基于聚合物材質(zhì)微流控芯片的有機溶劑混溶溶液浸泡鍵合方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于聚合物材質(zhì)微流控芯片的有機溶劑混溶溶液浸泡鍵合方法，所述方法如下：a、將無水乙醇與有機溶劑按照V乙醇∶V有機＝20∶1～5∶1的比例混合，得到混溶溶液；b、使用步驟a配制的混溶溶液將帶有微結(jié)構(gòu)的聚合物芯片充分潤濕，將潤濕后聚合物芯片組裝后，放入盛有混溶溶液的培養(yǎng)皿，隨后立即將培養(yǎng)皿放入烘箱中，鍵合溫度在25～60℃，鍵合時間為5～20分鐘。本發(fā)明改進了傳統(tǒng)的聚合物材質(zhì)微流控芯片鍵合工藝，避免鍵合過程中，有機溶劑對微溝道的阻塞，減小了溝道形變量，并可以實現(xiàn)多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)芯片鍵合。此外本方法所需儀器簡單，可以實現(xiàn)大批量芯片同時鍵合，在縮短芯片鍵合時間的同時保證鍵合強度，有利于微流控芯片的商業(yè)化。
【專利說明】基于聚合物材質(zhì)微流控芯片的有機溶劑混溶溶液浸泡鍵合方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]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)的有機溶劑混溶溶液浸泡鍵合方法。

【背景技術(shù)】
[0002]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(shè)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。
[0003]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(dǎo)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(shè)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(yīng)用廣泛，但是在鍵合過程中，有機溶劑極易進入微溝道，造成溝道阻塞或形變?？傊鲜鼍酆衔镂⒘骺匦酒逆I合方法在實際應(yīng)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(lǐng)域的應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種基于有機聚合物材質(zhì)的有機溶劑混溶溶液浸泡鍵合方法。本發(fā)明改進了傳統(tǒng)的聚合物材質(zhì)微流控芯片鍵合工藝，避免鍵合過程中有機溶劑對微溝道的阻塞，減小了溝道形變量，并可以實現(xiàn)多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)芯片鍵合。此外，本方法所需儀器簡單，可以實現(xiàn)大批量芯片同時鍵合，在縮短芯片鍵合時間的同時保證鍵合強度，有利于微流控芯片的商業(yè)化。
[0005]本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0006]a、根據(jù)所選用的聚合物芯片材料不同，將無水乙醇與有機溶劑按照體積比為Vi醇:V有機=20: I?5:1的比例混合，得到混溶溶液；
[0007]b、使用步驟a配制的混溶溶液將帶有微結(jié)構(gòu)的聚合物芯片充分潤濕，將潤濕后聚合物芯片組裝后，放入盛有混溶溶液的培養(yǎng)皿，隨后立即將培養(yǎng)皿放入烘箱中，根據(jù)所選用的聚合物芯片材料及混溶溶液配比不同，鍵合溫度控制范圍在25?60°C，鍵合時間范圍控制為5?20分鐘。
[0008]本發(fā)明所述的有機溶劑混溶浸泡鍵合是利用三氯甲烷、異丙醇、丙酮等有機溶劑與無水乙醇混溶按一定體積比混合后，對有機聚合物芯片鍵合界面進行潤濕和浸泡。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。
[0009]相比國內(nèi)外其他聚合物微流控芯片的鍵合方法，本發(fā)明采用有機溶劑混溶浸泡法，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(lǐng)域推廣應(yīng)用，具體優(yōu)點如下:
[0010]1、避免聚合物材質(zhì)的微流控芯片在鍵合過程的微溝道阻塞，減小了微溝道及微結(jié)構(gòu)形變量；
[0011]2、實現(xiàn)了多層及復(fù)雜結(jié)構(gòu)聚合物材質(zhì)的微流控芯片的封和，鍵合條件容易控制，鍵合流程簡單，鍵合時間短；
[0012]3、提高聚合物材質(zhì)的微流控芯片的鍵合效率，降低鍵合成本，且可以實現(xiàn)大批量芯片同時鍵合；
[0013]4、有機溶劑混溶浸泡鍵合法支持由不同種類聚合物材質(zhì)構(gòu)成的復(fù)合材料微流控芯片鍵合；
[0014]5、可以通過控制混溶溶液配比、鍵合時間和鍵合溫度來適應(yīng)不同聚合物芯片材質(zhì)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為組裝后的PMMA材質(zhì)十字溝道微流控芯片在混溶溶液中浸泡照片。
[0016]圖2為PMMA材質(zhì)，深度為150微米梯形微溝道鍵合前橫截面照片。
[0017]圖3為PMMA材質(zhì)，深度為150微米梯形微溝道鍵合后橫截面照片。
[0018]圖4為PMMA材質(zhì)，三層微混合器芯片照片。
[0019]圖5為PMMA材質(zhì)，H-型微混合腔顯微照片。

【具體實施方式】
[0020]【具體實施方式】一:本實施方式依照如下步驟進行基于有機聚合物材料微流控芯片的混溶溶液浸泡鍵合:
[0021](I)將待鍵合PMMA微流控芯片清洗、烘干，備用。
[0022](2)按體積比配制無水乙醇與三氯甲烷混溶溶液，比例范圍在Vie: νΞΛ^ =20:1 ?10:1。
[0023](3)將上述待鍵合PMMA基片在混溶溶液中潤濕，并使用石英玻璃卡具固定，在組裝過程中確保鍵合界面間沒有氣泡。將固定后的芯片放入盛有混溶溶液的培養(yǎng)皿中。組裝后浸泡在混溶溶液中的十字溝道芯片照片如圖1所示。鍵合前150微米深梯形微溝道橫截面照片如圖2所示。
[0024](4)將培養(yǎng)皿放入干燥箱，根據(jù)混溶溶液配比不同，控制鍵合溫度在25?40°C，控制鍵合時間在5?10分鐘。鍵合結(jié)束后，取出芯片，關(guān)閉干燥箱。
[0025](5)芯片靜置20分鐘，待鍵合界面間混溶溶液揮發(fā)后，進行鍵合強度測試。
[0026](6)多層芯片鍵合重復(fù)上述步驟1-4即可。為防止浸泡時間過長導(dǎo)致的微結(jié)構(gòu)形變，每次只對一層基片進行封和，封和過程中只有待鍵合界面浸泡在混合溶液中。
[0027]【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。因此鍵合條件與實施方式一有所不同。鑒于丙酮對PMMA材料的溶解能力不及三氯甲烷，在混溶溶液的配制過程中，提高了丙酮的含量，體積比的范圍為Vis: Nm麗=10:1?5:1。同時也延長了鍵合時間，鍵合時間的范圍是10?20分鐘。
[0028]【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材料為聚碳酸甲酯(PC)，因此鍵合條件與實施方式一有所不同。鑒于PC材質(zhì)的玻璃化溫度比PMMA材質(zhì)高約60?80°C，在鍵合過程中，我們提高了鍵合溫度，溫度范圍控制在40?60。。。
[0029]【具體實施方式】四:本實施方式依照如下步驟進行基于有機聚合物材料微流控芯片的混溶溶液浸泡鍵合:
[0030](I)將待鍵合PMMA微流控芯片清洗、烘干，備用。
[0031](2)按體積比配制無水乙醇與三氯甲烷混溶溶液，比例范圍在Vie: νΞΛ^ =10: I。
[0032](3)將上述待鍵合PMMA基片在混溶溶液中潤濕，并使用石英玻璃卡具固定，在組裝過程中確保鍵合界面間沒有氣泡。將固定后的芯片放入盛有混溶溶液的培養(yǎng)皿中。組裝后浸泡在混溶溶液中的十字溝道芯片照片如圖1所示。鍵合前150微米深梯形微溝道橫截面照片如圖2所示。
[0033](4)將培養(yǎng)皿放入干燥箱，根據(jù)混溶溶液配比不同，控制鍵合溫度在40°C，控制鍵合時間在10分鐘。鍵合結(jié)束后，取出芯片，關(guān)閉干燥箱。鍵合后150微米深梯形微溝道橫截面照片如圖3所示。從圖3中可以看出鍵合后的微溝道形貌無明顯改變，鍵合界面清晰、完整。
[0034](5)芯片靜置20分鐘，待鍵合界面間混溶溶液揮發(fā)后，進行鍵合強度測試。當(dāng)芯片材料為聚甲基丙烯酸甲酯，混溶溶液為三氯甲烷和無水乙醇時，芯片的鍵合強度可達267.5N/cm2，此時微溝道的形變量小于4.2%。
[0035](6)多層芯片鍵合重復(fù)上述步驟1-4即可。為防止浸泡時間過長導(dǎo)致的微結(jié)構(gòu)形變，每次只對一層基片進行封和，封和過程中只有待鍵合界面浸泡在混合溶液中。使用本方法制作的三層微混合器芯片照片如圖4所示。組裝后的多層微流控芯片使用有色染料羅丹明B進行滲漏測試，芯片封和良好，H-型微混合腔顯微照片如圖5所示。
[0036]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】四不同的是:鍵合過程中所使用的有機溶劑為丙酮，Vis: Vm= 5: I。同時也延長了鍵合時間，鍵合時間的范圍是15分鐘。當(dāng)芯片材料為聚甲基丙烯酸甲酯，混溶溶液為丙酮和無水乙醇時，芯片的鍵合強度可達185.3N/cm2。
[0037]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】四不同的是:鍵合過程中所使用的聚合物芯片材料為聚碳酸甲酯(PC)，鍵合溫度控制在55°C。當(dāng)芯片材料為為聚碳酸甲酯，混溶溶液為三氯甲烷和無水乙醇時，芯片的鍵合強度可達216.5N/cm2。
[0038]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(lǐng)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.基于聚合物材質(zhì)微流控芯片的有機溶劑混溶溶液浸泡鍵合方法，其特征在于所述方法步驟如下: a、將無水乙醇與有機溶劑按照體積比為Vie: Ymil= 20:1?5:1的比例混合，得到混溶溶液； b、使用步驟a配制的混溶溶液將帶有微結(jié)構(gòu)的聚合物芯片充分潤濕，將潤濕后聚合物芯片組裝后，放入盛有混溶溶液的培養(yǎng)皿，隨后立即將培養(yǎng)皿放入烘箱中，根據(jù)所選用的聚合物芯片材料及混溶溶液配比不同，鍵合溫度控制范圍在25?60°C，鍵合時間范圍控制為5?20分鐘。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聚合物材質(zhì)微流控芯片的有機溶劑混溶溶液浸泡鍵合方法，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所述的基于聚合物材質(zhì)微流控芯片的有機溶劑混溶溶液浸泡鍵合方法，其特征在于所述聚合物芯片的材質(zhì)為聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷或聚碳酸酯。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聚合物材質(zhì)微流控芯片的有機溶劑混溶溶液浸泡鍵合方法，其特征在于所述聚合物芯片的材質(zhì)為聚甲基丙烯酸甲酯，有機溶劑為三氯甲烷，V ^醇:V三*鴨=20:1?10: 1，鍵合溫度為25?40°C，鍵合時間為5?10分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聚合物材質(zhì)微流控芯片的有機溶劑混溶溶液浸泡鍵合方法，其特征在于所述聚合物芯片的材質(zhì)為聚甲基丙烯酸甲酯，有機溶劑為丙酮，Vis: Nm酮=10: I?5: 1，鍵合溫度為25?40°C，鍵合時間為10?20分鐘。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聚合物材質(zhì)微流控芯片的有機溶劑混溶溶液浸泡鍵合方法，其特征在于所述聚合物芯片的材質(zhì)為聚碳酸甲酯，有機溶劑為三氯甲烷，Vili: Vm
20:1?10: 1，鍵合溫度為40?60°C，鍵合時間為5?10分鐘。
【文檔編號】B81C1/00GK104150436SQ201410455329
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月9日
【發(fā)明者】劉曉為, 張賀, 田麗, 王蔚, 韓小為 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)