高通量微流体快速低成本原型制作封装方法

摘要

在本文中，我们介绍了微流体快速原型制作平台的不同技术。所提出的技术基于紫外线 （UV） 敏感和温度固化环氧树脂、基于聚二甲基硅氧烷 （PDMS） 的管材、引线键合和各向异性粘合膜。所介绍的组装程序是为一次性使用设备和可重复使用的微流体系统开发的。

摘要

在这项工作中，介绍了 3 种不同的封装和组装技术。它们可以分为两类：一次性使用和可重复使用的包装技术。

一次性包装技术采用基于 UV 和温度固化的环氧树脂将微管连接到接入孔，用于集成电路连接的引线键合，以及用于电气连接的银环氧树脂。该方法基于一种强大的组装技术，可以支持接近 1 psi 的相对较高的压力，并且不需要任何支持来加强微流体结构。

可重复使用的包装技术包括基于 PDMS 的微管互连器和用于电气连接的各向异性胶膜。这些设备更加敏感和脆弱。因此，在微流体结构中添加了 Plexiglas 支撑，以改善使用各向异性粘合膜时的电接触，并加强微流体结构。此外，还需要一个显微作器来维护管子，同时使用薄的 PDMS 层将它们连接到检修孔。测试了不同的 PDMS 层厚度，范围为 0.45-3 mm，以比较最佳粘附性与注射速率。对于 0.45-3 mm PDMS 层，应用的注射速率分别为 50-300 μl/hr。这些技术主要适用于低压应用。然而，它们可以通过等离子-氧工艺扩展到高压装置，以将 PDMS 永久密封到玻璃基板上。除了可重复使用之外，这种技术的主要优点还包括在微通道长度非常短（在 3 mm 或更小的范围内）时保持设备的可观察性。

引言

微纳加工的最新进展导致了更复杂的微流体器件，包括大量的电极和不同类型的控制算法。然而，这些进步凸显了包装方面的新挑战。此外，芯片实验室 （LoC） 是一个多学科概念，其中微流体设备、微机电系统 （MEMS）、微电子芯片等部分连接在一起。因此，如果不考虑 LoC 组件的不同限制，例如微电子电路、电路灵敏度和保护、管道和机械方面，就不可能开发封装工艺。此外，封装给定 LoC 的组件与应用程序密切相关^1,2。例如，在光学应用中，设备的透明度至关重要，尤其是对于测试目的。因此，通过保持设备可观察来监控系统行为非常重要。在与细胞或颗粒作相关的应用中，使用低压技术更具吸引力，因为新的微纳加工技术的出现有助于减小电极尺寸（从几微米到亚微米级^3-5），但将电极数量显着增加到 100 个或更多。

另一方面，专用于化学和生物分析的 LoC 需要长期观察。因此，除了保持系统的可观察性外，系统封装和测试台还必须避免生物污染以及 LoC 电子设备中的任何故障。

在最近发表的论文中，微流体和 MEMS 是 LoC 的主要部分，但其他模块也可用于系统监控。因此，测试和验证微流体架构成为新的微加工方法以及高复杂性和吞吐量架构的一个具有挑战性的问题。到目前为止，微流体系统还没有标准的测试平台或支持，就像微电子芯片一样。

研究人员针对特定用途提出了不同的封装技术，例如 Xie 等人。⁶ 设计了一种生物微流控包装，其中包括一个微电子芯片，用于控制微流控通道中的 DNA 分离。Beebe 等人。⁷ 设计了一个带有集成储液罐和刺激响应水凝胶阀的微流体通道来纵流体样品。其他系统建议使用基于电解气泡的流量传感器，通过电场检测压力，以产生气泡并测量相应的压力⁸. 传感系统测量气泡的阻抗，然后确定压力，这需要特殊的包装设计，以避免在测量中引入任何干扰。在另一项工作中，介绍了一种基于顺序等离子体活化过程的室温微流体包装方法⁹。尽管此过程可能会导致牢固组装的设备，但当它用于原型设计目的或设备多次使用时，它存在局限性。后者可能意味着经常更换系统的某些部分。此外，Lee 等人引入了一种新的封装技术，称为 Biolab-on-IC，该技术基于使用磁场进行单个磁珠作，其中微流体架构设计在集成电路¹⁰ 的顶部。此外，考虑到系统尺寸、光学方面和连接部件，微流体系统的封装和集成的可靠性是 Han 和 Frazier¹¹ 详述的关键问题。后一项工作反映了 LoC 系统的典型方法，其中几个参数必须在封装过程中精确固定和测量。

因此，微流控封装是新一代微流控器件的一个具有挑战性的问题。包装包括异质部件，例如管道、电气连接和微流体支架。对于管路，主要问题是连接管路以进入微流体孔的可用空间非常有限。目前市售连接器的直径在 6 mm 范围内;然而，随着整体系统尺寸的减小，两个检修孔之间的距离越来越小^12-13.因此，我们提出了一种基于 PDMS 的管材技术。这种管材工艺是专门为原型设计阶段精心设计的。事实上，由于化学限制，每次使用后都必须更换连接管，以避免和尽量减少微结构内部的液体泄漏，并清洁微通道。为此，本文中描述的过程特别适用于快速原型设计。

另一方面，电气连接对于使用直接或间接电气作或测量的微流体设备至关重要。由于微流体应用范围广泛，器件尺寸、形状和电触点数量可能会有很大差异。因此，需要一种可用于不同应用的通用方法。Kaler 等人报告了他们的微流体快速原型制作平台的结果，该平台基于零插入力 （ZIF） 连接器¹⁴。所提出的方法使用各向异性粘合剂导电膜来代替这些后来的连接器，它可以很容易地适应任何形状。

许多研究人员在设计他们的微流体设备时没有考虑测试限制。在微电子学中，有许多用于原型制作和测试的支架，称为 IC 支架。这些主要是为了减少原型设计和测试时间，并为研究人员和工程师提供了一种在发生故障时更换设备的简便方法。与微电子学类似，我们还为微流体器件提出了一种新的测试包，其器件尺寸限制为 45 mm x 90 mm。

我们提出的技术旨在涵盖大量的微流体设备和应用。这些方法可以适应、扩展和升级到其他应用程序。我们的目标是为微流体设备提供首批针对微流体作优化的多功能封装方法之一。例如，使用这些技术封装的器械的一个最终应用是用人工脑脊液分离聚苯乙烯和羧基改性的微球。尽管如此，它们也可以用于具有不同解决方案的其他应用程序。

在本文的其余部分，介绍并比较了三种不同的管材技术、2 种电气连接方法和一种微流体封装方法。

方案

1. 用于低压微流体应用的基于 PDMS 的可拆卸互连器^15-16

1. 准备工作
   本节介绍准备玻璃和 PDMS 以生产互连器的不同步骤。
   1. 准备 PDMS：以 （10：1） 的比例混合 PDMS 和固化剂。
   2. 确保烘箱温度稳定在 80 °C 的恒定温度下。根据烘箱的不同，使用测量设备感应烘箱的温度，然后手动监测。
   3. 用乙醇彻底清洁培养皿。
   4. 清洁将放置 PDMS 互连器的微流体接入孔的表面。
2. 钣金
   本文中描述的互连器本质上是一个顺应垫圈。该垫圈由 PDMS 制成，包含可插入微管的孔。它自粘附在微流控芯片的表面，在微管和芯片中微通道的检修孔之间形成防漏密封><。 使用以下步骤来构建互连器。
   1. 将薄层（约 2 毫米）的 PDMS（液体）倒入培养皿中。
   2. 让 PDMS 在 80 °C 的温度下在烘箱中略微聚合 12-15 分钟。将要连接的微流控芯片同时放入烘箱中，使其处于相同的温度。
   3. 当 PDMS 开始聚合时，将其从固化炉中取出。
   4. 使用活检打孔器在微流体芯片表面形成所需直径的孔。
   5. 使用刀片切割所需的 PDMS.
      注意： 建议最初切割出比最终需要的更大的材料。为避免使用多个连接器，最好将任何给定的 PDMS 互连器切割成方形，并打孔，以符合用户芯片上的最大可能孔数。
   6. 保持孔略小于微管的外径。
   7. 从培养皿中快速取出 PDMS 并将其放在微流控芯片上。
   8. 确保 PDMS 或芯片上没有灰尘，并确保微流控芯片上的检修孔与 PDMS 的检修孔对齐。
   9. 使用微定位器，通过 PDMS 互连器插入管（例如 Teflon 管）。管子应为微流体通孔直径的 110%，以防止液体泄漏。根据用户的应用，可以将相同的管子连接到液体注射系统。
      注意： 始终使用微定位器放置管子，PDMS 层不是很厚，如果管子扭曲，可能会脱落。
   10. 如有必要，在管子和 PDMS 之间添加环氧树脂以获得更好的粘附性。
       图中以及 Ghallab 和 Badawy² 中显示了已完成互连器的示例。

2. 微流体应用中的微管与环氧树脂¹⁷ 的互连

制造互连器时，请确保正确切割微管的边缘。使用新的锋利刀片将微管的边缘切成直线，并确保微管与检修孔之间的接触均匀。

1. 使用微定位器，小心地将微管放入微流控芯片的检修孔中。
2. 在环氧树脂分配器上施加小压力，将环氧树脂沉积在检修孔上或手动放置。
3. 使用以下步骤让环氧树脂固化：
   1. UV 固化环氧树脂：将 UV 环氧树脂暴露在 UV 源下 3-10 分钟，具体取决于所用环氧树脂的数量。有关更多详细信息，请参阅环氧树脂规格。
   2. 标准环氧树脂：如果微流体基材仅在室温下使用，请在室温下保持环氧树脂固化 24 小时。如果基材需要承受高温，请使用烘箱或加热器将环氧树脂暴露在 100 °C 下，以快速固化环氧树脂，具体取决于应用。有关更多详细信息，请参阅环氧树脂规格。

3. 具有电接口的可重复使用微流控芯片的组装技术¹⁷

1. 组装组件
   图 2 显示了 PCB 上的电连接器和微流控芯片上的电焊盘之间的链接。要组装 PCB/微流控芯片/Plexiglas组件，请执行以下步骤：
   谨慎： 避免过大的压缩压力，否则会破坏微流控芯片。
   1. 将表面贴装多引脚电连接器焊接到 PCB 上。
   2. 如果微流体芯片的电垫上有表面污染，请用等离子氧气清洁;否则用乙醇清洁垫。
   3. 使用锋利的刀片将导电胶带切成与微流控芯片的电垫尺寸相同的小块，如图 1 和图 2 所示。
   4. 使用镊子将导电胶带放在 PCB 电气焊盘上。
   5. 对齐然后将微流控芯片放在 PCB 上。
      注意： 为了提高放置精度，请使用对准机。
   在
   6. 安装金属支架之前，在 PCB 上放置绝缘层（如纸）以避免短路，具体取决于 PCB 走线的位置。
   7. 使用机械螺钉和螺母连接金属支架。
2. 拆卸
   1. 拆下机械螺钉、螺母和金属支架。
   2. 轻轻地将微流体芯片和 PCB 分开。
   3. 在重新组装之前，使用乙醇去除 PCB 和微流体芯片上电气焊盘上的导电胶带粘合剂。

结果

图 3 说明了所提出的封装技术的详细示意图。该封装解决方案使用多种 PDMS 厚度和尺寸进行了测试，以表征混合微电子/微流体微系统的透明和高效封装工艺，如图 4 和图 5 所示。设计的 PDMS 互连层的尺寸为 6 mm x 6 mm，用于连接两个接入孔。但是，对于主要的市售连接器，如果检修孔之间的空间为 5 mm 或更小，则无法在这些尺寸内连接多个孔。因此，在这种情况下，环氧树脂和 PDMS 是管材的最佳选择。测试了 PDMS 互连器的不同厚度，例如 0.45 mm、1 mm 和 1.75 mm。使用 PDMS 薄层 （0.45 mm） 可实现最佳粘附性。最后，基于 PDMS 的互连器的制造大约需要 20 分钟。

液体流速通过微量注射泵进行监测。0.45 mm 和 1 mm PDMS 层均在玻璃基板上以 50 μm 通道深度进行测试。当 0.45 mm 和 1 mm PDMS 层的注射速度分别为 30 ml/hr 和 150 ml/hr 时，PDMS 对玻璃的粘附被打破。

讨论

PDMS互连器适用于低压应用，当PDMS互连器随后放置在接入孔上时，必须防止液体泄漏到芯片接入孔中。因此，PDMS的推荐厚度小于2毫米。较大的厚度会导致 PDMS 与微流控芯片表面的附着力较弱，因此不建议这样做。使用 4 毫米的厚度进行了一次不成功的试验。这项工作的重点是PDMS互连器在注射泵控制液体注入时与玻璃的粘附。溶液泄漏是指失去粘附力，限制了液体的最大流量。因此，溶液泄漏是指可与设计的 PDMS 互连器一起使用的最大液体流量。

如果在微流控芯片或系统原型设计阶段需要可拆卸的互连器，则该方法中描述的互连器可能并不理想。这种互连器通常只能一次性使用，一旦从微流体芯片上取下，就很难以相同的初始附着力放回原位，必须更换新的。然而，一般来说，这种互连技术用途广泛，也可以适用于任何微流控芯片，从而保持可重复使用。为了放置永久互连器，PDMS 也可以通过等离子氧工艺进行粘合。尽管这在设备最终确定时很有用，但当系统用于原型设计目的以及预期更改和改进时，它就没有用了，这通常是原型的情况。

当液体注入 MEMS、微流控或 LoC 设备时，...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
环氧树脂 731	Epotek	731
PDMS	道康宁	SYLGARD 184
UV 环氧树脂	Epotek	OG159
微泵	哈佛仪器	PHD Ultra
PCB	先进电路
有机玻璃	Ecole Polytechnique
胶粘剂 导电胶片	3M	9703