一定的电压下, 氧等离子体处理的时间必 须控制在一定的范围内, 时间太长反而不能键合; 随着 电压的升高, 所需的处理时间也越短. 当把两片刚刚经等 离子体处理完的 PDM S 基片 紧密贴合后, 表面新生成的活性 Si OH 之间能发生缩 合反应, 从而生成强度很高的 Si O Si 键 , 实现不可逆 键合. Fakes [ 9] 报道 , 随着处理时间的延长 CH / O 的比 值先降低而后又升高 , 表明不可 逆键合所需要 的 Si OH 先增加而后又减少, 因而要实现 PDM S 最大程度 的活化以达到不可逆键合 , 氧等离子体处理的时间必 须控制在适当的范围 . 键合后微通道保持了完整的形状, 在通道侧壁与 键合面之间实现了完全的密封. 观察从其断面电镜照 片( 图 4a) , 未见明显裂纹 . 在拉力测试实验中, 在键合 面撕裂之前, P DM S 基片本体就被拉断了, 表明其键合
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图4 F ig . 4
键合后微通道 ( a) 断面 SEM ; ( b) 微流控芯片 Bonded micr ofluidic chip
以上没有任何吸收峰 , 处理后 ( 图 2b) , 在 3 450 cm - 1 处出现较强的羟基特征宽吸收峰. 这表明处理过程在 PDM S 表 面 产 生 了 大量 OH 基 团, 进 一 步 验 证 了 Fakes [ 9] 的结论.
芯片实验室技术 ( L ab on a chip, 或称微全分析系 统, T AS) 在生物/ 化 学分析、 临 床诊断、 药物筛选等 领域有着广泛的应用前景 , 其主要特征为通过在基片 ( 芯片 ) 上构筑微通道网络和相应组件, 将常规实验室 的多项单元操作微型化、 集成化 . 初期由于沿用 IC 工 业技术进行加工 , 多采用硅和玻璃为基片材料制作微 流控芯片 . 制作工艺复杂 , 加工成本高且 难以批量生 产. 高分子材料成本低 , 加工工艺简单, 容易进行快速 加工和批量生产 . 在当前芯片实验室领域飞速发展的 阶段 , 大量的设计需要验证和尝试 , 高分子容易快速加 工这一优点尤显重要 , 近年来越来越受到青睐 . 在被用 作 芯 片 基 质 的 高 分 子 材 料 中, 聚 二 甲 基 硅 氧 烷 ( PDMS) 以其透光性及生物相容性好 , 可低温聚合 , 弹 性好等优点成为最广泛应用和最有前景的微流控芯片 材料之一[ 1, 2] . 芯片上封闭的微通道往往通过两片基片键合而形 成, 因此, 键合是微流控芯片制作关键步骤之一 . 虽然 近年来人们发展了紫外光照射法 , 电晕放电法 等方法来进行 PDMS 基片的键合 , 高真空氧等离子体 活化法凭借其快速高效的特点仍然是最常用的 PDM S 芯片永久性封合方法 . 但是, 这种方法通常要求抽高真 空 , 必须采用较昂贵的扩散泵或分子泵等真空泵作 为二级泵, 并需要复杂的真空密闭体系[ 8] . 高真空等离 子体发生器的价格昂贵, 普通实验室无法配备 , 这限制
第 44 卷
第6期
厦门大学学报( 自然科学版)
Journal of Xiam en U niversity ( Nat ural Science)
VLeabharlann Baiduol. 44 N o. 6 No v. 2005
2005 年 11 月
聚二甲基硅氧烷中真空氧等离子体表面改性与键合
沈德新1 , 张 峰1 , 张春权2 , 罗仲梓2 , 陈志扬1 , 周勇亮1*
[ 9]
2. 2
氧等离子体处理对 PDM S 表面的活化
图2 PD M S 的红外透射光谱图 ( a) 未经氧等离子体处理 ; ( b) 经氧等 离子体处 理 后 F ig . 2 IR spectr um fo r P DM S
未经处理的 PDM S 表面呈疏水性 , 其静态接触角 在 108 左右 . 经氧等离子体处 理后, P DM S 表面有很 强的亲水性, 水滴能迅速的在其表面铺展开来 , 接触角 接近于 0 , 随时间的延长亲水性逐渐变差 , 约 24 h 后 基本恢复到疏水状态 ( 如图 1 所示) . 这与文献报道[ 5, 7] 的高真空处理基本一致. PDM S 氧等离子体处理后的亲水性增加 , 一段时
实验试剂及设备
试剂 : Sylg ard 184 P DM S 前聚物及固化剂 ( Dow
Co rning, 美国) 仪器 : DZF 6020 型 真 空 干 燥 箱 ( 上 海 精 益 ) ; GP 08 2/ QZ 型双管等离子去胶刻蚀机 ( 江苏江阴, 装 配普通油泵, 极限真空度 27 Pa) ; XL 30 环扫电子显微 镜( 荷兰, P hilip) ; JC2000A 型接触角 测量仪 ( 上海 ) ; Avat ar360 红外光谱仪( 美国, Nicolet )
1. 2
实验方法
1) PDM S 的聚合 Sy lgard 184 P DM S 前聚物及固化剂以 10 1( 质
量比 ) 的比例混合、 搅匀, 然后倒入模具中, 抽真空除气 泡, 65 聚合 1 h. 2) PDM S 表面活化及键合 a) 预热去胶刻蚀机的真空腔到一定温度 ; b) 新鲜剥离的 P DM S 基片不加任何处理 , 直接 放入真空腔内; c) 抽真空腔本底压强到 27 P a, 往真空腔中充入 纯氧 , 再抽至 27 Pa. 反复充抽 2~ 3 次. 关闭氧气, 抽真 空至 27 P a. d) 施加电压 ( 1 400~ 2 000 V) 使腔内氧气起辉,
图1 F ig . 1 关系 Contact ang les of w ater on PDM S replica after treated by ox y gen plasma plotted v ersus st orag e time t / min 氧等离子体处理后 PDM S 表面亲水 性随时间变 化
第6期
沈德新等 : 聚二甲基 硅氧烷中真空氧等离子体表面改性与键合
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对真空腔内 PDM S 基片处理一定时间. e) 将氧等离子体处理后的 PDM S 基片取出后立 即贴合, 即可实现不可逆键合 . 3) 电镜观测 键合前后的 P DM S 基片切开后的断面未加任何 处理 , 直接喷金后进行观测. 4) 红外光谱检测 在溴化钾晶片上聚合 P DM S 薄膜( 约 10 m 厚 ) , 氧等离子体处理前后进行红外透射吸收谱检测. 5) 接触角测量 PDM S 基片上滴加 1 微升三次重蒸水, 使用接触 角测量仪检测.
2
2. 1
结果与讨论
工艺的改进
目前使用传统的高真空氧等离子体活化法[ 7] 步骤
为: 首先将系统抽至高真空, 以排除反应腔内的气体; 而后按一定流量充入纯氧 , 此时反应腔内的本底压强 约 10 Pa; 再施加电压, 起辉产生高密度的氧等离子体 对腔内高分子材料进行表面处理. 低温等离子体的形成表明 , 大部分的等离子体 产生过程发生在 1. 333~ 133. 3 Pa 的真空下. 一般认 为, 高真空与中真空的分界线在于 13. 3 Pa [ 8] , 普通油 泵的本底真空度只有 13~ 26 Pa, 再高些的真空度就 需要使用较昂贵的扩散泵或分子泵等真空泵作为二级 泵( 如前文提到的 10 P a) . 高真空氧等离子体活化法 抽至高真空再充氧气的目的只是为了保证腔内的氧气 纯度 . 因此我们对工艺进行改进, 通过反复充抽纯氧, 使用普通油泵可以达到高真空形成的氧气纯度 , 并且 使反应腔本底压强 ( 27 P a) 在等离子体形成的压强范 围内 , 放电起辉能够产生高的氧等离子体密度来活化 高分子材料表面 . 改进后的工艺真空度要求较低, 使用普通的真空 油泵就可实现, 同时对整个真空系统要求也较低, 大幅 度降低了整体设备的成本 , 是一种简单、 廉价、 高效的 PDM S 芯片表面处理和键合方法 .