紫外表面处理提高金属薄膜与PMMA结合强度研究

摘要

聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethylmethacrylate，PMMA）具有良好的透光性、机械性能和生物兼容性，而且加工简单、易成形，已被广泛用于制作微流控芯片。PMMA表面金属图形化是在微流控芯片上集成金属微纳米结构的一种主要方法。然而，金属薄膜与PMMA基底之间的结合力较差，严重限制了金属微纳米结构在微流控芯片上的应用。为此，本文提出了一种紫外表面处理的方法，用于提高金属薄膜与PMMA基底之间的结合强度。
　　建立了一种PMMA紫外表面处理的工艺，并利用光刻和腐蚀方法在PMMA基底上制作了一种金微电极。利用胶带测试、浸泡法、吹气法、超声破碎法等多种方法，测试了金薄膜与PMMA基底的结合强度，并与其它用于增强结合强度的方法进行了对比分析。结果发现，利用本文提出的方法，获得的金属薄膜与PMMA基底的结合强度较高，而且金属薄膜的一致性较好。
　　研究了紫外表面处理提高金属薄膜与PMMA结合强度的作用机理。利用傅里叶变换红外光谱仪、X射线光电子能谱仪、液形分析仪、原子力显微镜和三维表面轮廓仪等设备，详细研究了紫外处理后PMMA表面的元素、官能团含量和化学键的变化，以及表面亲水性和粗糙度的变化。经过分析认为，紫外表面处理提高结合强度的作用机理为:紫外处理使得PMMA表面产生了羟基，同时其它极性含氧官能团的含量得到了提高，使PMMA表面富氧化，从而提高了金属原子与PMMA基底的结合强度;此外，紫外处理增大了PMMA的表面粗糙度，也有助于提高金属薄膜与PMMA基底的结合强度。
　　作为上述紫外表面处理提高金属薄膜与PMMA基底结合强度方法的应用，我们研制了一种集成银微电极的PMMA纳流控电化学芯片。芯片由一片纳米沟道基片和一片微米沟道盖片组成。在纳米沟道基片上，集成了亚微米沟道和银电极。其中，亚微米沟道作为一种筛子，用于堆积表面修饰了链霉亲和素的二氧化硅纳米颗粒，形成一种纳米颗粒晶体;银电极用于测量纳米颗粒晶体的电导。在微米沟道盖片上，集成了用于液体传输的4条微米沟道和储液池。研究了氧等离子体刻蚀PMMA纳米沟道的速率，在优化后的工艺参数下，平均刻蚀速率约为15nm/min，沟道粗糙度小于2nm。为了避免在芯片键合时亚微米沟道产生塌陷，研究了一种紫外辅助热键合方法。该方法显著降低了芯片键合温度，亚微米沟道在宽度和深度方向上的变形量分别为2％和5％。利用该芯片，测得的生物素检出限为1aM，检测范围为1aM至0.1nM。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 聚合物表面金属图形化

1．2 聚合物表面金属图形化的方法

1．3 提高金属薄膜与聚合物基底结合强度的方法

1．4 金属薄膜与聚合物基底结合强度的测试方法

1．4．1 胶带测试法

1．4．2 浸泡法

1．4．3 吹气法

1．4．4 超声破碎法

1．4．5 其它测试方法

1．5 课题的提出及本文的主要研究内容

1．5．1 课题的提出

1．5．2 本文的主要研究内容

2 PMMA的紫外表面处理与微电极制作

2．1 紫外改性

2．2 实验设备

2．3 金微电极的制作

2．3．1 金微电极的结构设计

2．3．2 金微电极制作过程

2．4 小结

3 金属薄膜与PMMA基底结合强度测试

3．1 金微图案的制作

3．2 金薄膜与PMMA基底结合强度测试

3．2．1 浸泡测试

3．2．2 吹气测试

3．2．3 胶带测试

3．2．4 超声破碎测试

3．3 小结

4 紫外处理提高金属薄膜与PMMA基底结合强度的作用机理

4．1 表面形貌研究

4．1．1 原子力显微镜测试

4．1．2 ZYGO三维表面轮廓仪测试

4．2 表面化学变化研究

4．2．1 紫外处理对PMMA表面亲水性的影响

4．2．2 傅里叶变换红外光谱仪测试

4．2．3 X射线光电子能谱仪测试

4．3 小结

5 一种集成微电极的PMMA纳流控电化学芯片

5．1 芯片的制作与检测

5．2 氧等离子刻蚀纳米沟道研究

5．2．1 宽2μm深80nm沟道的制作

5．2．2 氧等离子体刻蚀速率研究

5．2．3 一维纳米沟道沟底形貌研究

5．3 一维纳米沟道紫外辅助键合变形研究

5．4 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢