一文读懂微流控芯片PDMS与铌酸锂键合

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聚二甲基硅氧烷（PDMS）是一种常见聚合物材料，具有良好机械、物理和化学的特性，如表面能低，成膜后易脱落且不损伤模具；能用于多种光学检测系统制备且透光性能强；可重复使用，绝缘性与化学性稳定；能用于多种细胞培养，生物相容性较好；价格便宜，且加工成型方便等，目前，已成为制备微流控芯片的主要材料。



聚二甲基硅氧烷（PDMS）分子结构式

铌酸锂（LiNbO₃）又称“光学硅”，集压电、铁电、热释电、非线性、电光、光弹、光折变等性能于一体的多功能材料。铌酸锂晶体的物理和化学性能稳定，具有成本低、硬度大、抗腐蚀、耐高温、易于加工、机械性能稳定等特点，已在声表面波(SAW)滤波器、光波导基片、光通讯调制器、光隔离器等方面获得了广泛的实际应用,并在光子海量存储器、光学集成等方面具有广阔的应用前景。



铌酸锂（LiNbO₃）分子结构式

一、PDMS与铌酸锂键合的操作方法

PDMS属于高分子聚合物，推荐使用善准的真空等离子处理仪VP-R系列和VP-RS系列，等离子激发频率为13.56MHz，对材料表面处理既有清洁、刻蚀的物理作用，也有活化、改性的化学作用。



善准真空等离子处理仪VP-R10实物图（容积10L石英真空腔）

第一步：打开真空等离子处理仪腔门，将含有通道和干净的PDMS和铌酸锂放入真空腔体内，把需要键合的面朝上。
第二步：设置处理参数， VP-R系列建议功率放在高档（标准版是160W,高功率版是200W）,VP-RS系列功率建议调到200W，通入高纯度的氧气和氮气，气体流量为160ml/min，触摸屏上设置清洗时间60秒，点击“启动”,仪器即可自动运行：启动后会先抽真空，大约50秒之后发出等离子体，清洗时间开始计时，60秒清洗时间到了之后会自动关闭真空泵，自动关闭等离子体，自动泄压，待泄压完成即可打开腔门，取出样品。
第三步：将PDMS和铌酸锂表面对齐后轻轻摁压，保持十分钟左右，即可实现不可逆键合。



Applied Surface Science-SCI:Q1（该研究使用善准SUNJUNE生产的真空等离子处理仪VP-R3处理微流控芯片PDMS键合）



Chemical Engineering Journal-SCI:Q1（该研究使用善准SUNJUNE生产的真空等离子处理仪VP-RS8活化PDMS表面）

二、PDMS氧等离子体键合机理分析

在通入高纯度的氧气情况下，善准的真空等离子处理仪激发产生氧等离子体，氧等离子体会在PDMS与铌酸锂的表面引入极性的羟基（-OH）基团。PDMS表面的化学键被打断，引入的-OH基团与硅（Si）原子连接形成硅醇（Si-OH），而少数的-OH 基团与C原子相连，形成了碳氧（C-O）键。铌酸锂表面的化学键断裂，铌（Nb）原子与-OH基团连接，形成Nb-OH键。氧等离子体处理后，PDMS 与铌酸锂相互接触，界面处的-OH基团之间发生脱水反应，形成Si-O-Nb共价键连接表面，实现永久不可逆键合（如图）。



PDMS与铌酸锂键合机理示意图

三、PDMS键合效果的测试方法

PDMS键合完成后，可以通过拉力测试键合的强度，经过氧和氮等离子体处理的PDMS和铌酸锂键合的拉力测试可达到1.3MPa，也可以搭建微流控芯片流量测试平台，设置不同流量梯度，如在流量为10μL/min、20μL/min、40μL/min 与 80μL/min 的条件下均可保持稳定通过，当流量增大到 100μL/min 时发生了泄漏，经过氧和氮等离子体处理的PDMS和铌酸锂键合微流控器件最高可承受100μL/min 的入口流量。



声表面波微流控芯片器件泄漏测试

四、广州善准用户PDMS应用方向

微流控芯片是广州善准科技有限公司真空等离子处理仪用户应用的一个大方向，从销售端反馈的信息看，已购买善准真空等离子处理仪的用户有做PDMS表面活化改性、PDMS与PDMS键合、PDMS与硅片键合，PDMS与玻璃键合、PDMS与PMMA键合、PDMS与铌酸锂键合等。
微流控芯片键合我们推荐使用等离子激发频率是13.56MHz真空等离子处理仪，对应的是我们的VP-R系列和VP-RS系列，这两个系列均有四个型号，主要区别是腔体大小的不同，样品尺寸较小或单次处理量较少的客户可以选择小腔体，反之，选择大腔体，一般高校科研单位选择VP-R3、VP-R5、VP-RS6和VP-RS8较多，企业用户选VP-R10、VP-RS15和VP-RS20较多,这两个系列效果都很好，用户复购率和转介绍率都很高，可放心选购。



深圳某医疗企业选购善准真空等离子处理仪VP-R10实物图

参考文献

[1] 声表面波微流控芯片的等离子改性键合机理与工艺研究-VP-R3 中南大学(2022年）
[2] 氧等离子体处理的PDMS微流控芯片的润湿性和粘结机理的微观研究《Applied Surface Science》-VP-R3 中南大学（2021年）
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.151704
[3] 大面积、可拉伸、有序的、有序的银纳米线电极通过超润湿诱导离子液体转移@银纳米线复合物《Chemical Engineering Journa》-VP-RS8 烟台大学（2023年）
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.146505

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