平面光波导生物传感器微流通道的不可逆封合

李明宇，薛 懿，罗 根，张 超

(浙江大学现代光学仪器国家重点实验室，浙江杭州310027)

1 引言

微流控芯片(microfluidic chips)是指通过微细加工技术，比如单晶硅片的湿法刻蚀和硅橡胶压印构建的由储液池、微反应室、微通道等微功能元件构成的微流系统芯片，在这种芯片上集成微反应室阵列可同时进行有多个连续步骤的复杂反应和多个单步反应，从而实现对样本的快速分析［1］，因而，该类芯片已被广泛用于生物、化学领域的微量检测［2-5］。微流通道的大小一般为几微米，因此很大程度地简化了体积小于一微升的样品的处理。恰当的通道设计和各种集成化工具，如电极或特殊表面图形，多层通道或阵列［6-7］，可使微流控芯片获得更强大的功能［8］。

常用的微流控芯片是在绝缘材料上的硅(SOI)基底上以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为通道构成的。SOI材料常用于制作平面光波导器件，在近红外光通信波长范围内具有广泛的应用。随着微电子学和微机电系统(MEMS)的发展，SOI等硅材料的制作和加工工艺日趋完善，使得SOI材料在制作无源平面光波导器件时具有与微电子工艺兼容，加工手段灵活、成熟，材料便宜，适合低成本批量生产的优点［9］。早期的微流系统制作多采用光刻和湿法刻蚀［10］，通道的主要材料是玻璃［11］，但是玻璃的无定型性使垂直面很难腐蚀，所以聚合物作为通道材料逐渐兴起［12］。聚合物作为新材料主要具有成本低，通道无需腐蚀压印制成，粘合过程简单等优点。由哈佛大学Whitesides小组提出的PDMS就是一种性能很好的新型材料［13-14］，具有透光性好、折射率低、绝缘好，采用模具浇铸法可进行大批量生产等优点，目前已被广泛应用［15-16］。

PDMS的封合主要有两种方式:可逆封合和不可逆封合。固化后的PDMS表面具有一定的粘附力，可逆封合指的是利用PDMS的粘附力可以使它与平面甚至有一些瑕疵的表面实现无缝隙的接触，利用分子间的范德华力，使PDMS与其他表面封合。这种封合比较方便快捷，而且可以实现简单的通液实验，但是可逆封合的SOI波导与PDMS通道内一旦压力稍大即存在漏液现象，这是因为SOI表面的Si原子是以正四面体排布的。PDMS中主要是—OSi(CH3)2O—基团，并且在固化后表面可电离基团减少，亲水性差，电渗流小，所以只依靠范德华力，SOI波导与PDMS很难粘合牢固［17］。本文实验研究的是不可逆封合，该方法可以解决漏液问题。通过查阅文献了解PDMS与Si不可逆封合［18］工艺，可以知道PDMS与其他物质相结合时首先形成—O4Si(OH)4－n—基团，然后与其他物质表面的Si—OH基团脱水形成Si—O—Si键，这样两种物质可以牢固地粘合在一起，例如PDMS与玻璃就是通过这种反应粘合的。

本文讨论了等离子体处理表面、氧化法、紫外灯照射法和紫外胶法4种可以活化Si和PDMS的方法，使用这些方法处理过的SOI与PDMS表面可以发生反应，并以化学键的方式实现不可逆封合。早在1998年，表面等离子体处理就已经问世［14］，但是，所用的低温等离子发生器限制其大范围推广。之后，有人提出用浓硫酸处理Si表面再用等离子体处理的方法［19］，该方法对 Si与PDMS处理的时间、氧气流量、功率都不相同，但是封合结果仍然存在不足。对此，本文通过实验证实了Si与PDMS在同样的条件下同时处理，并且作用时间比原来实验采用的明显缩短，得到很好的封合效果。用热氧化法将Si表面氧化成SiO2后再与 PDMS粘合，得到的效果也不理想［17］，而采用等离子体增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)氧化SOI表面，再与氧等离子体处理过的PDMS粘合就可以得到较好的封合效果。用紫外光照射的方法虽然效率低［20］，但是，将其与等离子法相结合，可形成一种新的方法，本文讨论了这种方法的封合效果。另外，对紫外胶封合法的效果也进行了分析。

2 微流通道的制作材料、方法及处理

2.1 微流通道的制作材料和仪器

实验中使用的PDMS的前聚剂是SYLGARD公司生产的184 SILICONE ELASTOMER BASE，固化剂是SYLGARD公司生产的184 SILICONE ELASTOMER CURING AGENT 24141673921。实验中使用的PECVD方法生长SiO2的仪器型号是STS MULTIPLEX SYSTEM，产生氧等离子体的仪器型号是OYFORD INSTRUMENT，紫外灯的型号是雪莱特ZW3D15W-Z105(功率25 W)，紫外胶是深圳市特固新材料有限公司生产的卡夫特无影胶50 ml。

2.2 微流通道的制作方法

首先，在硅片上制作一层 SiO2掩模，并在SiO2上旋涂光刻胶(步骤一)。之后通过光刻、显影，将待刻图形转移到光刻胶上(步骤二)。以光刻胶为掩模腐蚀SiO2，使SiO2层也形成待刻图形(步骤三)。以SiO2为掩模腐蚀硅，将图形转移到硅片上(步骤四)。在此基础之上，将PDMS浇铸到硅片制成的阳模上，加热固化。固化过程结束后，从硅阳模上剥离PDMS层(步骤五)。这时对PDMS和SOI波导表面处理后粘合，制成微流通道。制作工艺流程图如图1所示。

图1 微流通道制作流程图Fig.1 Flow-process diagram of microfluidic channel fabrication

2.3 未处理的PDMS与SOI直接粘合

将PDMS用丙酮、异丙醇各超声清洗3 min，将SOI波导用丙酮、甲醇、异丙醇分别超声清洗3 min，之后将二者迅速粘合，用载玻片压紧5 min。

2.4 用等离子体处理PDMS和SOI表面

将硅片置于等离子体刻蚀机中，通过氧等离子体对硅片表面进行活化处理。工艺参数:射频功率为800 W，处理时间为1 min，氧气流量为50 cm3/min。将PDMS基片置于等离子体刻蚀机中进行处理，工艺参数相同，两者可以同时处理。之后在1 min内迅速将两者压紧5 min，即可完成PDMS与SOI的不可逆封合。

2.5 氧化 SOI波导表面同时等离子体处理PDMS

这种方法需要将SOI表面氧化出一层SiO2。通过PECVD的方法处理3 min将SOI表面氧化一层厚度为200 nm的SiO2。PDMS仍然用氧等离子体处理，方法同上所述。两个表面都处理完成后压置5 min。

2.6 用等离子体处理SOI表面并用紫外灯照射PDMS表面

将PDMS置于25 W的紫外灯下(波长256 nm)照射90 min，与经氧等离子体表面处理的SOI在1 min内粘合，压置5 min。

2.7 紫外胶封合法

将紫外胶分别涂抹SOI和PDMS表面并且将其粘合在一起，放置在25 W的紫外灯下照射20 min。

3 不同表面处理方法效果比较

3.1 未处理的PDMS与SOI直接封合效果

未处理的PDMS和SOI没有封合牢固，仍然是两层材料，没有区域贴合在一起，很容易被揭开，揭下的PDMS还可以反复使用。这里作为对照组用来衡量用以下几种方法处理后的PDMS和SOI的粘合效果。

图2 未处理过的PDMS和SOI的粘合效果Fig.2 Adherent effect without surface reaction

3.2 用等离子体处理PDMS和SOI表面的效果

图3(a)展示的是SOI与PDMS被置于载玻片上，在氧等离子气氛中起辉时的等离子腔内状态。由于工艺参数相同，所以，PDMS和SOI可以同时处理，提高实验效率。图3(b)展示的是经等离子体处理的PDMS与SOI波导粘合结果，从图中可以看到中间区域全部封合牢固。通过上述实验发现，用等离子体处理PDMS和SOI的方法不仅快速，而且封合效果好。在处理过程中，PDMS的表面被引入亲水性质的—OH基团，并代替了—CH3基团，从而使PDMS表面表现出极强的亲水性质。

图3 等离子体处理PDMS和SOI表面Fig.3 PDMS and SOI surfaces by plasma reaction

3.3 氧化 SOI波导表面同时等离子体处理PDMS

图4(a)是氧化SOI的过程，图4(b)展示了等离子体处理表面的PDMS与表面氧化的SOI波导粘合效果，可以看到有部分区域粘合。

图4 氧化SOI波导表面同时等离子体处理PDMSFig.4 Oxidizing SOI surface and plasma reacting PDMS

通过与3.2节方法比较，表面SiO2与PDMS的封合能力不如用等离子体处理的效果好。因为通过 PECVD得到的 SiO2表面很致密，虽然有Si—O键，但是不易与空气中的水蒸气反应产生Si—OH键。而由于在 SiO2分子结构中还存在Si—O—Si的键链，所以，仍然可以起到封合的效果。SiO2的活性会由于放置时间长而降低，对封合效果有不利的影响。两个表面应该在处理结束后迅速封合。

3.4 用等离子体处理SOI表面并用紫外灯照射PDMS表面

根据图5可知，这种方法有一定的粘合效果(边沿区域)，但是其他区域比较容易揭开，虽然看到SOI的表面有发生反应的痕迹，但是，并未粘合牢固。以前的实验显示［21］用6 W紫外灯照射PDMS和SOI表面3 h，才有较明显的实验效果，但PDMS仍然可以剥离，只是表面有反应过的痕迹。

图5 等离子体处理SOI表面并用紫外灯照射PDMS表面Fig.5 SOI surface reacted with plasma and PDMS illuminated by ultraviolet light

因为紫外光处理使PDMS表面硅羟基的增多，使PDMS芯片的亲水性得以改善，电渗流增大;而在两部分封合的过程中，这些新生成在表面的活性硅羟基可能由于紧密接触而发生了缩合反应。这种方法简单易行，但是耗时长，效率低，还有待改进。

等离子体氧化过程是直接用氧等离子体轰击PDMS的表面，能量高、活性大，可以使原来的—CH3链断掉而引入新的—OH链。用紫外灯照射的方法原理不同，它是利用紫外波长光子的高能量催化使PDMS表面的分子层与空气中的水分子反应，形成硅羟基。这一过程中分子活性较小，所以反应时间长，效率低。如果照射时间不够，就会出现封合不牢固的现象，表明封合效果与紫外灯照射时间及功率有关。所以，单纯使用紫外灯照射法得到的效果不理想，而如果SOI波导使用等离子体处理表面，使其表面活性增强，封合牢固程度提高，便可实现不可逆封合。

3.5 紫外胶封合法效果

从图6可以看到，紫外胶封合SOI和PDMS仍然是可逆封合，可以将PDMS完整地从SOI表面剥离，并且两种材料的表面均没有任何反应的痕迹。所以，紫外胶对于一些材料有很好的粘合效果，但是，对于SOI和PDMS的不可逆封合是无效的。

图6 紫外胶封合法效果Fig.6 Adherent effect by UV glue

4 定量分析封合效果

为了定量分析封合效果，将PDMS从SOI波导上剥离，比较残留在SOI上的PDMS的面积与总面积的比值，从而得出封合率η:

其中:Ar是残留PDMS面积，A是未剥离时PDMS的总面积。通过将图像转成灰度图并提取边缘，再通过MATLAB得到残留面积对应的像素值和总的像素值，便可得到封合率。对于PDMS和SOI的封合强度，只要大于PDMS的本体抗拉强度，即连接处的强度不低于PDMS本身的强度，则认为已经满足封合要求。而封合强度的具体数值对于本文的研究意义不大，所以在本实验中，当PDMS已经不可以完整剥离仍然与SOI波导粘合在一起时，说明此时施加于PDMS上的力已经大于其本身强度，但是小于PDMS与SOI粘合的强度，这时即认为实现了不可逆封合。计算此时残留部分的面积，即可比较几种方法的封合效果。

4.1 等离子体处理PDMS和SOI表面定量分析

等离子体处理PDMS和SOI表面定量分析结果示于图7。实验证明该方法得到的处理结果最优，一是因为经等离子体处理后PDMS和SOI表面活性提高;二是两者同时处理，粘合迅速，使处理后的表面避免了与空气中的其他物质发生反应出现钝化。

图7 等离子体处理PDMS和SOI表面的定量分析Fig.7 Analysis in quantity on PDMS and SOI surfaces reacted by plasma

4.2 氧化 SOI波导表面同时等离子体处理PDMS定量分析

氧化SOI表面同时等离子体处理PDMS定量分析结果示于图8。用PECVD氧化SOI波导表面可在Si表面形成一层SiO2，刚生成的SiO2活性强，易与空气中的水蒸汽发生反应，因而可与PDMS中的羟基发生缩合反应形成不可逆粘合。但要求经 PECVD处理表面后即刻粘合，否则SiO2与其他物质反应会失去活性。

图8 氧化SOI波导表面同时等离子体处理PDMS的定量分析Fig.8 Analysis in quantity on oxidizing SOI surface and plasma reacting PDMS

4.3 用等离子体处理SOI表面并且用紫外灯照射PDMS的表面定量分析

采用紫外胶封合法的PDMS和SOI没有效果，可以完全剥离。通过MATLAB计算每一幅轮廓图中白色部分占整个图的像素值，可以得到封合率η如表1所示。每一个样品均是2 cm×2 cm，从而可以算出残留面积。

图9 等离子体处理SOI表面并且用紫外灯照射PDMS的表面定量分析Fig.9 Analysis in quantity on SOI surface reacted with plasma and PDMS illuminated by ultraviolet light

表1 不同方法得到的残留面积和封合率比较Tab.1 Comparison of remained areas and adherence rates obtained by different methods

5 结论

本文采用等离子体法、氧化法、紫外灯照射法和紫外胶法对PDMS和SOI波导进行不可逆封合，对4种方法的实验和比较表明，用氧等离子体处理PDMS和SOI表面得到的不可逆封合效果最好，封合率达到0.458 7。另外，通过等离子体处理等方法处理后，PDMS和SOI的表面活性都有所增加。但是实验显示:紫外灯照射对PDMS和SOI封合的影响不明显，猜测照射时间90 min(25 W)还是太短不足以将表面活化。所以，紫外灯照射法需要的时间远大于等离子法。

另外，在实验过程中发现空气中的杂质对粘合效果有影响。本实验全部在超净室里完成，并且在粘合前对SOI和PDMS进行了清洗。此外，表面活性很重要，即处理完成后要尽快把SOI和PDMS粘合在一起。通过对紫外法、等离子体法及其衍生方法的比较，确定出用等离子体处理PDMS和SOI表面得到的不可逆封合效果最好，效率高。

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