PDMS与多种材料的键合

1.    微流控芯片

微流控芯片（Microfluidics Chip）作为微流控技术的载体，又被称为芯片实验室（Lab on Chip）或微全分析系统(μTAS），可以将样本的输入、反应与分析检测等单元集成在一块仅几平方厘米大小的芯片上，可满足多样化的分析检测需求。

2.    声表面波微流控器件

声表面波（SAW）微流控技术的基本原理是，以压电材料铌酸锂（LiNbO3）作为基底，在其表面沉积一对叉指电极，在电极上施加射频信号，产生沿压电基底表面传播的声波。

利用表面声波产生的声辐射力，可用来控制微液体或微颗粒，用以分离、提取或富集特定的样本进行高效检测。

3.    微流控芯片材料与键合方法

键合的定义为，通过一些特定工艺，将两种相同或不同的材料相互接触，在接触界面处，通过范德华力，化学键甚至原子力实现材料在分子层面的相互连接，从而使两种材料成为一体的技术。

早期微流控芯片的材料主要为硅与玻璃，原因在于材料化学性质稳定，玻璃的光学性质优良，并且对硅基材料的加工工艺已在半导体领域获得了较为成熟的发展。

针对该材料微流控芯片的键合方法主要有热键合、阳极键合与表面改性键合。

热键合的基本原理是对器件进行高温高压处理，一般适用于同质材料键合。在高温环境下，材料内部的分子运动变得活跃，在键合界面处发生分子或原子扩散现象，因而在冷却至室温时，两材料即可成为一体。

其他键合技术，例如超声键合，激光键合等也是通过各自独特的方式在键合界面施加高温，使局部材料转变为熔融态或玻璃态实现键合，其核心原理与热键合相似。

阳极键合是目前硅与玻璃材料最常用的键合技术，将硅片与玻璃保持紧密贴合，其中玻璃与电源负极相连，硅与正极相连，施加500~1000V的电压。在电场作用下，玻璃内部的Na+向阴极移动，O2-向键合界面移动，与Si原子结合，形成Si-O-Si键实现键合。

表面改性键合则是通过各种表面改性方法，促进键合界面处的扩散效应或形成化学键，但仅依靠表面改性无法形成键合，还需施以高温高压的条件，例如加压退火等工艺。

4.    等离子表面改性理论

等离子的产生是由特定气体在射频电极的电场作用下发生电离，转化成为一种包含了正负离子、自由电子、中性粒子以及各种活性化学基团的复杂物质。使用等离子进行表面改性，材料的表面会同时发生物理与化学作用。

1)    等离子对材料表面的物理作用

在等离子表面改性的过程中，高能活性粒子轰击并冲刷材料表面，使吸附在表面的杂质与污染物发生分解，表面杂质得以去除，可以起到清洁表面的作用。

2)    等离子对材料表面的化学作用

在等离子轰击作用下，表面分子内的化学键会发生断裂，等离子中的自由基与活性基团会接入到材料表面，对材料表面进行活化，极性基团的生成会使材料表面变得极其亲水。

因此，等离子表面改性是物理作用与化学作用相互辅助、相互促进的过程，其中化学作用为主要影响。

根据对材料表面的不同作用效果，等离子改性主要有3种应用场景，分别为等离子清洗，等离子活化与等离子刻蚀。

5.    等离子改性键合

等离子改性键合的基本原理就是在等离子活化的材料表面相互接触时，材表面引入的活性基团之间会发生脱水反应，相互之间形成化学键，从而实现两材料之间的键合。

用于激发等离子的气体主要分为两类，非反应性气体与反应性气体。

其中非反应性气体主要为Ar、He等惰性气体。该类气体一般不会与材料表面物质发生化学反应，因此使用该类气体等离子处理的主要目的为清洁材料表面的杂质，为后续工艺提供良好的表面条件，一般作为整套工艺流程中的前处理工序。

而反应性气体主要有高纯氧气、氮气以及四氟化碳等气体。使用该气体产生的等离子改性材料表面，除发生物理作用外，更多的是与材料表面成分发生化学反应，引入化学基团。

若引入的化学基团与材料表面成分发生反应，使表面材料被反应去除，则为等离子刻蚀工艺。若引入的化学基团与表面结构反应，生成一层活性基团接枝在表面，则为等离子改性活化工艺。

对于PDMS材料而言，等离子表面改性的气体主要为氧气与氮气，其中应用最多的气体为氧气。

6.    PDMS与铌酸锂等离子表面改性键合

1)    等离子改性键合化学机理

等离子改性会使材料表面性质发生改变，该过程会极大地改善润湿性，使材料表面变得极其亲水，促进水分子在表面的吸附及浸润。

得益于等离子激发引入的活性化学基团，PDMS与铌酸锂表面被活化，但并不会因为粒子冲刷或基团反应而被刻蚀。

当改性完毕后，两材料相互接触，键合界面处的活性基团相互会发生反应，形成共价键，实现分子层面的连接。

2)    PDMS与铌酸锂等离子表面改性键合步骤

等离子表面改性：首先，对PDMS与铌酸锂的表面进行等离子处理，以引入活性化学基团。等离子改性可以在室温下进行，避免了加热处理可能带来的热应力和形变问题。

改性气体选择：根据不同需求，可以选择不同的气体进行等离子改性，例如空气、氧气、氮气等。其中，高纯气体（如氧气和氮气）激发的等离子改性能显著提高键合强度。

改性参数设置：改性参数包括射频功率、气体流量和改性时间。

键合过程：改性完成后，将PDMS与铌酸锂表面保持接触，可以在5分钟内形成键合。

二次等离子改性：如果需要进一步提高键合强度，可以采用二次等离子改性。例如，先使用氧等离子改性，然后使用氮等离子改性，形成氧氮二次等离子改性。