PDMS芯片與鈮酸鋰基底的等離子改性鍵合

文章出處：等離子清洗機(jī)廠(chǎng)家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時(shí)間：2024-10-09

PDMS是一種彈性體材料，結(jié)構(gòu)式如圖1-1-a所示。使用PDMS制造的微流控芯片可以通過(guò)等離子改性鍵合工藝與多種基底材料實(shí)現(xiàn)鍵合，在微流控領(lǐng)域有廣泛地應(yīng)用。聲表面波微流控芯片的基底材料為鈮酸鋰。鈮酸鋰是一種壓電材料，具有鐵電相結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上為離子晶體，其中Nb-O骨架帶負(fù)電，Li+帶正電，結(jié)構(gòu)式如圖1-1-b所示。鈮酸鋰是目前應(yīng)用較廣的新型壓電材料之一，具備良好的壓電換能特性，是主要使用的聲表面波材料之一，同時(shí)也在光波導(dǎo)、壓電傳感器、光學(xué)調(diào)制器以及各類(lèi)線(xiàn)性與非線(xiàn)性光學(xué)中獲得了重要的應(yīng)用。

圖1.1 PDMS 與鈮酸鋰的結(jié)構(gòu)式

PDMS芯片與鈮酸鋰基底的等離子改性鍵合原理

等離子鍵合的方法主要通過(guò)生成不可逆的Li-O-Si鍵，來(lái)實(shí)現(xiàn)鈮酸鋰襯底與PDMS之間的鍵合。當(dāng)帶有叉指換能器的鈮酸鋰襯底與PDMS管道都制作完成后，需要使用氧氣等離子（O2PlasmaCleaner）處理將二者“粘連”集成在一起。把表面干凈的PDMS與鈮酸鋰放置在氧氣等離子的環(huán)境中，高能等離子轟擊PDMS和鈮酸鋰的表面，破壞原有的Li-O鍵和和Si-O鍵，生成新的Li-OH鍵合Si-OH鍵。當(dāng)氧等離子處理過(guò)的PDMS表面和鈮酸鋰表面接觸在一起時(shí)，Li-OH與Si-OH發(fā)生縮聚反應(yīng)，生成不可逆的Li-O-Si鍵，其具有高的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)“粘連”。

等離子鍵合流程如下：

a)鈮酸鋰襯底處理：由于鈮酸鋰基底涂有一層光刻膠，先用丙酮去除表面的光刻膠。接著把基底放入裝有丙酮的蒸發(fā)皿中，蓋上玻璃片。接著將蒸發(fā)皿放入到超聲波清洗池中處理5min。之后用金屬鑷子取出襯底，放入裝有無(wú)水乙醇的蒸發(fā)皿中，蓋上玻璃片，放入超聲波清洗池中，用超聲波處理5min。用鑷子取出，放入裝有去離子水的蒸發(fā)皿中，蓋上玻璃片，放入超聲波清洗池中，用超聲波處理5min。之后用塑料鑷子取出，氮?dú)獯蹈?。最后把襯底放入無(wú)塵盒中，備用。

b)取兩塊載波片，用乙醇擦拭干凈。作為PDMS和鈮酸鋰襯底的托盤(pán)

c)取出準(zhǔn)備好的PDMS管道。把沒(méi)有管道凹槽的面上的靜電無(wú)膠膜去除，并將它貼在前面準(zhǔn)備好的載玻片。然后去掉有管道一面的靜電無(wú)膠膜，放入無(wú)塵盒中備用。
d)設(shè)置等離子清洗機(jī)，設(shè)置如下，先設(shè)置處理時(shí)間為2min，再設(shè)置真空率為5.0×101Pa，最后打開(kāi)氧氣瓶，開(kāi)啟真空泵，按下啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，等到達(dá)真空率后，調(diào)節(jié)功率旋鈕，使的電流表的數(shù)值和電壓表的數(shù)值的乘積約為150W，最后手動(dòng)按下停止按鈕，關(guān)閉真空泵，關(guān)閉氧氣閥。等離子清洗機(jī)設(shè)置完成。

e)把鈮酸鋰襯底放在另一塊載玻片上，有金屬叉指的一面朝上。

f)打開(kāi)等離子清洗機(jī)的艙門(mén)，把載有鈮酸鋰的載玻片和載有PDMS管道的載玻片放入到艙內(nèi)的玻璃平臺(tái)上，關(guān)上艙門(mén)。打開(kāi)氧氣瓶，啟動(dòng)真空泵，按下啟動(dòng)按鈕。等待處理完成。

g)等離子處理完畢后，立即取出鈮酸鋰徹底和PDMS管道，把鈮酸鋰放置在操作臺(tái)上（下面有載玻片保護(hù)），手持PDMS管道，讓鈮酸鋰襯底上的定位點(diǎn)和PDMS管道上的定位點(diǎn)先對(duì)齊再貼合。

h)把鍵合的管道，連同作為基底的蓋玻片一起放入到恒溫干燥箱中，并在玻片上添加200克的砝碼。設(shè)置恒溫干燥箱的溫度為60度，烘烤2個(gè)小時(shí)，強(qiáng)化鍵合的效果。
i)烘烤完成后，移除兩個(gè)載玻片，如圖1.2(a)所示，放置在顯微鏡中觀察管道的效果，如圖1.2(b)是流體匯入?yún)^(qū)域的管道，如圖1.2(c)是出口分界點(diǎn)區(qū)域的管道。這樣基于SSAW的分選器件就鍵合完成了。

圖1.2 分選器件與管道

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PDMS芯片與鈮酸鋰基底的等離子改性鍵合

PDMS芯片與鈮酸鋰基底的等離子改性鍵合

PDMS芯片與鈮酸鋰基底的等離子改性鍵合原理