專利名稱：一種導(dǎo)能導(dǎo)流和精密定位的聚合物微結(jié)構(gòu)超聲波鍵合結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于聚合物微機(jī)電系統(tǒng)加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種微結(jié)構(gòu)封接接頭結(jié)構(gòu)，用于聚合物微流控芯片微結(jié)構(gòu)的超聲波鍵合，特別涉及一種導(dǎo)能導(dǎo)流和精密定位的聚合物微結(jié)構(gòu)超聲波鍵合結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
微流控芯片是目前微全分析系統(tǒng)(μ-TAS)的研究重點(diǎn)之一，它借助于微細(xì)加工技術(shù)，制作以微管道網(wǎng)絡(luò)為主的微型結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)流體的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物樣品集成處理和分析?？焖俑咝У貙?shí)現(xiàn)聚合物微通道的封接是芯片制作的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前聚合物微流控芯片的鍵合方法可分為間質(zhì)鍵合和直接鍵合兩大類。間質(zhì)鍵合由于膠粘劑或溶劑的引入，對(duì)檢測(cè)造成影響，并易于造成微通道的堵塞A.Gerlach，et al，Microsyst.Technol.，vol.6，199919-22。直接鍵合中的熱鍵合王曉東等，中國(guó)機(jī)械工程，20052061-2063能夠保證鍵合無(wú)中間介質(zhì)，但鍵合的時(shí)間長(zhǎng)、微結(jié)構(gòu)整體變形大，并且鍵合強(qiáng)度較低；等離子體輔助熱鍵合R.Pelzer，et.al.，Vol.4，No.4，2005551-557、輻射降解熱鍵合H.S.Lee，et.al.，In Proc.IEEE 12th Int.Conf.Transducers，20031331-1334.在一定程度上解決了直接熱鍵合聯(lián)接強(qiáng)度低的問(wèn)題，但鍵合效率仍很低；激光焊接J.Lai，et.al.In Proc.IEEE ICEPT，2003168-171、微波焊接鍵合K.F.Lei，et.al.，In Proc.IEEE 12thInt.Conf.Transducers，20031335-1338需要芯片材料本身具有或在其上制備能夠吸收激光、微波輻射能量的材料，僅適用于個(gè)別的聚合物材料。
綜上所述，已有的聚合物微流控芯片鍵合技術(shù)在方法的適用性、制作質(zhì)量、效率以及是否便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等方面尚存在問(wèn)題和局限性，制約了芯片的批量化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種超聲波鍵合聚合物微流控芯片微結(jié)構(gòu)的方法，采用導(dǎo)能導(dǎo)流和精密定位微接頭結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)超聲波封接面均勻鍵合，解決聚合物微流控芯片鍵合效率低、微通道變形大的問(wèn)題。
本發(fā)明的技術(shù)方案是導(dǎo)能導(dǎo)流和精密定位微接頭由微導(dǎo)能梁、微導(dǎo)流槽和微定位舌組成，其特征是，微導(dǎo)能梁距離被封接的微通道0.005～1mm，其截面形狀為矩形、梯形或三角形，可以與被封接的微通道處于同一聚合物基片上，也可以處于另一基片上；微導(dǎo)流槽距離微導(dǎo)能梁0.01～1mm，與被封接的微通道異側(cè)，其截面形狀為矩形、梯形、三角形或半圓形，可以與被封接的微通道處于同一聚合物基片上，也可以處于另一基片上；微定位舌與被封接的微通道處于不同聚合物基片上，位置重合，但是深度不同，截面形狀與被封接的微通道相似。
導(dǎo)能導(dǎo)流和精密定位微結(jié)構(gòu)的制備可以采用熱壓、注塑或精密機(jī)械加工等方法獲得，下面以熱壓為例說(shuō)明利用本發(fā)明的聚合物微結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲波鍵合的方法。
1.采用熱壓的方法將微通道、微導(dǎo)能梁、微導(dǎo)流槽復(fù)制到聚合物基片上，熱壓參數(shù)分別為熱壓溫度115.5℃，壓力2.5MPa，保持時(shí)間4min和熱壓溫度112℃，壓力2.0MPa，保持時(shí)間4min；2.采用熱壓的方法將微定位舌復(fù)制到另一聚合物基片上，熱壓溫度115.5℃，壓力2.5MPa，保持時(shí)間4min；
3.將帶有微通道、微導(dǎo)能梁、微導(dǎo)流槽的聚合物基片與帶有微定位舌的聚合物基片置于超聲波焊機(jī)的工作臺(tái)上，設(shè)置超聲波焊機(jī)的工作參數(shù)并啟動(dòng)焊機(jī)實(shí)施焊接。焊接參數(shù)為超聲波作用時(shí)間為0.35s，焊頭速度為48mm/s，焊接壓力為300N，觸發(fā)壓力為44N，保壓時(shí)間為0.5s，得到聚合物微流控芯片。
本發(fā)明的效果和益處是采用超聲波鍵合的方式提高了鍵合效率，實(shí)現(xiàn)了聚合物微流控芯片的快速無(wú)間質(zhì)鍵合；制作微導(dǎo)能梁，使得在鍵合初期，縮小接觸面積，提高摩擦面壓力，在鍵合過(guò)程中，微導(dǎo)能梁不斷熔融，有利于鍵合接觸面的潤(rùn)濕，形成穩(wěn)定鍵合強(qiáng)度；制作微導(dǎo)流槽，鍵合過(guò)程中多余的聚合物熔體流入槽內(nèi)而不是微通道內(nèi)，使得封接后的通道截面均勻，鍵合可以在較寬泛的超聲波鍵合參數(shù)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)；制作微定位舌精密定位微接頭結(jié)構(gòu)，解決了芯片超聲波鍵合時(shí)，由于橫波分量導(dǎo)致的上、下聚合物基片竄動(dòng)以及由此引起的精密定位困難，提高芯片制作成品率。


圖1是帶有導(dǎo)能導(dǎo)流微結(jié)構(gòu)和微通道的聚合物基片結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是帶有精密定位微結(jié)構(gòu)的聚合物基片結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是微流控芯片鍵合前微結(jié)構(gòu)裝配示意圖。
圖4是微流控芯片鍵合前微結(jié)構(gòu)裝配立體圖。
圖中1微導(dǎo)能梁；2微導(dǎo)流槽；3微通道；4微定位舌。
具體實(shí)施例方式
微結(jié)構(gòu)的制備可以采用熱壓、注塑或精密機(jī)械加工等方法獲得，以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖，以熱壓為例詳細(xì)敘述本發(fā)明的實(shí)施例。
步驟1.導(dǎo)能導(dǎo)流微結(jié)構(gòu)熱壓模具制備將硅片放入H2O2∶H2SO4＝1∶3溶液煮至冒煙10min后用去離子水沖洗15min，烘干后獲得疏水性表面；處理后的硅片置于ZKLS-2A雙管擴(kuò)散爐，加熱溫度至1180℃，保持3.5小時(shí)，在硅表面獲得厚度為1μm的二氧化硅掩蔽膜。在硅片上均勻地涂覆BP212光刻膠，預(yù)旋涂時(shí)間5s，旋涂時(shí)間為30s，預(yù)旋涂速度500rpm，旋涂速度為3000rpm；前烘BP212光刻膠在80℃的烘箱中進(jìn)行，時(shí)間為20min；冷卻后在BGJ-3型光刻機(jī)上曝光，在I線的光強(qiáng)為0.97mW/cm2的情況下，曝光時(shí)間為35s；在0.5％(wt)NaOH溶液中顯影，顯影液溫度為25℃，顯影時(shí)間為15s，掩膜的圖形至此就精確地復(fù)制到了硅片上。
之后進(jìn)行的是硅片的濕法腐蝕。先去除二氧化硅掩蔽膜，腐蝕條件為HNO3∶HF∶H2O＝40∶20∶40(體積比)，常溫腐蝕，腐蝕時(shí)間為5min。硅各向異性腐蝕的腐蝕條件為73℃，腐蝕液為KOH∶IPA∶H2O＝40g∶30ml∶100ml，腐蝕速度為0.4μm/min。微導(dǎo)流槽熱壓模具的圖形寬度為100μm，圖形高度為30μm。兩微導(dǎo)流槽中心間距500μm。
接下來(lái)采用套刻和濕法腐蝕工藝在同一硅片上制作微導(dǎo)能梁圖形，工藝與制作微導(dǎo)流槽模具工藝相同，微導(dǎo)能梁的圖形寬度為120μm，深度為40μm，兩微導(dǎo)能梁中心間距400μm。
步驟2.微通道熱壓模具、精密定位微結(jié)構(gòu)熱壓模具制備微通道熱壓模具制備工藝與微導(dǎo)流槽制作工藝相同，微通道圖形寬度為150μm，圖形高度為100μm。
精密定位微結(jié)構(gòu)熱壓模具制備工藝與微導(dǎo)流槽制作工藝相同，微定位舌圖形深度為30μm。
步驟3.熱壓聚合物基片將微通道模具安裝在RYJ-II型熱壓機(jī)的上熱壓頭上，聚合物基片放在下熱壓頭進(jìn)行微通道的熱壓成形，熱壓溫度115.5℃，壓力2.5MPa，保持時(shí)間4min，得到微通道；之后將上熱壓頭的模具換成導(dǎo)流導(dǎo)能微結(jié)構(gòu)模具，熱壓前述具有微通道的聚合物，熱壓溫度112℃，壓力2.0MPa，保持時(shí)間4min，得到微導(dǎo)能梁和微導(dǎo)流槽；最后將上熱壓頭模具換成精密定位微結(jié)構(gòu)熱壓模具，熱壓另一片聚合物基片，得到微定位舌。
步驟4.超聲波鍵合芯片將熱壓后帶有微結(jié)構(gòu)的兩片聚合物對(duì)準(zhǔn)后放置于BRANSON 2000d塑料超聲波焊接機(jī)上進(jìn)行微通道的超聲波封接，超聲波作用時(shí)間為0.35s，焊頭速度為48mm/s，焊接壓力為300N，觸發(fā)壓力為44N，保壓時(shí)間為0.5s，得到聚合物微流控芯片。
權(quán)利要求
1.一種導(dǎo)能導(dǎo)流和精密定位的聚合物微結(jié)構(gòu)超聲波鍵合結(jié)構(gòu)，其特征在于導(dǎo)能導(dǎo)流和精密定位微接頭由微導(dǎo)能梁、微導(dǎo)流槽與微定位舌組成；微導(dǎo)能梁距離被封接的微通道0.005～1mm，其截面形狀為矩形、梯形或三角形；微導(dǎo)能梁與被封接的微通道處于同一聚合物基片上或處于另一聚合物基片上；微導(dǎo)流槽距離微導(dǎo)能梁0.01～1mm，與被封接的微通道異側(cè)，其截面形狀為矩形、梯形、三角形或半圓形；微導(dǎo)流槽與被封接的微通道處于同一聚合物基片上或處于另一聚合物基片上；微定位舌截面形狀與被封接的微通道相似，與被封接的微通道處于不同聚合物基片上，位置相對(duì)應(yīng)，深度不同。
2.利用權(quán)利要求1所述的一種導(dǎo)能導(dǎo)流和精密定位的聚合物微結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲波鍵合的方法，其特征在于將帶有微通道、微導(dǎo)能梁、微導(dǎo)流槽的聚合物基片與帶有微定位舌的聚合物基片置于超聲波焊機(jī)的工作臺(tái)上，設(shè)置超聲波焊機(jī)的工作參數(shù)并啟動(dòng)焊機(jī)實(shí)施焊接；焊接參數(shù)為超聲波作用時(shí)間為0.35s，焊頭速度為48mm/s，焊接壓力為300N，觸發(fā)壓力為44N，保壓時(shí)間為0.5s。
全文摘要
一種導(dǎo)能導(dǎo)流和精密定位的聚合物微結(jié)構(gòu)超聲波鍵合結(jié)構(gòu)，屬于聚合物微機(jī)電系統(tǒng)加工技術(shù)領(lǐng)域，用于聚合物微流控芯片的鍵合。其特征在于該結(jié)構(gòu)包括微導(dǎo)能梁、微導(dǎo)流槽和微定位舌，利用模具熱壓、注塑或精密機(jī)械加工聚合物基片獲得微流控芯片的微通道、微導(dǎo)能梁、微導(dǎo)流槽和微定位舌；在塑料超聲波焊機(jī)上采用超聲波鍵合的方式將微通道封接，獲得微流控芯片。本發(fā)明的效果和益處是采用超聲波鍵合的方法提高了鍵合效率，導(dǎo)能導(dǎo)流和精密定位微結(jié)構(gòu)有利于形成穩(wěn)定的鍵合強(qiáng)度，解決了精密定位困難，提高芯片制作成品率。
文檔編號(hào)B29C65/08GK101088912SQ200710011530
公開(kāi)日2007年12月19日 申請(qǐng)日期2007年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月30日
發(fā)明者羅怡, 王曉東, 劉沖, 王立鼎, 張宗波, 張振強(qiáng) 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)