基于等离子体技术的聚合物微纳流控芯片制作

论文摘要

为了提高聚合物微流控芯片的集成度,往往需要在芯片上集成各种金属微电极。然而,电极在芯片热键合过程中常常发生断裂。本文首先对电极的断裂行为进行了研究。电极断裂的主要原因是由于在热键合过程中,电极所在的聚合物基片产生了塑性变形和电极内部产生了热应力,这两个原因都是由于较高的热键合温度造成的。采用断口分析方法,对电极的断裂机理进行了研究。利用划片机成功制作了电极的断口试样,利用体视显微镜和扫描电镜等对断口进行了宏微观分析,发现电极的断裂机理是一种韧窝式韧性断裂。为了降低芯片的热键合温度,本文提出了一种等离子体辅助热键合方法。在芯片热键合前,对带有微沟道的聚合物基片进行氧气等离子体表面改性。利用正交试验法,对改性参数进行优化,使得芯片常用的一种聚合物材料——聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)的接触角由71.7°降至43.6°。接触角的减小表征材料表面能得到了提高,因此有助于降低芯片的热键合温度。通过进一步研究温度对改性后的PMMA接触角的影响,最终优化了热键合温度,使得芯片的热键合温度由原来的100℃降到了85℃。为了验证该键合方法的可行性,研制了一种用于交流电渗泵的集成铜叉指阵列微电极的PMMA微流控芯片。实验结果表明芯片键合完全,电极未发生断裂。近年来,人们又提出将纳米技术引入微流控芯片,建立纳流控芯片。纳米沟道的制作技术是纳流控芯片发展的基础和源头。本文提出了一种基于等离子体刻蚀的聚合物平面纳米沟道制作方法。首先,采用紫外光刻和湿法腐蚀技术在聚合物基片上制作铜掩蔽层;然后,利用等离子体清洗机对暴露在外的聚合物进行氧气等离子体刻蚀;最后,去除铜掩蔽层,便得到了聚合物平面纳米沟道。在固定了等离子体清洗机的腔室压力和射频功率后,对芯片常用的多种聚合物材料进行了刻蚀速度实验,分别建立了相应的纳米沟道刻蚀深度与时间的关系曲线。利用该纳米沟道制作方法和前面研究的等离子体辅助热键合方法,研制了一种用于实现离子富集的PMMA微纳流控芯片。在一片PMMA上制作2根间距0.65mm的“U”形微沟道,在另一片PMMA上制作9根宽5μm、深约500nm、长1mm的平面纳米沟道,然后将两片PMMA进行对准键合,使得纳米沟道架在两根“U”形微沟道之间。实验结果表明,纳米沟道端部离子富集效果明显。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 发展趋势
• 1.2.1 集成金属微电极聚合物微流控芯片的键合
• 1.2.2 聚合物纳米沟道的制作
• 1.3 研究内容
• 2 金属微电极的断裂行为研究
• 2.1 断口试样的制备
• 2.2 断裂机理分析
• 2.3 本章小结
• 3 等离子体辅助热键合
• 3.1 聚合物的等离子体表面改性研究
• 3.1.1 实验方案设计
• 3.1.2 实验工艺流程
• 3.1.3 等离子体表面改性工艺参数优化
• 3.2 热键合工艺参数优化研究
• 3.2.1 实验研究
• 3.2.2 热键合工艺参数优化
• 3.3 本章小结
• 4 集成叉指阵列电极的PMMA微流控芯片的研制
• 4.1 芯片制作方案
• 4.1.1 芯片结构
• 4.1.2 芯片制作工艺流程
• 4.2 微沟道制作
• 4.3 铜薄膜微电极制作
• 4.4 芯片热键合
• 4.5 芯片键合性能检测实验
• 4.6 本章小结
• 5 基于等离子体刻蚀的聚合物平面纳米沟道制作
• 5.1 等离子体刻蚀理论基础
• 5.2 纳米沟道图形设计
• 5.3 等离子体刻蚀纳米沟道
• 5.3.1 制作工艺流程
• 5.3.2 刻蚀速度测试
• 5.4 纳米沟道形貌观察
• 5.5 本章小结
• 6 一种PMMA微纳流控芯片的研制
• 6.1 芯片结构设计
• 6.2 芯片的制作
• 6.2.1 微米沟道的制作
• 6.2.2 纳米沟道的制作
• 6.2.3 芯片的键合
• 6.3 离子富集实验
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢