一種導能導流和精密定位的聚合物微結構超聲波鍵合結構的製作方法
2023-07-06 16:21:36 4
專利名稱：一種導能導流和精密定位的聚合物微結構超聲波鍵合結構的製作方法
技術領域：
本發明屬於聚合物微機電系統加工技術領域，涉及一種微結構封接接頭結構，用於聚合物微流控晶片微結構的超聲波鍵合，特別涉及一種導能導流和精密定位的聚合物微結構超聲波鍵合結構。
背景技術：
微流控晶片是目前微全分析系統(μ-TAS)的研究重點之一，它藉助於微細加工技術，製作以微管道網絡為主的微型結構，通過對流體的控制，實現對生物樣品集成處理和分析。快速高效地實現聚合物微通道的封接是晶片製作的關鍵技術之一。目前聚合物微流控晶片的鍵合方法可分為間質鍵合和直接鍵合兩大類。間質鍵合由於膠粘劑或溶劑的引入，對檢測造成影響，並易於造成微通道的堵塞A.Gerlach，et al，Microsyst.Technol.，vol.6，199919-22。直接鍵合中的熱鍵合王曉東等，中國機械工程，20052061-2063能夠保證鍵合無中間介質，但鍵合的時間長、微結構整體變形大，並且鍵合強度較低；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接強度低的問題，但鍵合效率仍很低；雷射焊接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需要晶片材料本身具有或在其上製備能夠吸收雷射、微波輻射能量的材料，僅適用於個別的聚合物材料。
綜上所述，已有的聚合物微流控晶片鍵合技術在方法的適用性、製作質量、效率以及是否便於實現自動化等方面尚存在問題和局限性，制約了晶片的批量化生產。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種超聲波鍵合聚合物微流控晶片微結構的方法，採用導能導流和精密定位微接頭結構，實現超聲波封接面均勻鍵合，解決聚合物微流控晶片鍵合效率低、微通道變形大的問題。
本發明的技術方案是導能導流和精密定位微接頭由微導能梁、微導流槽和微定位舌組成，其特徵是，微導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於同一聚合物基片上，也可以處於另一基片上；微導流槽距離微導能梁0.01～1mm，與被封接的微通道異側，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於同一聚合物基片上，也可以處於另一基片上；微定位舌與被封接的微通道處於不同聚合物基片上，位置重合，但是深度不同，截面形狀與被封接的微通道相似。
導能導流和精密定位微結構的製備可以採用熱壓、注塑或精密機械加工等方法獲得，下面以熱壓為例說明利用本發明的聚合物微結構進行超聲波鍵合的方法。
1.採用熱壓的方法將微通道、微導能梁、微導流槽複製到聚合物基片上，熱壓參數分別為熱壓溫度115.5℃，壓力2.5MPa，保持時間4min和熱壓溫度112℃，壓力2.0MPa，保持時間4min；2.採用熱壓的方法將微定位舌複製到另一聚合物基片上，熱壓溫度115.5℃，壓力2.5MPa，保持時間4min；
3.將帶有微通道、微導能梁、微導流槽的聚合物基片與帶有微定位舌的聚合物基片置於超聲波焊機的工作檯上，設置超聲波焊機的工作參數並啟動焊機實施焊接。焊接參數為超聲波作用時間為0.35s，焊頭速度為48mm/s，焊接壓力為300N，觸發壓力為44N，保壓時間為0.5s，得到聚合物微流控晶片。
本發明的效果和益處是採用超聲波鍵合的方式提高了鍵合效率，實現了聚合物微流控晶片的快速無間質鍵合；製作微導能梁，使得在鍵合初期，縮小接觸面積，提高摩擦面壓力，在鍵合過程中，微導能梁不斷熔融，有利於鍵合接觸面的潤溼，形成穩定鍵合強度；製作微導流槽，鍵合過程中多餘的聚合物熔體流入槽內而不是微通道內，使得封接後的通道截面均勻，鍵合可以在較寬泛的超聲波鍵合參數範圍內實現；製作微定位舌精密定位微接頭結構，解決了晶片超聲波鍵合時，由於橫波分量導致的上、下聚合物基片竄動以及由此引起的精密定位困難，提高晶片製作成品率。
圖1是帶有導能導流微結構和微通道的聚合物基片結構示意圖。
圖2是帶有精密定位微結構的聚合物基片結構示意圖。
圖3是微流控晶片鍵合前微結構裝配示意圖。
圖4是微流控晶片鍵合前微結構裝配立體圖。
圖中1微導能梁；2微導流槽；3微通道；4微定位舌。
具體實施例方式
微結構的製備可以採用熱壓、注塑或精密機械加工等方法獲得，以下結合技術方案和附圖，以熱壓為例詳細敘述本發明的實施例。
步驟1.導能導流微結構熱壓模具製備將矽片放入H2O2∶H2SO4＝1∶3溶液煮至冒煙10min後用去離子水衝洗15min，烘乾後獲得疏水性表面；處理後的矽片置於ZKLS-2A雙管擴散爐，加熱溫度至1180℃，保持3.5小時，在矽表面獲得厚度為1μm的二氧化矽掩蔽膜。在矽片上均勻地塗覆BP212光刻膠，預旋塗時間5s，旋塗時間為30s，預旋塗速度500rpm，旋塗速度為3000rpm；前烘BP212光刻膠在80℃的烘箱中進行，時間為20min；冷卻後在BGJ-3型光刻機上曝光，在I線的光強為0.97mW/cm2的情況下，曝光時間為35s；在0.5％(wt)NaOH溶液中顯影，顯影液溫度為25℃，顯影時間為15s，掩膜的圖形至此就精確地複製到了矽片上。
之後進行的是矽片的溼法腐蝕。先去除二氧化矽掩蔽膜，腐蝕條件為HNO3∶HF∶H2O＝40∶20∶40(體積比)，常溫腐蝕，腐蝕時間為5min。矽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。微導流槽熱壓模具的圖形寬度為100μm，圖形高度為30μm。兩微導流槽中心間距500μm。
接下來採用套刻和溼法腐蝕工藝在同一矽片上製作微導能梁圖形，工藝與製作微導流槽模具工藝相同，微導能梁的圖形寬度為120μm，深度為40μm，兩微導能梁中心間距400μm。
步驟2.微通道熱壓模具、精密定位微結構熱壓模具製備微通道熱壓模具製備工藝與微導流槽製作工藝相同，微通道圖形寬度為150μm，圖形高度為100μm。
精密定位微結構熱壓模具製備工藝與微導流槽製作工藝相同，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型熱壓機的上熱壓頭上，聚合物基片放在下熱壓頭進行微通道的熱壓成形，熱壓溫度115.5℃，壓力2.5MPa，保持時間4min，得到微通道；之後將上熱壓頭的模具換成導流導能微結構模具，熱壓前述具有微通道的聚合物，熱壓溫度112℃，壓力2.0MPa，保持時間4min，得到微導能梁和微導流槽；最後將上熱壓頭模具換成精密定位微結構熱壓模具，熱壓另一片聚合物基片，得到微定位舌。
步驟4.超聲波鍵合晶片將熱壓後帶有微結構的兩片聚合物對準後放置於BRANSON 2000d塑料超聲波焊接機上進行微通道的超聲波封接，超聲波作用時間為0.35s，焊頭速度為48mm/s，焊接壓力為300N，觸發壓力為44N，保壓時間為0.5s，得到聚合物微流控晶片。
權利要求
1.一種導能導流和精密定位的聚合物微結構超聲波鍵合結構，其特徵在於導能導流和精密定位微接頭由微導能梁、微導流槽與微定位舌組成；微導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；微導能梁與被封接的微通道處於同一聚合物基片上或處於另一聚合物基片上；微導流槽距離微導能梁0.01～1mm，與被封接的微通道異側，其截面形狀為矩形、梯形、三角形或半圓形；微導流槽與被封接的微通道處於同一聚合物基片上或處於另一聚合物基片上；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於不同聚合物基片上，位置相對應，深度不同。
2.利用權利要求1所述的一種導能導流和精密定位的聚合物微結構進行超聲波鍵合的方法，其特徵在於將帶有微通道、微導能梁、微導流槽的聚合物基片與帶有微定位舌的聚合物基片置於超聲波焊機的工作檯上，設置超聲波焊機的工作參數並啟動焊機實施焊接；焊接參數為超聲波作用時間為0.35s，焊頭速度為48mm/s，焊接壓力為300N，觸發壓力為44N，保壓時間為0.5s。
全文摘要
一種導能導流和精密定位的聚合物微結構超聲波鍵合結構，屬於聚合物微機電系統加工技術領域，用於聚合物微流控晶片的鍵合。其特徵在於該結構包括微導能梁、微導流槽和微定位舌，利用模具熱壓、注塑或精密機械加工聚合物基片獲得微流控晶片的微通道、微導能梁、微導流槽和微定位舌；在塑料超聲波焊機上採用超聲波鍵合的方式將微通道封接，獲得微流控晶片。本發明的效果和益處是採用超聲波鍵合的方法提高了鍵合效率，導能導流和精密定位微結構有利於形成穩定的鍵合強度，解決了精密定位困難，提高晶片製作成品率。
文檔編號B29C65/08GK101088912SQ200710011530
公開日2007年12月19日 申請日期2007年5月30日 優先權日2007年5月30日
發明者羅怡, 王曉東, 劉衝, 王立鼎, 張宗波, 張振強 申請人:大連理工大學