專利名稱：一種用于聚合物微流控芯片微通道超聲波鍵合的微結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于聚合物MEMS制造領(lǐng)域一聚合物MEMS的封接。涉及一種新的聚 合物微流控芯片微通道超聲波鍵合的微結(jié)構(gòu)，用于實現(xiàn)對聚合物微流控芯片微 通道的封接。
背景技術(shù)：
微流控分析芯片是通過微細(xì)加工技術(shù)將微管道、微泵、微閥、微儲液器、 微電極、微檢測元件、窗口和連接器等功能器件集成在芯片上的微全分析系統(tǒng)。 目前，聚合物微流控芯片在生化分析、藥物篩選、疾病檢測等方面獲得了廣泛 的應(yīng)用。微流控芯片的鍵合封裝技術(shù)是其制造中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是目前的瓶頸問 題之一，嚴(yán)重阻礙了微流控芯片的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
已有聚合物微流控芯片的鍵合技術(shù)存在著各種各樣的缺陷，例如熱鍵合 需要時間較長，對微通道形狀有較大影響；而激光和微波鍵合要求鍵合區(qū)材料
有吸收激光和微波的性質(zhì)而其它部分材料要對激光或微波具有可透性，因此對
材料具有很高的選擇性；膠粘接和溶劑鍵合因為弓I入外來物質(zhì)會造成化學(xué)兼容 性和生物適應(yīng)性等方面的問題。超聲波鍵合微流控芯片就具有很大的優(yōu)勢，它 鍵合時間短，無需中間介質(zhì)、強(qiáng)度較高且能適用于幾乎所有的熱塑性聚合物， 因此超聲波鍵合微流控芯片可以大大提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本，提高鍵合質(zhì)量， 具有很大的應(yīng)用和市場前景。
在己有的超聲波塑料焊接過程中，在壓力作用下，聲波的機(jī)械振動傳遞到 待焊接塑料的界面上上，使界面分子間摩擦和材料粘彈性產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致結(jié)合部位材料溫度升高，然后使材料熔融后連接到一起。導(dǎo)能結(jié)構(gòu)在焊接過程中起 到能量集中和能量導(dǎo)向作用，在焊接過程中主要是通過導(dǎo)能結(jié)構(gòu)的熔融流動后 在結(jié)合界面間形成一層熔融連接層來實現(xiàn)對塑料器件的連接。
目前，研究超聲波塑料焊接的國內(nèi)外學(xué)者大都把精力放在器件尺度較大的 超聲波塑料焊接上，通過導(dǎo)能結(jié)構(gòu)的熔融過程實現(xiàn)塑料的連接，而當(dāng)把超聲波 焊接技術(shù)用于微流控芯片的連接時，傳統(tǒng)的熔融連接方法就有著較大的局限性， 因為導(dǎo)能結(jié)構(gòu)的熔融流動會對微流控芯片的微通道產(chǎn)生不利影響。比如，如果 要靠導(dǎo)能結(jié)構(gòu)的熔融流延去實現(xiàn)對微通道的密封，則必須要求其流延端面到通 道邊緣時就必須停止流延，流過了會堵塞通道，流不到則不能實現(xiàn)對通道的良 好密封，由于熔融流動的復(fù)雜性，使得這個過程很難控制。而在對不帶導(dǎo)能結(jié) 構(gòu)的塑料器件進(jìn)行焊接時則不能產(chǎn)生很好的能量集中，不能使局部溫度升高實 現(xiàn)聯(lián)接的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種聚合物微流控芯片微通道的超聲波鍵 合的新的微結(jié)構(gòu)及其鍵合方法，用于實現(xiàn)對聚合物微流控芯片微通道的密封連 接，避免堵塞微通道。
本發(fā)明的技術(shù)方案是微流控芯片微通道超聲波鍵合新的微結(jié)構(gòu)，該微結(jié)構(gòu) 包括導(dǎo)能結(jié)構(gòu)和微通道，導(dǎo)能結(jié)構(gòu)要通過和微流控芯片的微通道直接接觸形成 連接鍵合界面，也可以和微流控芯片微通道制作在同一個器件上，然后再通過 與另一基片的配合，在與微導(dǎo)能結(jié)構(gòu)接觸的平面形成鍵合界面，而且該微結(jié)構(gòu) 的導(dǎo)能結(jié)構(gòu)和微流控芯片的微通道具有相同的形狀，導(dǎo)能結(jié)構(gòu)和微通道進(jìn)行對 準(zhǔn)安裝后導(dǎo)能結(jié)構(gòu)能夠覆蓋在微通道的周圍。本發(fā)明提出的這種微結(jié)構(gòu)在用于 聚合物微流控芯片微通道的超聲波鍵合時，既存在導(dǎo)能結(jié)構(gòu)能起到能量集中和能量導(dǎo)向作用，使鍵合界面處材料軟化、潤濕而粘接在一起，使微通道能密封 連接，又通過合理的參數(shù)控制不產(chǎn)生熔融物質(zhì)的流延而堵塞微通道。
本發(fā)明的效果和益處是能較好的解決已有的超聲波塑料焊接方式在用于聚 合物微流控芯片微通道的鍵合時，由于靠導(dǎo)能結(jié)構(gòu)熔融流延后在鍵合界面形成 一層熔融連接層來實現(xiàn)連接，易于造成堵塞微通道或流延不到通道邊緣而不能 密封通道，或者對不帶導(dǎo)能結(jié)構(gòu)的器件直接進(jìn)行大面鍵合時，由于能量不集中 等而帶來的鍵合質(zhì)量問題。


圖1是帶有導(dǎo)能結(jié)構(gòu)的聚合物基片結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是帶有微通道的聚合物芯片示意圖。
圖3是將導(dǎo)能結(jié)構(gòu)和微通道制作在一體示意圖。
圖4 (A)是分開式導(dǎo)能結(jié)構(gòu)和微流控芯片配合示意圖。
圖4 (B)是一體式導(dǎo)能結(jié)構(gòu)和微流控芯片配合示意圖。
圖5是分開式鍵合結(jié)構(gòu)截面圖。
圖6是一體式鍵合結(jié)構(gòu)截面圖。
圖7是鍵合芯片裝配后示意圖。
圖中l(wèi)導(dǎo)能結(jié)構(gòu)；2微通道；3 (微通道和導(dǎo)能結(jié)構(gòu)) 一體式結(jié)構(gòu)；4焊頭；
5焊機(jī)底座。
具體實施例方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實施例。
步驟一微結(jié)構(gòu)設(shè)計
導(dǎo)能結(jié)構(gòu)1和微流控芯片微通道2可制作在不同的基片上也可制作在同一 基片上，但它們必須有相同的形狀，滿足在空間分布上導(dǎo)能結(jié)構(gòu)1表面和微通道2直接接觸，接觸表面即是鍵合界面，制作在不同的片上時則在導(dǎo)能結(jié)構(gòu)1
和蓋片的接觸表面處形成鍵合界面，此外，導(dǎo)能結(jié)構(gòu)1和微通道2要保證對準(zhǔn) 以使導(dǎo)能結(jié)構(gòu)1分布在微通道2的周圍，保證通道的密封性，如附圖1、 2、 3所示。
步驟二微結(jié)構(gòu)的制作
由于導(dǎo)能結(jié)構(gòu)1和微流控芯片的微通道2尺寸都比較小，微通道2尺寸在 微米級或微米級以下水平，導(dǎo)能結(jié)構(gòu)1尺寸也在微米級或毫米級水平，因此要 通過熱壓，注塑和精密機(jī)械加工的方法制成，結(jié)構(gòu)截面圖如附圖5、 6所示。
步驟三定位夾持調(diào)平
將待鍵合的微流控芯片放置在超聲波鍵合機(jī)底座5和焊頭4的中間，然后 對要進(jìn)行鍵合的器件進(jìn)行定位夾緊，防止鍵合過程中的跳動，再通過焊機(jī)調(diào)平 結(jié)構(gòu)實現(xiàn)器件表面和焊頭4的平行。夾持時要保證上下片的對準(zhǔn)，如附圖4 (A)、 附圖4 (B)所示。
步驟四超聲鍵合
如附圖7所示，隨著焊頭4下降到接觸芯片至接觸壓力到達(dá)觸發(fā)壓力后發(fā) 出超聲，鍵合過程開始。本過程開始前要設(shè)置鍵合工藝參數(shù)，使鍵合壓力、保 持壓力、振幅、鍵合時間、保壓時間、觸發(fā)壓力等在合適的范圍內(nèi)，因為合適 的鍵合參數(shù)能夠控制住鍵合界面的物質(zhì)不發(fā)生熔融流延，則不會產(chǎn)生熔融物質(zhì) 流進(jìn)而堵塞微通道2，使聚合物微流控芯片實現(xiàn)成功鍵合。這里選用超聲鍵合時 間為0.8S，鍵合壓力300N，保持壓力200N，振幅24um，保壓時間5S，觸發(fā)壓 力250N。
權(quán)利要求
1. 一種聚合物微流控芯片微通道超聲波鍵合的微結(jié)構(gòu)，其特征在于，該微結(jié)構(gòu)的導(dǎo)能結(jié)構(gòu)(1)和微流控芯片的微通道(2)直接接觸形成鍵合界面，或?qū)⑽⒘骺匦酒奈⑼ǖ?2)與導(dǎo)能結(jié)構(gòu)(1)制作在同一器件上，然后再通過與另一基片的配合，在與微導(dǎo)能結(jié)構(gòu)(1)接觸的平面處形成鍵合界面；導(dǎo)能結(jié)構(gòu)(1)和微通道(2)進(jìn)行對準(zhǔn)裝配或?qū)芙Y(jié)構(gòu)(1)和微通道(2)制作在一體上時，導(dǎo)能結(jié)構(gòu)(1)分布在微通道(2)的兩側(cè)。
2. 權(quán)利要求1所述微結(jié)構(gòu)的鍵合方法，其特征在于在用這種微結(jié)構(gòu)進(jìn)行 鍵合的整個過程中，通過參數(shù)控制在如下范圍振幅15 4 0 u m，鍵合時間0. l 5s，鍵合壓力100 680N，保持壓力100 600N，觸發(fā)壓力44 650N，保壓時間 1 15s，能夠有效避免導(dǎo)能結(jié)構(gòu)(1)鍵合界面處聚合物材料的熔融流延，防止 堵塞微溝道(2)，導(dǎo)能結(jié)構(gòu)(1)鍵合界面在超聲振動和壓力作用下受熱軟化、 潤濕而粘接在一起，使微通道兩側(cè)實現(xiàn)密封連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種聚合物微流控芯片微通道超聲波鍵合的微結(jié)構(gòu)，屬于聚合物MEMS制造領(lǐng)域，用于聚合物微流控芯片微通道的封接。其特征是該微結(jié)構(gòu)由微導(dǎo)能結(jié)構(gòu)和微通道組成，鍵合過程發(fā)生的界面為與微導(dǎo)能結(jié)構(gòu)直接接觸的平面，通過微導(dǎo)能結(jié)構(gòu)在超聲波鍵合過程中受熱軟化潤濕將上下片粘接在一起，整個鍵合過程不產(chǎn)生導(dǎo)能結(jié)構(gòu)熔融物質(zhì)的流延。本發(fā)明的有效效果是解決了其它方式在鍵合微流控芯片的過程中，由于熱影響區(qū)域大，導(dǎo)致芯片微通道易發(fā)生形變或熔融液體流延易于造成微通道的堵塞，或者對不帶有導(dǎo)能結(jié)構(gòu)的芯片直接進(jìn)行大面的鍵合時，產(chǎn)生的能量不能集中無法實現(xiàn)聯(lián)接和密封等問題，提高了聚合物微流控芯片超聲波鍵合的鍵合質(zhì)量。
文檔編號B81C99/00GK101544350SQ20091001002
公開日2009年9月30日 申請日期2009年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月5日
發(fā)明者張宗波, 張彥國, 張振強(qiáng), 王曉東, 怡 羅, 鄭英松, 琳 陶 申請人:大連理工大學(xué)