專利名稱：一種聚合物微流體系統(tǒng)的熱壓鍵合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)的鍵合方法技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及聚合物微流體系統(tǒng)的熱壓鍵合技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，以聚合物材料為主的加工工藝在微流控芯片及生物芯片的研究日益受到重視，形成了一類新的生化微流體系統(tǒng)器件。聚合物材料不僅具有良好的生物兼容性，而且種類繁多，價(jià)格低廉，且易于通過(guò)模壓、注射成型和其它復(fù)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模低成本的生產(chǎn)，克服了以硅或玻璃材料為主的加工工藝生產(chǎn)生化微系統(tǒng)的高成本低產(chǎn)量的局限性。同時(shí)，聚合物材料很容易通過(guò)表面改性來(lái)改變電滲流，具有廣闊的應(yīng)用前景。
鍵合是生化微流體系統(tǒng)制作中一個(gè)關(guān)鍵的工藝環(huán)節(jié)，對(duì)于聚合物材料，目前多采用粘接或熱鍵合。粘接是一種很方便的鍵合技術(shù)，但還存在著有很多不足。美國(guó)《分析化學(xué)》(Anal.Chem.，73，2001，p4196-4201)指出，由于粘接劑與基體材料不同，可能產(chǎn)生樣品區(qū)帶增寬，同時(shí)，粘接劑又容易堵塞微通道，而且存在可能的污染問(wèn)題。熱鍵合是比較通用的鍵合技術(shù)，通常鍵合溫度越高，鍵合強(qiáng)度也越大，鍵合越容易實(shí)現(xiàn)，但是聚合物微結(jié)構(gòu)的熱形變也就越大。所以，通常熱鍵合溫度低于聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，這就帶來(lái)了鍵合強(qiáng)度低的問(wèn)題，難以滿足微流體系統(tǒng)實(shí)用化的需要。為了解決這個(gè)問(wèn)題，英國(guó)《微電子學(xué)》(Microelectronics Journal，34(3)，2003，p179-185)提出了采用局部加熱熔融的方法使需鍵合的局部區(qū)域熔融粘接而其它部位處于低溫狀態(tài)。但是這種方法控制復(fù)雜、均勻性難以保證，同時(shí)，它的鍵合效率很低，只適合點(diǎn)鍵合和線鍵合。為了適應(yīng)聚合物面鍵合的需要，德國(guó)《微系統(tǒng)技術(shù)》(Microsystem technologies，10，2004，p372-374)提出了利用紫外光降解聚合物的方法來(lái)降低聚合物近表面的分子量，從而降低鍵合表面的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，這樣就可以選擇合適的熱壓鍵合溫度，使它高于聚合物表面的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度而又低于聚合物本體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，可以在提高鍵合強(qiáng)度的同時(shí)減小微結(jié)構(gòu)的熱形變。這種方法雖然簡(jiǎn)單，但是還存在著明顯的不足首先，適用于紫外光降解的聚合物種類較少，絕大多數(shù)聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在紫外輻照后不會(huì)降低；其次，已降解聚合物的很多性能發(fā)生了改變，這會(huì)大大地改變微流體系統(tǒng)的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種聚合物微流體系統(tǒng)的熱壓鍵合方法，通過(guò)添加聚合物的單體或同系物來(lái)降低聚合物表面的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，以解決現(xiàn)有技術(shù)尚未解決的聚合物微流體系統(tǒng)的熱壓鍵合強(qiáng)度問(wèn)題。
本發(fā)明聚合物微流體系統(tǒng)的熱壓鍵合方法，先將需要相互鍵合的一個(gè)含有微結(jié)構(gòu)和另一個(gè)不含微結(jié)構(gòu)的聚合物薄片表面進(jìn)行清潔處理并保持干燥，其特征在于將該聚合物的單體或同系物添加到不含微結(jié)構(gòu)的聚合物表面，所述單體或同系物的添加量為被添加的聚合物表面重量的10％-40％，添加深度在0.1-10微米；將這兩個(gè)表面面對(duì)面放入兩個(gè)平板之間，加上0.5-5Mpa壓力，在低于聚合物玻璃化溫度5-20℃下保持不少于2分鐘；撤去壓力，緩慢冷卻至室溫，即得到已鍵合的聚合物微流體系統(tǒng)。
根據(jù)所采用的聚合物與其單體或同系物的溶解性質(zhì)和所需的添加深度，可選用以下方法來(lái)添加單體或同系物1、如果單體或同系物是其聚合物的良溶劑、所需的添加深度較淺，可選用蒸汽法將聚合物放入單體或同系物的蒸汽中，溫度控制在室溫到單體或同系物的沸點(diǎn)，時(shí)間為1分鐘-1小時(shí)；可通過(guò)控制時(shí)間和/或溫度來(lái)控制添加量和添加深度，添加的深度一般為0.1-1微米；2、如果單體或同系物不是其聚合物的良溶劑、所需的添加深度較淺，可選用旋轉(zhuǎn)涂片法將單體或同系物滴在聚合物表面，以500-2000轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋轉(zhuǎn)聚合物0.1-1分鐘，溫度控制在室溫到聚合物的玻璃化溫度之間，使其表面被均勻涂上單體或同系物；可通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)速度、時(shí)間和/或溫度來(lái)控制添加量，其添加深度一般為0.1-2微米；3、如果所需的添加深度較深，可選用浸漬法將聚合物浸在單體或同系物中0.1-5分鐘，溫度控制在室溫到聚合物玻璃化溫度之間；可通過(guò)控制時(shí)間和/或溫度控制添加量和添加深度，其添加的深度一般為1-10微米。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于本發(fā)明采用了在不含微結(jié)構(gòu)的聚合物表面添加聚合物單體或同系物，降低了聚合物表面的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，從而實(shí)現(xiàn)了在聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之上進(jìn)行聚合物微結(jié)構(gòu)的熱壓鍵合，克服了常規(guī)熱壓鍵合技術(shù)的不足，有效地解決了聚合物微流體系統(tǒng)的鍵合強(qiáng)度問(wèn)題，同時(shí)縮短了鍵合時(shí)間，提高了鍵合效率。本發(fā)明方法工藝簡(jiǎn)單，可以適應(yīng)不同表面平整度的聚合物微結(jié)構(gòu)的鍵合，同時(shí)采用聚合物的單體或同系物不會(huì)帶來(lái)污染問(wèn)題，是對(duì)熱壓鍵合技術(shù)制作聚合物微流體系統(tǒng)方法的完善和拓展。
為了在實(shí)現(xiàn)鍵合的同時(shí)盡量不改變聚合物微結(jié)構(gòu)的尺寸和表面性能，工藝上應(yīng)該在保證兩鍵合面充分接觸的前提下將較少量的聚合物單體或同系物添加到聚合物表面。如果含有微結(jié)構(gòu)的聚合物表面平整度較好，則聚合物的單體或同系物添加到不含微結(jié)構(gòu)的聚合物表面的深度可以較淺，反之則需要較深，以滿足兩表面的充分接觸。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)聚合物微結(jié)構(gòu)熱壓鍵合的具體過(guò)程進(jìn)一步加以說(shuō)明。
實(shí)施例1.聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微流體系統(tǒng)的鍵合1)PMMA薄片的清潔、干燥取兩片2mm厚的PMMA薄片，一片含有微結(jié)構(gòu)圖形，其表面平整度小于1微米，一片不含圖形，尺寸都為5cm×5cm。先使用乙醇將兩片PMMA薄片清潔干凈，再用去離子水洗滌干凈，然后將兩片PMMA薄片放入烘箱中80℃烘4小時(shí)，最后放入干燥箱中保存。
2)PMMA薄片的表面改性將不含微結(jié)構(gòu)圖形的PMMA薄片放在甩膠機(jī)上，在薄片上滴加聚合物單體甲基丙烯酸甲酯(MMA)，1000轉(zhuǎn)/分鐘旋轉(zhuǎn)涂敷10秒。
MMA可以溶解PMMA，但它不是PMMA的良溶劑。如果含有微結(jié)構(gòu)的PMMA表面平整度較好，可以采用旋轉(zhuǎn)涂片法來(lái)進(jìn)行PMMA薄片的表面改性，將較少的MMA添加到PMMA的表面。
3)PMMA微流體系統(tǒng)的熱壓鍵合將兩片PMMA薄片放入兩個(gè)平板之間，有微結(jié)構(gòu)的一面與用MMA處理過(guò)的一面相對(duì)。85℃、0.5Mpa條件下保持2分鐘。
熱壓鍵合工藝中，鍵合強(qiáng)度是隨著鍵合溫度的提高、鍵合壓力的增大和鍵合時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大的，在較高溫度、較大壓力和較長(zhǎng)時(shí)間條件下進(jìn)行鍵合可以獲得更好的鍵合強(qiáng)度。
由于聚合物單體的添加降低了聚合物表面的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，使得熱壓鍵合可以在高于聚合物表面的玻璃化溫度之上進(jìn)行，這就使得鍵合容易進(jìn)行，鍵合時(shí)間可以大大縮短，通常的熱壓鍵合一般需要1小時(shí)。
4)撤去溫度和壓力撤去壓力，緩慢將溫度降至室溫，降溫速率為2℃/分鐘，得到已鍵合的PMMA微流體系統(tǒng)。
實(shí)施例2.聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微流體系統(tǒng)的鍵合1)PMMA薄片的清潔、干燥取兩片2mm厚的PMMA薄片，一片含有微結(jié)構(gòu)圖形，其表面平整度大于1微米，一片不含圖形，尺寸都為5cm×5cm。先使用乙醇將兩片PMMA薄片清潔干凈，再用去離子水洗滌干凈，然后將兩片PMMA薄片放入烘箱中80℃烘4小時(shí)，最后放入干燥箱中保存。
2)PMMA薄片的表面改性在玻璃容器中加入聚合物單體MMA，然后將不含微結(jié)構(gòu)圖形的PMMA薄片放入MMA中，1分鐘后取出，用氮?dú)鈱⒈砻娓街鳰MA吹去。
MMA可以溶解PMMA，但它不是PMMA的良溶劑。如果含有微結(jié)構(gòu)的PMMA表面平整度不好，可以采用浸漬法來(lái)進(jìn)行PMMA薄片的表面改性，將較多的MMA添加到PMMA的表面。
3)PMMA微流體系統(tǒng)的熱壓鍵合將兩片PMMA薄片放入兩個(gè)平板之間，有微結(jié)構(gòu)的一面與用MMA處理過(guò)的一面相對(duì)。85℃、0.5Mpa條件下保持2分鐘。
4)撤去溫度和壓力撤去壓力，緩慢將溫度降至室溫，降溫速率為2℃/分鐘，得到已鍵合的PMMA微流體系統(tǒng)。
實(shí)施例3.聚苯乙烯(PS)微流體系統(tǒng)的鍵合1)PS薄片的清潔、干燥取兩片2mm厚的PS薄片，一片含有微結(jié)構(gòu)圖形，其表面不平整度小于1微米，一片不含圖形，尺寸都為5cm×5cm。先使用乙醇將兩片PS薄片清潔干凈，再用去離子水洗滌干凈，然后將兩片PS薄片放入烘箱中75℃烘4小時(shí)，最后放入干燥箱中保存。
2)PS薄片的表面改性在玻璃容器中加入聚合物單體苯乙烯，然后將不含微結(jié)構(gòu)圖形的PS薄片加熱到75℃后放入玻璃容器中，在苯乙烯的蒸汽中放置5分鐘后取出。
苯乙烯是PS的良溶劑，如果采用旋轉(zhuǎn)涂片法或浸漬法來(lái)進(jìn)行PS薄片的表面改性，可能將太多的苯乙烯添加到PS的表面，故采用蒸汽法比較合適。另外，蒸汽法中溫度的控制可以通過(guò)分別改變聚合物和單體的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)。
3)PS微流體系統(tǒng)的熱壓鍵合將兩片PS薄片放入兩個(gè)平板之間，有微結(jié)構(gòu)的一面與用苯乙烯處理過(guò)的一面相對(duì)。80℃、0.5Mpa條件下保持2分鐘。
4)撤去溫度和壓力撤去壓力，緩慢將溫度降至室溫，降溫速率為2℃/分鐘，得到已鍵合的PS微流體系統(tǒng)。
效果檢測(cè)對(duì)上述實(shí)施例中得到的聚合物微流體系統(tǒng)進(jìn)行熱壓鍵合強(qiáng)度的檢測(cè)將已鍵合的PMMA和PS微流體系統(tǒng)分別放入MTS材料測(cè)試儀中進(jìn)行拉伸測(cè)試，測(cè)試為力控制模式，逐步加力至微流體系統(tǒng)被拉開(kāi)，加力速率為30牛頓/秒，此時(shí)的拉力為聚合物微流體系統(tǒng)的熱壓鍵合強(qiáng)度。采用同樣方法檢測(cè)利用常規(guī)熱壓鍵合獲得的聚合物微流體系統(tǒng)的熱壓鍵合強(qiáng)度。
測(cè)試結(jié)果表明，實(shí)施例1中的熱壓鍵合強(qiáng)度為0.07Mpa，采用常規(guī)熱壓鍵合的熱壓鍵合強(qiáng)度為0.01Mpa；實(shí)施例2中的熱壓鍵合強(qiáng)度為0.08Mpa，采用常規(guī)熱壓鍵合未能實(shí)現(xiàn)有效的熱鍵合；實(shí)施例3中的熱壓鍵合強(qiáng)度為0.03Mpa，采用常規(guī)熱壓鍵合的熱壓鍵合強(qiáng)度為0.01Mpa。所以，添加聚合物單體的聚合物微流體系統(tǒng)熱壓鍵合強(qiáng)度為常規(guī)熱壓鍵合強(qiáng)度的3-7倍，本發(fā)明可以有效地提高熱壓鍵合強(qiáng)度。
權(quán)利要求
1.一種聚合物微流體系統(tǒng)的熱壓鍵合方法，先將需要相互鍵合的一個(gè)含有微結(jié)構(gòu)和另一個(gè)不含微結(jié)構(gòu)的聚合物薄片表面進(jìn)行清潔處理并保持干燥，其特征在于將該聚合物的單體或同系物添加到不含微結(jié)構(gòu)的聚合物表面，所述單體或同系物的添加量為被添加的聚合物表面重量的10％-40％，添加深度在0.1-10微米；將這兩個(gè)表面面對(duì)面放入兩個(gè)平板之間，加上0.5-5Mpa壓力，在低于聚合物玻璃化溫度5-20℃下保持不少于2分鐘；撤去壓力，緩慢冷卻至室溫，即得到已鍵合的聚合物微流體系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述聚合物微流體系統(tǒng)的熱壓鍵合方法，其特征在于所述將聚合物單體或同系物添加到不含微結(jié)構(gòu)的聚合物表面采用蒸汽法，即將聚合物放入單體或同系物的蒸汽中，溫度控制在室溫到單體或同系物的沸點(diǎn)，時(shí)間為1分鐘-1小時(shí)。
3.如權(quán)利要求1所述聚合物微流體系統(tǒng)的熱壓鍵合方法，其特征在于所述將聚合物單體或同系物添加到不含微結(jié)構(gòu)的聚合物表面采用旋轉(zhuǎn)涂片法，即將單體或同系物滴在聚合物表面，以500-2000轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋轉(zhuǎn)聚合物0.1-1分鐘，溫度控制在室溫到聚合物的玻璃化溫度之間，使其表面被均勻涂上單體或同系物。
4.如權(quán)利要求1所述聚合物微流體系統(tǒng)的熱壓鍵合方法，其特征在于所述將聚合物單體或同系物添加到不含微結(jié)構(gòu)的聚合物表面采用浸漬法，即將聚合物浸在單體或同系物中0.1-5分鐘，溫度控制在室溫到聚合物玻璃化溫度之間。
全文摘要
本發(fā)明聚合物微流體系統(tǒng)的熱壓鍵合方法，將一個(gè)含有微結(jié)構(gòu)和另一個(gè)不含微結(jié)構(gòu)的聚合物薄片表面進(jìn)行清潔并保持干燥，特征是將該聚合物的單體或同系物添加到不含微結(jié)構(gòu)的聚合物表面，添加量為被添加的聚合物表面重量的 10％－40％，添加深度在0.1－10微米；將這兩個(gè)表面面對(duì)面放入兩個(gè)平板之間，加上0.5－5MPa壓力，在低于聚合物玻璃化溫度5－20℃下保持不少于2分鐘；撤去壓力，緩慢冷卻至室溫，即得到已鍵合的聚合物微流體系統(tǒng)；添加方法可選用蒸汽法、旋轉(zhuǎn)涂片法或浸漬法。本發(fā)明通過(guò)添加聚合物單體或同系物，降低了聚合物表面的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，解決了鍵合強(qiáng)度問(wèn)題，提高了鍵合效率。工藝簡(jiǎn)單，可適應(yīng)不同表面平整度的聚合物微結(jié)構(gòu)的鍵合。
文檔編號(hào)B29C65/02GK1799820SQ20041010323
公開(kāi)日2006年7月12日 申請(qǐng)日期2004年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月31日
發(fā)明者劉剛, 朱學(xué)林, 田揚(yáng)超, 闞婭 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)