微流控芯片的鍵合技術和方法

1. 微流控芯片的鍵合技術背景

微流控芯片的特點就是在微觀尺寸下對微流體進行操作和控制，而作為操作和控制的對象的流體量又及其微小，導致微流體的流動特性與宏觀有很大的不同。具體從結構上來說，微流控芯片內部具有微細的通道，通常采用兩片薄片鍵合制得。鍵合將兩片表面清潔、原子級平整的同質或異質半導體材料經表面清洗和活化處理，在一定條件下直接結合，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。而兩片薄片鍵合過程中，對于薄片的材質有較高要求，且對薄片表面的潔凈程度要求很高，材質和潔凈度直接影響鍵合強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進行，工藝繁瑣且造成資源浪費。

然而，大多數鍵合或封裝方法可能使得芯片微結構產生一定的變形，或殘留有一定量的未反應化學試劑，鍵合強度也較低。因此微流控芯片的生產工藝不僅要精確牢固封裝塑料微流控芯片的微結構，而且需要不對芯片最終微結構產生物理或化學的影響。

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）

2.1 微流控芯片鍵合注意事項

l 要求芯片能夠實現連接，且微通道具有密封性，鍵合后具有足夠的機械強度，避免開裂和漏液。

l 鍵合過程中避免微通道發生變形、堵塞或受到其它影響。

l 當采用有機質進行鍵合時，需要避免表面物理化學性能發生改變。

2.2 聚合物微流控芯片鍵合技術

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

l 熱壓鍵合效率較低，商業中較少使用。

l 溶劑鍵合容易造成物理表面理化性質改變，對應用于生物醫藥領域并不適合。

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

l 超聲鍵合技術是把超聲頻率在20KHz以上的機械振動能轉化為待焊接器件的熱能，使器件接觸表面熔融后實現焊接件的鏈接。超聲鍵合技術操作簡單，且穩定性較強，但是對焊線要求較高，焊線高低不平可能會導致有虛焊的點容易發生漏液，且虛焊的點無法檢查出來。

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生熱量，使界面受熱熔融狀態下達到連接目的，該方法環保、鍵合精度高，但實施過程比較復雜，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合在一起，從而形成封閉的微通道的一種裝配方法。鍵合質量直接影響到微通道中流體的運動形態，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節。

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行鍵合，不需要借助其他介質，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劑對微流控芯片基片和蓋片進行粘接，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劑，主要依靠鍵合溫度、鍵合壓力和鍵合時間的配合使得微流控芯片基片和蓋片實現分子水平鍵合的鍵合方法（見圖１）。

                            圖1 熱鍵合過程示意圖

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

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行改善之后再對芯片進行后續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

日本大阪府立大學的 ＸｕＸｕ等提出一種采用 Ｏ２／ＣＦ４混合等離子體進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雜，且需要鍵合專用設備。

表面改性鍵合能夠有效地降低鍵合溫度，提高鍵合質量，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行鍵合的區域，通過超聲致熱的作用使得芯片材料發生熔融，從而實現基片和蓋片間的鍵合，超聲波鍵合設備如圖3所示。

圖3 超聲波鍵合系統

超聲波鍵合顯著縮短鍵合時間，特別適合于聚合物微流控芯片的批量化生產，超聲波鍵合與其他鍵合方式相比，具有顯著的優點［２２］：１）鍵合過程中不使用輔助粘結劑；２）鍵合時間短，鍵合效率高；３）鍵合強度高；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行導能筋的制作，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，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，來實現芯片的永久性封合。

中國科學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聚合物微流控芯片的黏接筋與溶劑協同輔助的鍵合方法（黏結筋結構如圖4 所示，鍵合過程如圖5 所示）。將制作的帶有微結構的 ＰＤＭＳ陽模與 ＰＣ圓片對準熱壓，使得成型的ＰＣ微流控芯片微通道兩側具有凸起的黏結筋。在對 ＰＣ 微流控芯片鍵合之前，使用化學試劑丙酮微溶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行加熱加壓，實現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，可在室溫下實現芯片鍵合，而且鍵合之后微通道變形小，適于小批量生產和試驗研究。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，過小則不易實現完整鍵合。

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實現鍵合的方法。

圖6 膠粘鍵合過程示意圖

美國路易斯維爾大學的 Carroll 等在對 ＣＥ 底材進行適當的清洗之后，使用掩膜對準器，將膠粘劑選擇性地轉移到頂部的 ＣＥ 底材上，然后將頂部的ＣＥ底材與底部ＣＥ底材對準并粘結，最后用紫外線進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定，此外整個鍵合過程不超過３０ｍｉｎ，通過溶解固化的膠粘層可實現芯片的可逆鍵合。

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不一致，膠粘劑材料會對化學分析試驗的結果產生干擾。

3. 結論

隨著材料科學、微電子學和微納米加工技術的快速發展，微流控芯片呈現出越來越廣闊的應用前景。微流控芯片基片與蓋片的制作技術日臻成熟，鍵合技術已成為提高微流控芯片質量和成品率的關鍵。業界越來越重視這一關鍵技術，鍵合方法也得到不斷改進與創新；但在鍵合質量、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，需根據微流控芯片的材質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新發展，特別是聚合物微流控芯片的日益普及，鍵合技術將面臨新的挑戰。隨著聚合物微流控芯片市場的不斷擴大，亟需開發一種產業化生產成本低、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。

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