一种快速键合聚碳酸酯微流控芯片的制备工艺.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 23 日 作者简介：曾杰生（1989），通讯作者，男，汉族，广东佛山顺德，中级工程师，学历硕士，研究方向为凝聚态物理及材料学。-174-一种快速键合聚碳酸酯微流控芯片的制备工艺 曾杰生1 麦毅明1 林计良1 廖丽敏2 1.佛山丁智生物科技有限公司，广东 佛山 528311 2.广东顺德工业设计研究院，广东 佛山 528311 摘要：摘要：微型全分析系统或称芯片实验室（Lab-on-a-Chip，简称 LOC）是一个跨学科的新方向，其基本特征和最大的优势是可以将多种功能单元集中在只有几平方厘米的微芯片上，因此具备更广泛、更灵活的适用性。其中，键合工艺是微流控芯片制作过程中的关键步骤，市场上常见技术工艺可分为超声焊接、激光焊接、热压键合、溶剂键合等。本文为符合高通光性及生物相容性两个条件，选用聚酯酸酯（PC）作为微流控芯片基材，在简单、快速、有效的自动化流水线上，通过溶剂键合与热压键合两个方式的结合，实现微流控应用芯片的大规模生产，并且芯片可承受 0.2-0.3Mpa 的使用压强，满足多方面使用用途。关键词：关键词：微流控芯片；聚碳酸酯；键合工艺 中图分类号：中图分类号：TB332 “微 型 全 分 析 系 统”（Miniaturized Total Analysis Systems 即 TAS）的概念是本世纪初首次提出，并已经成为世界最前沿的科技领域之一。芯片实验室（Lab-on-a-Chip，简称 LOC）是一个跨学科的新方向，其基本特征和最大的优势是可以将多种功能单元集中在一个微小的平台上进行灵活组合，简而言之，即把整个化验室的功能都可以集成在只有几平方厘米的微芯片上，因此具备更广泛、更灵活的科研或检验用途的适用性。当前微流控领域发展的重点目标是通过分析化学、计算机、电子学、材料科学及生物学、医学等多门学科交叉，实现从试样处理到检测出结果发展成微型化、自动化、与便携化集合的生化分析系统。得益于以 上叙述的优势，微流控芯片广泛应用于免疫测定、细胞栓选、DNA 提纯等领域。此外，由于聚合物具有成本低、易加工、光学特性好等特点，因此是微流控芯片普遍采用的加工材料。热塑性聚合物包括有聚甲基丙稀酸甲酷、聚碳酸酯和聚苯乙稀等；热固型聚合物有聚二甲基桂氧院、环氧树脂和聚氨酷等，它们与固化剂混合后，经过一段时间固化变硬后即可得到微流控芯片。键合工艺是微流控芯片制作过程中的关键步骤，技术工艺可分为超声焊接、激光焊接、热压键合、溶剂键合等。超声焊接是通过在微通道两侧制作导能筋，将超声能量集中在该导能筋上致使器件间接触面融化实现键合，缺陷在于器件上必须有导能筋，光滑平面间没法实现精准的超声痕接定位；激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源，致使材料融化进行键合，该工艺所需硬件控制要求较高；热压键合是最常用的键合方式之一，通过控温控压使材料表面达到玻璃化温度，实现键合，但该方式与超声焊接类似，存在高温处理容易影响微流控通道尺寸的缺点，因此较难在规模生产中控制批间芯片的尺寸误差；溶剂键合是采用化学溶剂使材料表面发生反应，促使表层分子游离，并利用分子间作用力将基片与盖片实现键合，但是溶剂键合会使作用面出现溶胀现象，并且较难去除微通道内的残留溶剂，所以该方法未能在批量化制作中推行。为符合高通光性及生物相容性两个条件，本文选用聚酯酸酯（PC）作为微流控芯片基材，通过溶剂键合与热压键合两个方式的结合，配以自动化流水线，实现微流控应用芯片的大规模生产。在该工艺中，PC芯片无需加热到玻璃化温度（Tg），只需适当温度即可保证芯片键合质量及多余溶剂挥发，而较低的键合温度也不会破坏预埋试剂干粉的生物性质。文中分析了溶剂成分组合、载物电机速度及键合封装温度三个参数对量产芯片键合的影响。结果表明该流水线键合工艺快速方便，可以满足微流控芯片的量产需求。1 键合机理 中国科技期刊数据库 工业 A-175-热压键合是指带有微流道的基片与盖片在夹具中对齐后，在一定温度与压力条件下实现热键合过程。该方式对压力及温度这两个参数的要求非常高，如果条件不合适或者生产人员操作不当，容易导致微流道尺寸改变，或者键合面不均匀，因此该方式较难在芯片量产中使用。Kelly 等在沸水中成功键合 PMMA 芯片，使用两个 C 型夹夹紧基片与盖片，浸入沸水中静置 1h，即可封合制成芯片。Liu 等将 PC 基片及盖片置于具有真空和制冷双功能的金属密封仓内，然后将密封仓置于热压机内，通过施加 4 吨压力与 134 温度下作用10 mins 后，冷却制成 PC 芯片。热压键合在制作热塑性聚合物芯片的工艺中非常常见，根据每一种材料的物理性质，在加压高温的特定条件下即可实现。值得注意的是，控制温度应稍低于材料的玻璃化温度，以减少微流道的形变损坏。溶剂键合是采用溶剂作用在材料表面，使片表层的分子游离，基片与盖片加压贴合后通过分子间或原子间作用力获得永久粘结。溶剂的选择取决于所用的芯片材料。该方式操作简便，成本低。热塑性聚合物与很多有机溶剂都可互溶，当聚合物与溶剂的溶解度参数相等或相近时，两者的反应活泼程度最适宜进行溶解键合。需要注意的是，溶剂的溶解度随温度变化很大，因此作用试剂的温度是一个关键点。根据Hildebrand 和 Scott 溶液理论，高分子扩增能量公式为：U=12Vm（1 2）2 式中1与 2分别表示聚合物与溶剂的体积分数，Vm是总摩尔体积，12分别为聚合物和溶剂的溶解度参数。混合过程中体积变化近似为零，因此整体混合热H 等于扩增能量U：H=U=12Vm（1 2）2 其中自由能公式为:Gm=H TS 式中Gm为混合自由能，T为绝对温度，S为熵变。从热力学可以得知溶解过程必须满足Gm 0。高分子聚合物的熵变可以忽略不计，因此H必须接近于0，即1 2=0。由上叙可知，采用溶剂键合工艺需要合理选择溶解度参数接近的聚合物材料与溶剂。PC 材料溶解度参数为 19.4（J/cm3）1/2,与环己烷（16.7（J/cm3）1/2）、二氯甲烷（19.8（J/cm3）1/2）、二氯化乙烯（20.0（J/cm3）1/2）、丙酮（20.4（J/cm3）1/2）这几种试剂的参数都比较接近，因此 PC 材料如采用溶剂键合工艺一般会选用上述试剂。Lin 等使用低共沸点的溶剂，将 35 滴DE-20（由重量比为 20%的二氯乙烷和 80%乙醇组成）滴加到两片 PMMA 接触面后，夹在两块厚玻璃中间，施加 10 N/cm2压力，最后将残留溶剂用真空抽气机从封合微通道中吸走，在室温中成功封合 PMMA 芯片。Shah等通过毛细作用力引导溶剂键合 PMMA 芯片。通过毛细作用，可以将少量的丙酮聚集在两块聚合物芯片间隙中，并通过夹钳装置作用5min后即可键合完成。但是，单一使用溶剂键合方式，芯片的键合强度不足以承受内部 0.3MPa 的耐压条件，而且溶剂容易残留于微流道中导致通道变形。综上分析，为迎合量产微流控芯片生产场景，需结合热压键合与溶剂键合这两个方式的优势，辅以自动化流水线进行键合生产。2 实验与结果讨论 2.1 微流控基片制作 基片使用 PC 材料，微流道基片经过 CAD 画图设计后，于 CNC 数控车床进行样品机加生产，流程如图 1。后期可根据实际需求进行基片开模注塑生产，以特定流道图形制作钢膜具，置于注塑机中直接量产 PC 微流道基片，具体流程如图 2。图 1 CNC 数控车床制作流程 图 2 注塑机制作流程 中国科技期刊数据库 工业 A-176-2.2 PC 芯片键合 本文探究的键合流水线装置如下图 3 所示，装置包括固定载物夹具、电机及驱动器、喷雾器、辊压轮及热压封装装置几个部件组成，其中该流水线仪器融合了溶剂键合与热压键合两种方式。具体工作流程为：人工或者机械手臂将微流控基片放置载物夹具上，特定试剂通过喷雾器喷洒于基片表面，载物夹具电机经过参数设置，在一定速度下向常温辊压区推进，辊压轮滚外侧包覆一层 0.1 mm 厚度的 PC 薄膜，通过调节上方弹簧控制辊压压力，基片与 PC 薄膜在短时间的辊压过程即可完成初步溶剂键合，紧接着电机推送芯片至最后热压封装环节，通过调控压力与温度两个参数，芯片完成最后的键合封装。热压封装温度仅需设置在50 上下范围，远远低于 PC 材料的玻璃化转变温度（150），而且整个流水线键合仅需 10 s，适合作为微流控芯片的量产工艺。图 3 自动化芯片键合流水线 2.3 结果讨论 溶剂键合需要合理选择溶解参数接近的聚合物材料与反应溶剂。PC 的溶解度参数为 19.4（J/cm3）1/2,与环己烷（16.7）、二氯甲烷（19.8）、二氯化乙烯（20.0）、丙酮（20.4）这几种试剂的参数比较接近，因此 PC 材料如使用溶剂键合方式一般选用上述溶剂。其中，试剂比例的选择是影响键合质量的重要参数，若单一选择上述试剂如二氯甲烷或者丙酮，会使 PC 基片上的微通道过溶，导致芯片泛白，降低了芯片透明度如图 4(a)指示圈内所示。若选择正戊烷该类不易于与 PC 发生反应的试剂，PC 基片表面将未能与 PC 薄膜充分反应，从而两者无法紧密键合，如图 4(b)所示。本文选择二氯甲烷与丙酮作为主体反应试剂，这两种试剂可以互溶，且溶解度参数都与 PC 材料的接近，因此可进行试剂混合测试。除此以外，还需加入正戊烷这种挥发点较低，又可与主体反应试剂互溶的辅助试剂，从而达到稀释反应浓度的目的。在合适的反应试剂搭配体系下，才可制作出合格的键合芯片，如图 4(c)。a-过溶现象；b-键合失败芯片；c-合格键合芯片 图 4 键合后芯片实物照片 本文针对反应试剂搭配组合，设计了 1 组实验，并利用控制变量法将其余两个关键因素载物夹具电机中国科技期刊数据库 工业 A-177-转速（r/min）及热压封装温度（）设定，如表 1 所示。表 1 反应试剂搭配浓度测试 实验组数 反应试剂组合（体积比/%）载物夹具电机转速/(r/min）热压封装温度/1 二氯甲烷（100%）2000 50 2 丙酮（100%）2000 50 3 正戊烷（100%）2000 50 4 丙酮（10%）+正戊烷（90%）2000 50 5 丙酮（20%）+正戊烷（80%）2000 50 6 二氯甲烷（10%）+正戊烷（90%）2000 50 7 二氯甲烷（20%）+正戊烷（80%）2000 50 8 丙酮（10%）+二氯甲烷（10%）+正戊烷（80%）2000 50 9 丙酮（15%）+二氯甲烷（5%）+正戊烷（80%）2000 50 10 丙酮（5%）+二氯甲烷（15%）+正戊烷（80%）2000 50 实验结果表明，单一使用主体反应试剂（第 1、2组），键合的芯片存在白色雾状的过度溶胀现象，采用显微镜观察微通道时发现，通道已经布满白色反应物，微通道尺寸受到影响。而单一使用辅助反应试剂（第 3 组），基片与 PC 膜未能键合，证实正戊烷不能与 PC 材质发生反应。因此，试剂成分需要组配，调试合适的浓度配比。第 4 至第 10 组均能实现 PC 芯片键合，且微通道经过显微镜测算尺寸准确。正戊烷的加入可以使反应试剂的浓度减低，避免造成 PC 材料过溶泛白甚至微通道破坏；而其沸点低的特性，在短时间的辊压过程中便可迅速挥发，同时丙酮及二氯甲烷浓度瞬间升高，达到 PC 材质表面微溶实现粘结。最后在后端热压封装环节仅用中低温如 50 及0.2 MPa 压力的作用下，即可进一步提高基片与 PC 薄膜间的键合强度，而且可以将多余的反应试剂挥发干净，避免残留于 PC 芯片中。对比第 4 至第 10 组芯片的键合强度。如图 5(a)所示将注射器注满空气后打入键合封装好的芯片样品孔，该操作可以使芯片内部产生0.20.3MPa的压力，观察基片与薄膜是否开裂。测试发现，仅仅第 9 组芯片可以在耐压测试中通过，如图 5(b)显示芯片完好无损，其余 6 组均在基片与薄膜的接缝处存在开裂，即其键合强度不足以抵受 0.3 MPa 的内部压力，说明试剂的配比浓度影响了键合强度。分析可知，二氯甲烷的沸点仅有 39，在常温辊压过程中，该成分挥发激烈可以促使接触面材料分子游离，如果浓度过高导致反应过度剧烈，基片上微流道会受到过度腐蚀破坏，而浓度过低基片与薄膜间又无法反应充足，未能紧密粘结。通过调节合适的二氯甲烷浓度，会使基片与薄膜两者间处于轻微熔融状态，在辊压过程即可紧密贴合。随后，电机传送芯片到达温度设定在 50 左右的热压封装装置，因与丙酮沸点（56）接近，该过程中丙酮成为活泼作用成分。与上述原理相似，在合适的丙酮浓度下，PC 基片与薄膜接触面会继续反应，增强键合强度，除此之外，在热压作用下残留的反应试剂也会挥发干净。a-注射器测压；b-键合合格芯片 图 5 键合合格芯片及注射器测压装置 针对载物夹具电机转速，本文同样做了梯度调整考究其对键合强度的影响，见下表 2。电机的转速（r/min）决定了常温辊压过程的作用时间，亦决定了从反应试中国科技期刊数据库 工业 A-178-剂喷涂于基片上到热压封装环节完成的总时长。实验表明，第 14 组的 PC 芯片键合质量会比其余四组更好。分析可得，当电机转速置于 2000 r/min 或以下时，常温辊压作用时间较长，此时微通道容易过溶造成尺寸受损，而且时间过长会导致反应溶液中大部分主体成分已经挥发，后续的封装过程没法达到出增强键合力的作用。反之，当电机转速处于 3000 r/min 或以上时，常温辊压时间很短，此时辊压压力减少了界面分子间隙而产生吸附作用，如没有足够的作用时间即无法保证界面间分子扩散作用，因此导致了 PC 薄膜与基片未能紧密粘合，此外残余过多的反应溶剂进入热压环节也会造成芯片呈白色雾状。综上所述，将载物夹具电机转速调整在合适范围即 20003000 r/min 之间，PC 基片与薄膜在常温辊压过程中将通过溶剂键合紧密粘合，而两者间合适的反应溶剂剩余量，将在封装过程中进一步反应来增强键合力，并在封装结束时挥发干净。表 2 载物夹具电机转速测试 实验组数 试剂组合（体积比/%）载物夹具电机转速（r/min）封装温度/11 丙酮（15%）+二氯甲烷（5%）+正戊烷（80%）1000 50 12 丙酮（15%）+二氯甲烷（5%）+正戊烷（80%）1500 50 13 丙酮（15%）+二氯甲烷（5%）+正戊烷（80%）2000 50 14 丙酮（15%）+二氯甲烷（5%）+正戊烷（80%）2500 50 15 丙酮（15%）+二氯甲烷（5%）+正戊烷（80%）3000 50 封装温度是控制芯片键合质量的关键参数，直接影响了丙酮的反应活泼程度，亦决定了反应溶剂能否在封装结束时挥发干净。因此，本文针对封装温度作了梯度探究。如下表 3 所示，封装温度设置范围从 40 至 80，每 10 一个梯度，并在第 21 组安排无热压封装环节的芯片对照组。实验结果表明，封装温度设定在 60 时，即第 18 组的芯片键合质量最好，微通道尺寸正确且可以承受 0.20.3 MPa 的耐压测试，键合温度处于合适范围可以使反应试剂的扩散作用得到处分发挥，键合界面的分子间距缩小，因而形成更高的分子间作用力。而第 16 组与 17 组芯片封装温度过低，由于 PC 材料具有一定的的屈服强度，因此无法克服芯片的宏观变形及表面粗糙度，受限于温度界面分子接触程度仍然处于一个较低水平，所以不会有较高的键合强度。第 19 组与 20 组芯片在耐压测试中芯片发生键合处破裂，分析可知，受限于丙酮的挥发点（68）较低，当封装温度等于或高于 70，丙酮会在封装过程中挥发过快而未能与 PC 材质充分反应，界面分子扩散作用缓慢，因此其键合强度受损。第 21组芯片同样发现芯片在缝合处发生破裂，该对照组由于没有经过热压封装环节，证实仅通过短时间的溶剂键合，芯片键合质量没法耐受 0.20.3 MPa 的内部压力。表 3 封装温度测试 实验组数 试剂组合体积分数/%载物夹具电机转速（r/min）封装温度（）16 丙酮（15%）+二氯甲烷（5%）+正戊烷（80%）2500 40 17 丙酮（15%）+二氯甲烷（5%）+正戊烷（80%）2500 50 18 丙酮（15%）+二氯甲烷（5%）+正戊烷（80%）2500 60 19 丙酮（15%）+二氯甲烷（5%）+正戊烷（80%）2500 70 20 丙酮（15%）+二氯甲烷（5%）+正戊烷（80%）2500 80 21 丙酮（15%）+二氯甲烷（5%）+正戊烷（80%）2500 无封装环节 3 结论 本文给出了PC芯片溶剂键合与热压键合结合的流水线制作工艺，分析了其中的键合原理，并通过试剂组合、载物夹具电机速度及封装温度三个方面对键合质量的影响作了探究。反应试剂成分按照丙酮（15%）+二氯甲烷（5%）+正戊烷（80%）的体积比有效组合，可以避免芯片微通道的过度腐蚀，通过短时间的常温辊压（电机转速为 2500 rpm）与中等温度（60）封装工序，即可实现芯片的键合生产。该工艺可以确保流水线上芯片键合质量的合格率，芯片既保证了高透光率，又可承受 0.20.3 MPa 的内部压力。整个流水中国科技期刊数据库 工业 A-179-线单片生产耗时仅需 30 秒，因此芯片产量及合格率都远远领先于其他键合工艺。通过上述三个工艺参数的摸索，基于流水线键合工艺的综合分析，该生产工艺同样适合不同尺寸的微流控芯片制作，同时又可改变参数扩展到不同的聚合物材质如 PMMA、COC 等。该工艺有效优化解决了微流控芯片大规模生产中存在的效率与质量问题，有效推动微流控耗材市场化运作。参考文献 1 方肇伦.微流控分析芯片的制作及应用M.北京:化学工业出版社,2005.2 Galambos P,Forster F.Micro-electro-mechanical systemJ.The American society of mechanical engineers,1998,66,187191.3 林秉承,秦建华.图解微流控芯片实验室M.北京:科学出版社,2008.4 罗怡,张苗苗,张屹博等.面向聚合物微器件超声波精密封接的阵列波导能结构J.光学精密工程,2011,19(4):754-761.5LUO Y,Zhang M M,Yibo Zhang,et al.Microenergy director array for ultrasonic precie sealing of polymer MEMS device J.Opt.Precision Eng.,2011,19(4):754-761.6 PU Q,OYESANYA O,THOMPSON B.et al.On-Chip Micropatterning of Plastic(Cylic Olefin Copolymer,COC)Microfluidic 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