成大研發快訊- 文摘【第八卷第四期】

近年來膠黏式接合技術的發展已引起了一定的注意，它的優點包含低接合溫度、對 ... 從拉曼光譜的分析結果比較，我們推測在氧電漿處理前，活化劑的親水 ... 第八卷第四期-2009年四月十日 利用親水性SU-8的接合技術陳佑慈、李定智* 國立成功大學工學院航空太空工程學系[email protected](2007)1978–1984   在製作微流體裝置時，裝置的接合是一個很重要的過程，此過程能使複雜的三維微元件完成封合。

近年來膠黏式接合技術的發展已引起了一定的注意，它的優點包含低接合溫度、對表面粗糙性的低敏感度、與其他種製作過程的相容性和結合不同種基材材料的能力，它能在簡單便宜的過程下達成高強度的接合。

目前大多數的膠黏式接合技術[1-3]，需要在特定的設備中提高溫度和壓力，或是需要在上和下的基板上都先行製作未固化的SU-8並藉由SU-8間的交聯反應（crosslinkingreaction）做接合，這些方法需要複雜且耗時的過程。

在此篇研究中，我們提出了一種不同於先前研究的新式微管道密封接合方法，此方法是利用添加活化劑的SU-8（親水性SU-8）做特定的材料。

方法 我們混合以環氧樹酯為基礎的SU-8厚膜負型光阻和烷氧基改性聚三矽氧烷的表面活化劑（trisiloxanealkoxylate,Silwet*618,GE）([(CH3)3SiO]2CH3Si(CH2)3O(CH2CH2O)8CH3)形成親水性SU-8光阻，並利用它作為膠黏層也同時作為中間結構層，製作程序如圖一所示。

圖一親水性SU-8微結構製作與封裝接合流程圖 親水性SU-8微結構的光固化過程是依照標準的光微影程序，在固化並經過氧電漿表面處理後，此結構即能直接與另一基材（不論其表面是否有另一層光固化後的親水性SU-8層）做接合。

親水性SU-8的特性會利用拉曼光譜分析（Ramanspectroscopyanalysis）和接觸角（contactangle）量測來確認可能的結構變化及親水性變化，此外也會進行一連串的接合測試能確定其接合能力。

我們利用掃瞄式電子顯微鏡（scanningelectronmicroscopy,SEM）、拉伸試驗（tensilestrengthtests）和流體測試來評估其接合的品質。

結果 親水性SU-8混合物在此篇研究中是一個關鍵的材料，它的特徵需要更進一步的了解。

因此，我們首先實施拉曼光譜測試。

從拉曼光譜的分析結果比較，我們推測在氧電漿處理前，活化劑的親水團（oxyethylenegroups,–OCH2CH2–）使得添加活化劑的SU-8薄膜具有親水性，但是活化劑與SU-8均沒有化學變化使拉曼光譜改變。

一旦經氧電漿處理的同時，可能使活化劑的methylgroups（–CH3）被置換成hydroxylgroups（–OH），因此更加提升了表面親水能力，並由於–OH基的產生使其容易與其他氧電漿處理過的基材接合。

第二，我們分別量測了塗佈光固化後的純SU-8膜（0%）及塗佈活化劑添加的SU-8膜（10%，各別為沒有或有進行氧電漿處理）的玻璃基材其表面接觸角，結果顯示如圖二。

液滴滴下後，在純SU-8膜（方形）上散佈的緩慢，經過三分鐘其接觸角仍舊維持在60-70˚之間；但相對的，添加活化劑的SU-8膜（圓形）其接觸角可在三分鐘內從剛滴下的54˚降至28˚；且有進行氧電漿處理並添加活化劑的SU-8膜（三角形）其接觸角能在一分鐘內從剛低下的35˚降至15˚。

由此可見，添加活化劑的方法成功的改變了SU-8的親水性，使其成為親水性SU-8（hydrophilicSU-8）微結構。

圖二液滴在分別塗佈純SU-8膜(0%活化劑，方形)、添加活化劑的SU-膜(10%活化劑，圓形)和經氧電漿處理並添加活化劑的SU-膜(10%活化劑，三角形)的玻璃基材上其接觸角隨時間的變化圖 我們實施了多種接合測試來確認利用親水性SU-8結構層進行封裝接合的接合效能，例如添加不同比例的活化劑、製作不同的結構厚度和不同的SU-8光阻系列的影響，其結果列於表一中。

測試2（testno.2）中的40μm高並含10%活化劑的SU-8-25二維結構（一層親水性SU-8）為基本案例。

從測試1-3和圖三，我們可以見到在活化劑濃度30%以下的親水性SU-8具有良好的結構成型與接合能力；從測試4-5，可以看到不同的結構厚度和不同的SU-8材料也具備了良好的接合品質。

從測試6-8與圖四，使用不同的基材如玻璃、矽晶圓、聚二甲基矽氧烷（poly(dimethylsiloxane)，PDMS）都有良好的接合特性，親水性SU-8接合技術展現了良好的相容性使不同的基材整合在一起封裝接合成微管道。

藉由製作多層光固化的親水性SU-8，也可以使兩分別具有管道型貌的基材互相接合形成三維（兩層親水性SU-8）的管道結構（測試9）。

將這些接合後的微裝置分別進行拉伸試驗，所測試的接合強度範圍為2–14kgcm−2。

並在微管道中注入流體觀察其洩露情形評估微管道可承受的壓力範圍約可至0.4atm（1mlmin−1）。

由拉伸測試與洩漏測試結果，此強度適用於一般微流體實驗的操作範圍。

表一接合測試的實例與其接合效果 圖四利用親水性SU-8結構接合矽與PDMS基材的微管道截面SEM圖圖三利用親水性SU-8結構接合兩玻璃基材的微管道截面SEM圖 結論 這篇研究提出並驗證了一種利用親水性SU-8同時做接合用的黏膠層也做管道結構層的新式接合方法。

利用各種實驗分別確認了親水性SU-8光阻定義結構的可行性、光固化後材料的親水性、接合的能力和結合不同基材的相容性，這些結果顯示了經活化劑改變後的SU-8具有做微裝置接合和其它應用的良好特性。

這個技術提供簡易、便宜、快速且不需要施加電場亦不需要在高溫高壓的環境下進行接合。

參考文獻 [1]C.T.Pangetal.,Alow-temperaturewaferbondingtechniqueusingpatternablematerials,J.Micromech.Microeng.,12,611–615,(2002). [2]R.J.Jackmanetal.,Microfluidicsystemswithon-lineUVdetectionfabricatedinphotodefinableepoxy,J.Micromech.Microeng.,11,263–269.(2001). [3]J.Carlieretal.,Integratedmicrofluidicsbasedonmulti-layeredSU-8formassspectrometryanalysis,J.Micromech.Microeng.,14,619–624,(2004).