一种导能导流和精密定位的聚合物微结构超声波键合结构

摘要

一种导能导流和精密定位的聚合物微结构超声波键合结构，属于聚合物微机电系统加工技术领域，用于聚合物微流控芯片的键合。其特征在于该结构包括微导能梁、微导流槽和微定位舌，利用模具热压、注塑或精密机械加工聚合物基片获得微流控芯片的微通道、微导能梁、微导流槽和微定位舌；在塑料超声波焊机上采用超声波键合的方式将微通道封接，获得微流控芯片。本发明的效果和益处是采用超声波键合的方法提高了键合效率，导能导流和精密定位微结构有利于形成稳定的键合强度，解决了精密定位困难，提高芯片制作成品率。

权利要求

1.一种导能导流和精密定位的聚合物微结构超声波键合结构，其特征在于导能导流和精密定位微接头由微导能梁、微导流槽与微定位舌组成；微导能梁距离被封接的微通道0.005～1mm，其截面形状为矩形、梯形或三角形；微导能梁与被封接的微通道处于同一聚合物基片上或处于另一聚合物基片上；微导流槽距离微导能梁0.01～1mm，与被封接的微通道异侧，其截面形状为矩形、梯形、三角形或半圆形；微导流槽与被封接的微通道处于同一聚合物基片上或处于另一聚合物基片上；微定位舌截面形状与被封接的微通道相似，与被封接的微通道处于不同聚合物基片上，位置相对应，微定位舌的深度小于微通道的深度。

2、 利用权利要求1所述的一种导能导流和精密定位的聚合物微结构进行超声波键合的方法，其特征在于将带有微通道、微导能梁、微导流槽的聚合物基片与带有微定位舌的聚合物基片置于超声波焊机的工作台上，设置超声波焊机的工作参数并启动焊机实施焊接；焊接参数为：超声波作用时间为0.35s，焊头速度为48腿/s，焊接压力为300N，触发压力为44N，保压时间为0.5s。

说明书

一种导能导流和精密定位的聚合物微结构超声波键合结构

技术领域

本发明属于聚合物微机电系统加工技术领域，涉及一种微结构封接接头结 构，用于聚合物微流控芯片微结构的超声波键合，特别涉及一种导能导流和精 密定位的聚合物微结构超声波键合结构。 背景技术
微流控芯片是目前微全分析系统（p-TAS)的研究重点之一，它借助于微细 加工技术，制作以微管道网络为主的微型结构，通过对流体的控制，实现对生 物样品集成处理和分析。快速高效地实现聚合物微通道的封接是芯片制作的关 键技术之一。目前聚合物微流控芯片的键合方法可分为间质键合和直接键合两 大类。间质键合由于胶粘剂或溶剂的引入，对检测造成影响，并易于造成微通 道的堵塞【A. Gerlach, et al, Microsyst. Technol. ， vol. 6, 1999: 19 - 22】。 直接键合中的热键合【王晓东等，中国机械工程，2005: 2061- 2063】能够保 证键合无中间介质，但键合的时间长、微结构整体变形大，并且键合强度较低； 等离子体辅助热键合【R. Pelzer， et. al., Vol. 4， No. 4， 2005: 551-557】、 辐射降解热键合【H. S. Lee, et. al.， In Proc. IEEE 12th Int. Conf'. Transducers, 2003: 1331 - 1334.】在一定程度上解决了直接热键合联接强度 低的问题，但键合效率仍很低；激光焊接【J. Lai, et. al. In Proc. IEEE ICEPT, 2003: 168 - 171】、微波焊接键合【K. F. Lei， et. al. ， In Proc. IEEE 12th Int. Conf. Transducers, 2003: 1335 - 1338】需要芯片材料本身具有或在其 上制备能够吸收激光、微波辐射能量的材料，仅适用于个别的聚合物材料。综上所述，已有的聚合物微流控芯片键合技术在方法的适用性、制作质量、 效率以及是否便于实现自动化等方面尚存在问题和局限性，制约了芯片的批量 化生产。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种超声波键合聚合物微流控芯片微结构 的方法，采用导能导流和精密定位微接头结构，实现超声波封接面均匀键合， 解决聚合物微流控芯片键合效率低、微通道变形大的问题。
本发明的技术方案是导能导流和精密定位微接头由微导能梁、微导流槽和
微定位舌组成，其特征是，微导能梁距离被封接的微通道0.005〜1mm，其截面 形状为矩形、梯形或三角形，可以与被封接的微通道处于同一聚合物基片上， 也可以处于另一基片上；微导流槽距离微导能梁0.01〜lmm，与被封接的微通道 异侧，其截面形状为矩形、梯形、三角形或半圆形，可以与被封接的微通道处 于同一聚合物基片上，也可以处于另一基片上；微定位舌与被封接的微通道处 于不同聚合物基片上，位置重合，但是深度不同，截面形状与被封接的微通道 相似。
导能导流和精密定位微结构的制备可以采用热压、注塑或精密机械加工等 方法获得，下面以热压为例说明利用本发明的聚合物微结构进行超声波键合的 方法。
1. 采用热压的方法将微通道、微导能梁、微导流槽复制到聚合物基片上， 热压参数分别为：热压温度115.5。C，压力2.5MPa，保持时间4min和热压温度 112。C，压力2.0MPa，保持时间4min;
2. 采用热压的方法将微定位舌复制到另一聚合物基片上，热压温度115.5 。C,压力2.5MPa,保持时间4min;3.将带有微通道、微导能梁、微导流槽的聚合物基片与带有微定位舌的聚 合物基片置于超声波焊机的工作台上，设置超声波焊机的工作参数并启动焊机
实施焊接。焊接参数为：超声波作用时间为0.35s，焊头速度为48咖/s，焊接 压力为300N,触发压力为44N，保压时间为0.5s，得到聚合物微流控芯片。
本发明的效果和益处是：采用超声波键合的方式提高了键合效率，实现了 聚合物微流控芯片的快速无间质键合；制作微导能梁，使得在键合初期，縮小 接触面积，提高摩擦面压力，在键合过程中，微导能梁不断熔融，有利于键合 接触面的润湿，形成稳定键合强度；制作微导流槽，键合过程中多余的聚合物 熔体流入槽内而不是微通道内，使得封接后的通道截面均匀，键合可以在较宽 泛的超声波键合参数范围内实现；制作微定位舌精密定位微接头结构，解决了 芯片超声波键合时，由于横波分量导致的上、下聚合物基片窜动以及由此引起 的精密定位困难，提高芯片制作成品率。 附图说明
图l是带有导能导流微结构和微通道的聚合物基片结构示意图。 图2是带有精密定位微结构的聚合物基片结构示意图。 图3是微流控芯片键合前微结构装配示意图。 图4是微流控芯片键合前微结构装配立体图。
图中：1微导能梁；2微导流槽；3微通道；4微定位舌。

具体实施方式

微结构的制备可以采用热压、注塑或精密机械加工等方法获得，以下结合 技术方案和附图，以热压为例详细叙述本发明的实施例。 步骤l.导能导流微结构热压模具制备
将硅片放入H202: H2S04=1: 3溶液煮至冒烟10 min后用去离子水冲洗15min，烘干后获得疏水性表面；处理后的硅片置于ZKLS-2A双管扩散炉，加热温 度至118(TC，保持3.5小时，在硅表面获得厚度为lum的二氧化硅掩蔽膜。在 硅片上均匀地涂覆BP212光刻胶，预旋涂时间5s，旋涂时间为30s，预旋涂速 度500rpm，旋涂速度为3000rpm;前烘BP212光刻胶在80°C的烘箱中进行，时 间为20min;冷却后在BGJ—3型光刻机上曝光，在I线的光强为0. 97mW/cm2的情 况下，曝光时间为35s;在0.5% (wt) NaOH溶液中显影，显影液温度为25。C， 显影时间为15s，掩膜的图形至此就精确地复制到了硅片上。
之后进行的是硅片的湿法腐蚀。先去除二氧化硅掩蔽膜，腐蚀条件为HN03: HF: H20=40: 20: 40(体积比），常温腐蚀，腐蚀时间为5min。硅各向异性腐蚀 的腐蚀条件为73°C，腐蚀液为KOH: IPA: H2O40g: 30ml: 100ml,腐蚀速度为 0.4um/min。微导流槽热压模具的图形宽度为100 um，图形高度为30 um。两 微导流槽中心间距640 um。
接下来采用套刻和湿法腐蚀工艺在同一硅片上制作微导能梁图形，工艺与 制作微导流槽模具工艺相同，微导能梁的图形宽度为120 um，深度为40 um， 两微导能梁中心间距400 "m。
步骤2.微通道热压模具、精密定位微结构热压模具制备
微通道热压模具制备工艺与微导流槽制作工艺相同，微通道图形宽度为 150 um，图形高度为100um。
精密定位微结构热压模具制备工艺与微导流槽制作工艺相同，微定位舌图 形深度为30iim。
步骤3.热压聚合物基片
将微通道模具安装在RYJ-II型热压机的上热压头上，聚合物基片放在下热 压头进行微通道的热压成形，热压温度115.5。C，压力2.5MPa，保持时间4min，得到微通道；
之后将上热压头的模具换成导流导能微结构模具，热压前述具有微通道的
聚合物，热压温度112。C，压力2.0MPa，保持时间4min，得到微导能梁和微导 流槽，其中心间距距离在微导流槽距离微导能梁0. 01〜lmm范围内；
最后将上热压头模具换成精密定位微结构热压模具，热压另一片聚合物基 片，得到微定位舌。
步骤4.超声波键合芯片
将热压后带有微结构的两片聚合物对准后放置于BRANSON2000d塑料超声波 焊接机上进行微通道的超声波封接，超声波作用时间为0.35s，焊头速度为 48咖/s，焊接压力为300N，触发压力为44N，保压时间为0.5s，得到聚合物微 流控芯片。