杂化聚碳酸酯-硅微流控器件的构建方法

我们的研究聚焦于在学术实验室环境中，针对原型开发的混合型微流控器件的键合技术。我们旨在回答以下问题：对于混合型微流控通道，有哪些低成本且最优的键合策略？在混合型微流控中，将热塑性塑料与刚性基底键合具有挑战性，而传统的高温高压方法并不适用。

本方案提供了一种实用且便于科研应用的键合方法。首先，获取带有平整键合表面的聚碳酸酯外壳。将环氧树脂滴加至聚碳酸酯外壳的凹陷芯片槽内，然后将清洁后的硅芯片准确放置到位。

让组装件固化，然后用新鲜的环氧树脂密封任何缝隙。将压敏胶带激光切割成与通道壁相同的形状。粘贴胶带时，先从胶带上撕下一层离型膜。

然后使用定位销钉对齐，并将胶带贴合到通道壁表面。加入足量1%聚乙烯醇溶液，以覆盖流体通道区域。随后将涂覆好的通道置于室温下静置，使其完全干燥。

待聚乙烯醇层完全固化后，小心剥离双面胶带以去除粘合层，留下涂有聚乙烯醇的微流控通道。如有必要，检查并清除通道壁上的残留胶粘剂。利用定位销将顶部和底部聚碳酸酯-硅杂化封装半片进行对齐。

将装有二氯甲烷或丙酮的5毫升注射器的30号针头尖端置于装置的边缘或凸缘处。然后沿两侧释放溶剂，使其通过毛细作用渗入结合界面并到达聚乙烯醇屏障。接着，在组装好的装置上均匀放置约0.9至1.4公斤的适中重量，并在室温下让装置完全固化10至15分钟。

确保无大尺寸气泡存在，以减少失效点。固化后，以每分钟1至5毫升的低流速，向微流控通道中通入80摄氏度的去离子水，持续至少3小时。目视检查装置通道内是否有残留的聚乙烯醇，重复水洗流程直至通道中无可见的聚乙烯醇。

使用台式激光切割机将低密度聚乙烯片材切割成与通道壁区域形状相匹配的形状。检查激光切割后的低密度聚乙烯片材是否存在灰烬、残留物或颗粒。用异丙醇彻底冲洗片材，并使其完全干燥。

使用定位销将LDPE裁切件对齐固定在流体通道的侧壁上。将顶部的聚碳酸酯部件放置在底部组件上，形成具有LDPE层作为粘接界面的流体通道。为实现粘接，将组装好的整体结构放入设定为145摄氏度并配有温度传感器的程序控温烘箱中。

然后将一个经过校准的重物（例如金属板）放置在组件顶部，施加每平方英寸两到三磅的适中压力。两小时后，从烘箱中取出组件。确认低密度聚乙烯（LDPE）在粘合表面区域内均匀透明，然后让装置冷却至室温。

根据流体通道的路径，将垫圈绳材料切割至所需长度。将垫圈绳放入底部聚碳酸酯外壳的垫圈槽内，确保沿整个路径紧密且连续贴合。将顶部聚碳酸酯部件与底部部件对齐。

然后将螺栓穿过顶层并拧入六角螺母，根据需要添加垫圈或压缩板，以均匀分布压力。用手拧紧每个螺钉，使装置固定到位。然后使用扭矩扳手，按对角模式拧紧螺钉。

初始拧紧扭矩至0.5磅·英寸，以避免硅芯片开裂或聚碳酸酯外壳变形；仅当需要进一步密封时，才增加扭矩。准备将混合微流控装置通过蠕动泵管路连接至流体回路。将水储液罐、滚轮泵、压力传感器和混合微流控装置串联连接。

将压力传感器尽可能靠近装置入口放置，以确保压力测量的准确性。以初始流速10毫升/分钟通过回路泵送水。每隔60秒将流速增加10毫升/分钟，并记录每个流速下的压力。

如果需要额外压力，可在装置下游添加针式限流器以增加回路阻力。将额定压力定义为首次出现可见泄漏时的压力。最后，使用相同的回路在装置下游紧接处插入第二个压力传感器。

以每分钟 10 毫升的选定流速通水，并通过计算设备前和设备后压力测量值之间的差值来确定设备两端的压降。三种键合方法表现出不同的性能结果。溶剂键合设备承受的额定压力最高，在泄漏前达到 692 毫米汞柱，但部分设备显示出滞留气泡或轻微的光学雾度。

LDPE 键合装置在 10 毫升/分钟时表现出高达 196 毫米汞柱的压力降，因此效率较低。在所测试的技术中，垫圈密封方法展现出最高的可重复性以及最清晰的可视化界面。基于垫圈的结构在泄漏前可承受高达 239 毫米汞柱的压力，并表现出仅 3 毫米汞柱的低压降。

本方案使研究人员能够在实验室环境中研究适用于杂化微流控器件的多种低成本键合方式。执行本方案时最重要的考虑因素是确保在设计、加工以及各层对准过程中具有高精度，以实现无泄漏的界面和足够的键合表面积。未来的研究可比较不同键合方法的顶面表面积，并评估本方案在整合了脆性或多种基底材料的杂化微流控系统中的适用性。