1. 微流控芯片的鍵合技術(shù)背景

微流控芯片的特點(diǎn)就是在微觀尺寸下對微流體進(jìn)行操作和控制，而作為操作和控制的對象的流體量又及其微小，導(dǎo)致微流體的流動(dòng)特性與宏觀有很大的不同。具體從結(jié)構(gòu)上來說，微流控芯片內(nèi)部具有微細(xì)的通道，通常采用兩片薄片鍵合制得。鍵合將兩片表面清潔、原子級平整的同質(zhì)或異質(zhì)半導(dǎo)體材料經(jīng)表面清洗和活化處理，在一定條件下直接結(jié)合，通過范德華力、分子力甚至原子力使晶片鍵合成為一體的技術(shù)。而兩片薄片鍵合過程中，對于薄片的材質(zhì)有較高要求，且對薄片表面的潔凈程度要求很高，材質(zhì)和潔凈度直接影響鍵合強(qiáng)度和微流控芯片的密封性。為了保證薄片表面的潔凈度，通常通過乙醇、丙酮、去離子水超聲工藝以及等離子清洗等方式反復(fù)進(jìn)行，工藝繁瑣且造成資源浪費(fèi)。

然而，大多數(shù)鍵合或封裝方法可能使得芯片微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的變形，或殘留有一定量的未反應(yīng)化學(xué)試劑，鍵合強(qiáng)度也較低。因此微流控芯片的生產(chǎn)工藝不僅要精確牢固封裝塑料微流控芯片的微結(jié)構(gòu)，而且需要不對芯片最終微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生物理或化學(xué)的影響。

2. 聚合物微流控芯片的鍵合

（注：微流控芯片或POCT最常見的鍵合技術(shù)）

2.1 微流控芯片鍵合注意事項(xiàng)

l 要求芯片能夠?qū)崿F(xiàn)連接，且微通道具有密封性，鍵合后具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，避免開裂和漏液。

l 鍵合過程中避免微通道發(fā)生變形、堵塞或受到其它影響。

l 當(dāng)采用有機(jī)質(zhì)進(jìn)行鍵合時(shí)，需要避免表面物理化學(xué)性能發(fā)生改變。

2.2 聚合物微流控芯片鍵合技術(shù)

目前，已知的聚合物微流控芯片鍵合技術(shù)包括熱壓鍵合、溶劑鍵合、膠鍵合、激光或超聲鍵合。

l 熱壓鍵合效率較低，商業(yè)中較少使用。

l 溶劑鍵合容易造成物理表面理化性質(zhì)改變，對應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域并不適合。

l 膠鍵合在基片與蓋片之間引入粘接劑或雙面膠實(shí)現(xiàn)上下器件的連接。雖然該方法有操作簡單、成本低、鍵合強(qiáng)度高等有點(diǎn)，但同時(shí)也存在容易導(dǎo)致膠滲入到通道中導(dǎo)致通道堵塞或者雙面膠非特異吸附樣品或標(biāo)記物等明顯缺點(diǎn)。

l 超聲鍵合技術(shù)是把超聲頻率在20KHz以上的機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為待焊接器件的熱能，使器件接觸表面熔融后實(shí)現(xiàn)焊接件的鏈接。超聲鍵合技術(shù)操作簡單，且穩(wěn)定性較強(qiáng)，但是對焊線要求較高，焊線高低不平可能會(huì)導(dǎo)致有虛焊的點(diǎn)容易發(fā)生漏液，且虛焊的點(diǎn)無法檢查出來。

l 激光鍵合要求采用吸收激光的材料，通過激光在鍵合界面產(chǎn)生熱量，使界面受熱熔融狀態(tài)下達(dá)到連接目的，該方法環(huán)保、鍵合精度高，但實(shí)施過程比較復(fù)雜，需要特殊的材料或特殊的制備方法，成本相對較高。

3. 微流控芯片的鍵合技術(shù)與方法

鍵合是將組成微流控芯片的基片和蓋片以某種方式結(jié)合在一起，從而形成封閉的微通道的一種裝配方法。鍵合質(zhì)量直接影響到微通道中流體的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，從而影響檢測效果，因此鍵合是微流控芯片制作過程中非常重要的環(huán)節(jié)。

微流控芯片的鍵合方法大致可分為直接鍵合和間接鍵合兩類。直接鍵合是直接對基片和蓋片進(jìn)行鍵合，不需要借助其他介質(zhì)，主要有熱鍵合、表面改性鍵合和超聲波鍵合；間接鍵合是利用輔助粘結(jié)劑對微流控芯片基片和蓋片進(jìn)行粘接，從而形成封閉微通道，主要有膠粘接鍵合和溶劑鍵合。

3.1 直接鍵合方法

1）熱鍵合：在目前常用的鍵合方法中，熱鍵合是一種不需要使用任何輔助粘結(jié)劑，主要依靠鍵合溫度、鍵合壓力和鍵合時(shí)間的配合使得微流控芯片基片和蓋片實(shí)現(xiàn)分子水平鍵合的鍵合方法（見圖１）。

                            圖1 熱鍵合過程示意圖

熱鍵合的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是在鍵合過程中不會(huì)產(chǎn)生污染物，間接鍵合過程中使用的輔助粘結(jié)劑很容易滲透并附著在微通道上，這可能會(huì)使得芯片的檢測效果出現(xiàn)偏差，并且間接鍵合過程中鍵合界面上沒有粘結(jié)劑的地方會(huì)產(chǎn)生死區(qū)和缺陷。另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是熱鍵合之后，芯片的力學(xué)性能和熱性能非常接近母材的等效固體塊，對后續(xù)的熱膨脹或收縮也不會(huì)產(chǎn)生不利的影響。但是熱鍵合需要鍵合表面緊密接觸，且不能有其他雜質(zhì)存在，否則不易實(shí)現(xiàn)基片和蓋片的鍵合，連接層的質(zhì)量也較差，所以對于基片和蓋片表面質(zhì)量要求較高，后續(xù)處理較困難。此外，內(nèi)部含有溫度敏感材料（如電極及波導(dǎo)管等）的芯片以及使用具有不同熱膨脹系數(shù)的材料制作的芯片也不能采用熱鍵合進(jìn)行封裝。

2）表面改性鍵合：表面改性鍵合是通過輻射處理、等離子體表面處理等方法對芯片表面某些特性進(jìn)行改善之后再對芯片進(jìn)行后續(xù)鍵合的一種鍵合方法。

圖2 一步等離子體表面活化，鍵合過程示意圖

日本大阪府立大學(xué)的 ＸｕＸｕ等提出一種采用 Ｏ２／ＣＦ４混合等離子體進(jìn)行一步等離子體表面活化工藝，在室溫下鍵合玻璃微流控芯片的方法（鍵合過程如圖2所示），但是這種方法操作較為復(fù)雜，且需要鍵合專用設(shè)備。

表面改性鍵合能夠有效地降低鍵合溫度，提高鍵合質(zhì)量，可用于各種材料的微流控芯片鍵合，但是適用于這種方法的聚合物種類較少。

3）超聲波鍵合：超聲波鍵合方法是將超聲的能量集中到要進(jìn)行鍵合的區(qū)域，通過超聲致熱的作用使得芯片材料發(fā)生熔融，從而實(shí)現(xiàn)基片和蓋片間的鍵合，超聲波鍵合設(shè)備如圖3所示。

圖3 超聲波鍵合系統(tǒng)

超聲波鍵合顯著縮短鍵合時(shí)間，特別適合于聚合物微流控芯片的批量化生產(chǎn)，超聲波鍵合與其他鍵合方式相比，具有顯著的優(yōu)點(diǎn)［２２］：１）鍵合過程中不使用輔助粘結(jié)劑；２）鍵合時(shí)間短，鍵合效率高；３）鍵合強(qiáng)度高；４）工藝操作簡單；５）成本低。但是，微流控芯片在超聲波鍵合之前需要進(jìn)行導(dǎo)能筋的制作，用來集中聲能以及控制熔融液的流延，這增加了微流控芯片的制作難度。

3.2 間接鍵合

1）溶劑鍵合：溶劑鍵合是一種室溫鍵合聚合物芯片的技術(shù)，它是通過一種特殊的溶劑將需要連接的芯片表面表層輕微溶解，然后將芯片貼合后施加壓力，使得溶解后的游離分子再重新相互作用，來實(shí)現(xiàn)芯片的永久性封合。

中國科學(xué)院的范建華等為解決熱壓鍵合過程中微通道的塌陷以及熱壓導(dǎo)致的芯片的微翹曲對于鍵合的影響，提出了一種適用于硬質(zhì)聚合物微流控芯片的黏接筋與溶劑協(xié)同輔助的鍵合方法（黏結(jié)筋結(jié)構(gòu)如圖4 所示，鍵合過程如圖5 所示）。將制作的帶有微結(jié)構(gòu)的 ＰＤＭＳ陽模與 ＰＣ圓片對準(zhǔn)熱壓，使得成型的ＰＣ微流控芯片微通道兩側(cè)具有凸起的黏結(jié)筋。在對 ＰＣ 微流控芯片鍵合之前，使用化學(xué)試劑丙酮微溶ＰＣ圓片表面，然后將熱壓所得的 ＰＣ微流控芯片與此 ＰＣ 圓片貼合，使用加熱金屬壓塊進(jìn)行加熱加壓，實(shí)現(xiàn)ＰＣ微流控芯片的鍵合。

圖4 ＰＣ微流控芯片制作示意圖

圖5 芯片鍵合示意圖

溶劑鍵合操作簡單、快速，可在室溫下實(shí)現(xiàn)芯片鍵合，而且鍵合之后微通道變形小，適于小批量生產(chǎn)和試驗(yàn)研究。但是，溶劑鍵合對于芯片表面清潔度和平整度要求較高，而且選擇適合的溶劑也非常重要，所選溶劑對芯片溶解性過大容易造成通道堵塞或消失，過小則不易實(shí)現(xiàn)完整鍵合。

2）膠粘接鍵合：膠粘接鍵合是通過基片與蓋片之間的中間介質(zhì)實(shí)現(xiàn)鍵合的方法。

圖6 膠粘鍵合過程示意圖

美國路易斯維爾大學(xué)的 Carroll 等在對 ＣＥ 底材進(jìn)行適當(dāng)?shù)那逑粗?，使用掩膜對?zhǔn)器，將膠粘劑選擇性地轉(zhuǎn)移到頂部的 ＣＥ 底材上，然后將頂部的ＣＥ底材與底部ＣＥ底材對準(zhǔn)并粘結(jié)，最后用紫外線進(jìn)行照射直到膠粘劑固化（過程如圖6 所示）。這種方法對芯片的表面質(zhì)量和表面粗糙度要求較低，操作方便，成功率接近１００％，且鍵合后的微晶片性能穩(wěn)定，此外整個(gè)鍵合過程不超過３０ｍｉｎ，通過溶解固化的膠粘層可實(shí)現(xiàn)芯片的可逆鍵合。

膠粘接鍵合工藝簡單，成本低，在室溫下就能完成微流控芯片的鍵合，而且膠粘接鍵合幾乎適用于所有材質(zhì)的微流控芯片的鍵合。但是，膠粘鍵合密封不夠完全，膠粘劑的使用容易堵塞微通道，而且膠粘劑的使用使得微通道的表面性質(zhì)不一致，膠粘劑材料會(huì)對化學(xué)分析試驗(yàn)的結(jié)果產(chǎn)生干擾。

3. 結(jié)論

隨著材料科學(xué)、微電子學(xué)和微納米加工技術(shù)的快速發(fā)展，微流控芯片呈現(xiàn)出越來越廣闊的應(yīng)用前景。微流控芯片基片與蓋片的制作技術(shù)日臻成熟，鍵合技術(shù)已成為提高微流控芯片質(zhì)量和成品率的關(guān)鍵。業(yè)界越來越重視這一關(guān)鍵技術(shù)，鍵合方法也得到不斷改進(jìn)與創(chuàng)新；但在鍵合質(zhì)量、鍵合效率以及操作簡便性等方面仍存在一定的局限性。

具體使用時(shí)，需根據(jù)微流控芯片的材質(zhì)以及使用要求選擇合適的鍵合方法。而隨著微流控芯片不斷地創(chuàng)新發(fā)展，特別是聚合物微流控芯片的日益普及，鍵合技術(shù)將面臨新的挑戰(zhàn)。隨著聚合物微流控芯片市場的不斷擴(kuò)大，亟需開發(fā)一種產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)成本低、微通道受損小，適合聚合物微流控芯片的低溫或者常溫鍵合方法。

免責(zé)聲明：文章來源網(wǎng)絡(luò)  以傳播知識、有益學(xué)習(xí)和研究為宗旨。 轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請聯(lián)系刪除。