原创 PDMS等离子键合方法

PDMS是一种常见的有机聚合物材料，以其原材料价格便宜、制作周期短、耐用性好、封装方法灵活及其与多种材料能形成很好的密封等特点，在电子医学等多方面有巨大的运用前景。

虽然PDMS运用广泛，但PDMS具有高疏水性、对非极性物质的强吸附性等缺点，使得PDMS在常态下无法与自身玻璃金属薄片等材料键合限制其运用。

目前，关于PDMS与硅基材料低温键合的方法多种多样。在制作硅-PDMS多层结构微阀的过程中，将PDMS直接旋涂、固化在硅上，实现硅-PDMS薄膜直接键合，这种法属于可逆键合，键合强度不高。

在制作物理芯片时，利氧等离子体分别处理PDMS和带有氧化层掩膜的硅基，将其键合在一起。此法实际上是PDMS与SiO2掩膜层的键合，但在硅表面由热氧化方法制得的SiO2膜层与PDMS的键合效果并不理想。

利用氧等离子体表面处理，使PDMS与带有钝化层的硅在室温常压下可以成功键合。在利用氧等离子体改性处理实现PDMS与其它基材料键合的技术中，一般认为，在进行氧等离子体表面改性后，应即将PDMS基材料与盖贴合，否则PDMS表面将很快恢复疏水性，从而导致键合失效。

通常在需键合的PDMS基和硅基上都会带有相应的微细结构，键合前需在规定的时间进结构图形的对准，因此，等离子表面处理设备可以使PDMS活性表面的持续时间得以延长，成为保证键合质量的关键。

等离子表面处理设备中影响PDMS键合效果主要有3个工艺参数：射频功率、空气流量、改性时间。目前大多数研究院用氧气作为反应气体、通过实验发现空气作为反应气体的键合效果也能达到实验要求。

键合加载压力对等离子方法处理后的PDMS键合效果也有不可忽视的作用。PDMS键合效果是本领域重要关注焦点之一，判断PDMS键合效果主要是测量其键合强度，可用T型剥离法对两片PDMS薄膜间的键合强度进行测定。

等离子清洗机处理不会在表面产生损伤层，是无损处理工艺，表面质量得到保证；由于是在真空中进行，不污染环境，保证清洗表面不被二次污染，有效环保！

氧等离子体处理后的PDMS，其表面引入了亲水性质的-OH基团，并代替了-CH基团，从使PDMS表面表面现出极强的亲水性质。

同样，由于硅基底通过浓硫酸处理，表面含有大量Si-O键，在氧等离子体处理的过程中，Si-O键被打断，从在表面形成量的si悬挂键，通过吸收空中-OH，形成了Si-OH键。

将处理后的PDMS与硅表面相贴合，两表面的Si-OH之间发生如下反应：2Si-OHSi-O-Si+2H2O。在硅基底与PDMS之间形成了牢固的Si-O键结合，从完成了两者不可逆键合。

普遍的观点认为在PDMS与硅或玻璃的键合艺中，基材料和盖表面活化处理后，应在1～10min之内将其贴合，否则无法完成共价键结合。

等离子清洗机腔室内的空污染

等离子腔室内的气体组分子会改变玻璃或PDMS表面上的化学连接。那些杂质(即使有常低的数量)也会污染样品表面。最常见的污染是来自真空泵或压缩机的油分。由于等离子体清洗机腔室内的油分，化学组分子发了变化，因PDMS不会键合的很牢固。

气体的选择

表面态取决于所使的气体。腔室内等离子体在多数情况下都可以满足实验需求。有些研究人员喜欢使用纯O2来控制腔室内总的气体组分子，但是需要更多的设备及加工过程更加严格。

灰尘

表面上灰尘的存在会阻碍玻璃-PDMS的等离子体键合。此外，磁盘上灰尘的位置和也会影响PDMS的硬度。第一次清洗，至少需要一个空喷射来冲洗磁盘或硅。当然，也有其它的方法来移除灰尘，可以使用3M透明胶带来移除表面的颗粒或更为有效的把芯片放置在异丙醇溶液(IPA)内并且使超声波来分离表面和PDMS孔洞内部的不需要的颗粒。为了清洗干净玻璃，可以先后连续使丙酮、异丙醇、来进清洗然后再进干燥处理。

等离子体的强度及其稳定性

一个良好质量的等离子体的指标通常是它的颜色/亮度(取决于真空度和气体)。因为可能会发生变化，需要记住的是，如果在相同的参数下，等离子体颜色发了变化，那么等离子体可能就出现了问题。

等离子体处理时间

时间是表面处理和键合成功的一个关键因素。等离子体处理时间太短不会使整个表面发生功能化，等离子体处理时间太长会强烈的改变PDMS表面的性能。等离子体被激活的时间越长，PDMS表面越粗糙且还会影响到粘接性能。

等离子体处理后的时间

等离子体处理后，表面的化学键开始重组，几分钟后，表面的功能化活性下降从导致玻璃-PDMS等离子体键合强度下降。鉴于这个原因，必须在等离子体处理后即做键合，不要在等离子体清洗之后还让样品留在等离子体腔室内，需要尽快将玻璃-PDMS进行下一步工艺。

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