微流控芯片的键合技术和方法

微流控芯片

1. 微流控芯片的键合技术背景

微流控芯片的特点就是在微观尺寸下对微流体进行操作和控制，而作为操作和控制的对象的流体量又及其微小，导至微流体的流动特性与宏观有很大的不同。具体从结构上来说，微流控芯片内部具有微细的通道，通常采用两片薄片键合制得。键合将两片表面清洁、原子级平整的同质或异质半导体材料经表面清洗和活化处理，在一定条件下直接结合，通过范德华力、分子力甚至原子力使晶片键合成为一体的技术。而两片薄片键合过程中，对于薄片的材质有较高要求，且对薄片表面的洁净程度要求很高，材质和洁净度直接影响键合强度和微流控芯片的密封性。为了保证薄片表面的洁净度，通常通过乙醇、丙酮、去离子水超声工艺以及等离子清洗等方式反复进行，工艺繁琐且造成资源浪费。

然而，大多数键合或封装方法可能使得芯片微结构产生一定的变形，或残留有一定量的未反应化学试剂，键合强度也较低。因此微流控芯片的生产工艺不仅要精确牢固封装塑料微流控芯片的微结构，而且需要不对芯片最终微结构产生物理或化学的影响。

2. 聚合物微流控芯片的键合

（注：微流控芯片或POCT最常见的键合技术）

2.1 微流控芯片键合注意事项

l 要求芯片能够实现连接，且微通道具有密封性，键合后具有足够的机械强度，避免开裂和漏液。

l 键合过程中避免微通道发生变形、堵塞或受到其它影响。

l 当采用有机质进行键合时，需要避免表面物理化学性能发生改变。

2.2 聚合物微流控芯片键合技术

目前，已知的聚合物微流控芯片键合技术包括热压键合、溶剂键合、胶键合、激光或超声键合。

l 热压键合效率较低，商业中较少使用。

l 溶剂键合容易造成物理表面理化性质改变，对应用于生物医药领域并不适合。

l 胶键合在基片与盖片之间引入粘接剂或双面胶实现上下器件的连接。虽然该方法有操作简单、成本低、键合强度高等有点，但同时也存在容易导至胶渗入到通道中导至通道堵塞或者双面胶非特异吸附样品或标记物等明显缺点。

l 超声键合技术是把超声频率在20KHz以上的机械振动能转化为待焊接器件的热能，使器件接触表面熔融后实现焊接件的链接。超声键合技术操作简单，且稳定性较强，但是对焊线要求较高，焊线高低不平可能会导至有虚焊的点容易发生漏液，且虚焊的点无法检查出来。

l 激光键合要求采用吸收激光的材料，通过激光在键合界面产生热量，使界面受热熔融状态下达到连接目的，该方法环保、键合精度高，但实施过程比较复杂，需要特殊的材料或特殊的制备方法，成本相对较高。

3. 微流控芯片的键合技术与方法

键合是将组成微流控芯片的基片和盖片以某种方式结合在一起，从而形成封闭的微通道的一种装配方法。键合质量直接影响到微通道中流体的运动形态，从而影响检测效果，因此键合是微流控芯片制作过程中非常重要的环节。

微流控芯片的键合方法大致可分为直接键合和间接键合两类。直接键合是直接对基片和盖片进行键合，不需要借助其他介质，主要有热键合、表面改性键合和超声波键合；间接键合是利用辅助粘结剂对微流控芯片基片和盖片进行粘接，从而形成封闭微通道，主要有胶粘接键合和溶剂键合。

3.1 直接键合方法

1）热键合：在目前常用的键合方法中，热键合是一种不需要使用任何辅助粘结剂，主要依靠键合温度、键合压力和键合时间的配合使得微流控芯片基片和盖片实现分子水平键合的键合方法。

热键合的一个显著优点是在键合过程中不会产生污染物，间接键合过程中使用的辅助粘结剂很容易渗透并附着在微通道上，这可能会使得芯片的检测效果出现偏差，并且间接键合过程中键合界面上没有粘结剂的地方会产生死区和缺陷。另一个显著优点是热键合之后，芯片的力学性能和热性能非常接近母材的等效固体块，对后续的热膨胀或收缩也不会产生不利的影响。但是热键合需要键合表面紧密接触，且不能有其他杂质存在，否则不易实现基片和盖片的键合，连接层的质量也较差，所以对于基片和盖片表面质量要求较高，后续处理较困难。此外，内部含有温度敏感材料（如电极及波导管等）的芯片以及使用具有不同热膨胀系数的材料制作的芯片也不能采用热键合进行封装。

2）表面改性键合：表面改性键合是通过辐射处理、等离子体表面处理等方法对芯片表面某些特性进行改善之后再对芯片进行后续键合的一种键合方法。

日本大阪府立大学的 ＸｕＸｕ等提出一种采用 Ｏ２／ＣＦ４混合等离子体进行一步等离子体表面活化工艺，在室温下键合玻璃微流控芯片的方法（键合过程如图2所示），但是这种方法操作较为复杂，且需要键合专用设备。

表面改性键合能够有效地降低键合温度，提高键合质量，可用于各种材料的微流控芯片键合，但是适用于这种方法的聚合物种类较少。

3）超声波键合：超声波键合方法是将超声的能量集中到要进行键合的区域，通过超声致热的作用使得芯片材料发生熔融，从而实现基片和盖片间的键合，超声波键合设备如图3所示。

超声波键合显著缩短键合时间，特别适合于聚合物微流控芯片的批量化生产，超声波键合与其他键合方式相比，具有显著的优点［２２］：１）键合过程中不使用辅助粘结剂；２）键合时间短，键合效率高；３）键合强度高；４）工艺操作简单；５）成本低。但是，微流控芯片在超声波键合之前需要进行导能筋的制作，用来集中声能以及控制熔融液的流延，这增加了微流控芯片的制作难度。

3.2 间接键合

1）溶剂键合：溶剂键合是一种室温键合聚合物芯片的技术，它是通过一种特殊的溶剂将需要连接的芯片表面表层轻微溶解，然后将芯片贴合后施加压力，使得溶解后的游离分子再重新相互作用，来实现芯片的永久性封合。

中国科学院的范建华等为解决热压键合过程中微通道的塌陷以及热压导至的芯片的微翘曲对于键合的影响，提出了一种适用于硬质聚合物微流控芯片的黏接筋与溶剂协同辅助的键合方法（黏结筋结构如图4 所示，键合过程如图5 所示）。将制作的带有微结构的 ＰＤＭＳ阳模与 ＰＣ圆片对准热压，使得成型的ＰＣ微流控芯片微通道两侧具有凸起的黏结筋。在对 ＰＣ 微流控芯片键合之前，使用化学试剂丙酮微溶ＰＣ圆片表面，然后将热压所得的 ＰＣ微流控芯片与此 ＰＣ 圆片贴合，使用加热金属压块进行加热加压，实现ＰＣ微流控芯片的键合。

溶剂键合操作简单、快速，可在室温下实现芯片键合，而且键合之后微通道变形小，适于小批量生产和试验研究。但是，溶剂键合对于芯片表面清洁度和平整度要求较高，而且选择适合的溶剂也非常重要，所选溶剂对芯片溶解性过大容易造成通道堵塞或消失，过小则不易实现完整键合。

2）胶粘接键合：胶粘接键合是通过基片与盖片之间的中间介质实现键合的方法。

美国路易斯维尔大学的 Carroll 等在对 ＣＥ 底材进行适当的清洗之后，使用掩膜对准器，将胶粘剂选择性地转移到顶部的 ＣＥ 底材上，然后将顶部的ＣＥ底材与底部ＣＥ底材对准并粘结，最后用紫外线进行照射直到胶粘剂固化（过程如图6 所示）。这种方法对芯片的表面质量和表面粗糙度要求较低，操作方便，成功率接近１００％，且键合后的微晶片性能稳定，此外整个键合过程不超过３０ｍｉｎ，通过溶解固化的胶粘层可实现芯片的可逆键合。

胶粘接键合工艺简单，成本低，在室温下就能完成微流控芯片的键合，而且胶粘接键合几乎适用于所有材质的微流控芯片的键合。但是，胶粘键合密封不够完全，胶粘剂的使用容易堵塞微通道，而且胶粘剂的使用使得微通道的表面性质不一致，胶粘剂材料会对化学分析试验的结果产生干扰。

3. 结论

随着材料科学、微电子学和微纳米加工技术的快速发展，微流控芯片呈现出越来越广阔的应用前景。微流控芯片基片与盖片的制作技术日臻成熟，键合技术已成为提高微流控芯片质量和成品率的关键。业界越来越重视这一关键技术，键合方法也得到不断改进与创新；但在键合质量、键合效率以及操作简便性等方面仍存在一定的局限性。

具体使用时，需根据微流控芯片的材质以及使用要求选择合适的键合方法。而随着微流控芯片不断地创新发展，特别是聚合物微流控芯片的日益普及，键合技术将面临新的挑战。随着聚合物微流控芯片市场的不断扩大，亟需开发一种产业化生产成本低、微通道受损小，适合聚合物微流控芯片的低温或者常温键合方法。

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