2024年12月，中南大学蒋炳炎-吴旺青教授团队以“An innovative patternable microelectrode bonding technology for high-performance and cost-effective sealing in microfluidic chips”为题，在期刊《Chemical Engineering Journal》（IF：13.4，JCR一区，中科院一区TOP）发表了研究性论文。中南大学吴旺青教授为通讯作者，2020级博士研究生赵百顺为论文第一作者。中南大学极端服役性能精准制造全国重点实验室为第一单位。论文合作者还包括英国利兹大学/邓迪大学的Dimitrios Kontziampasis博士。
微流控芯片技术凭借其精确操控微小液滴和生物分析的能力，在生物医学和化学分析领域发挥着越来越重要的作用。然而，制造高质量微流控芯片所需的复杂技术限制了其市场化和广泛应用。本文提出了一种面向模内键合集成制造的新型微流控芯片键合技术——基于可图案化的微电极熔接，旨在实现高可靠、低成本和高通量的模内键合。该技术利用微电极在低电压下的焦耳热效应，在芯片键合界面快速生热，实现微流控芯片熔融键合。团队基于电沉积法制备的镍微电极能够以低于3伏的电压在15秒内迅速完成芯片键合。研究表明，基于微电极键合技术可以实现微流控芯片高强度、小变形协同键合。键合芯片爆破强度＞2.9 MPa，微通道变形＜10%。这项技术无需使用化学品或污染物，也不需要复杂的设备，使其成为一种简单、绿色和可持续的键合新方法，为微流控芯片技术的可持续发展和产业化应用提供关键技术支持。作为一种高度集成的微流体分析系统，微流控芯片的优势在于其独特的微纳尺度结构特征和复杂的系统集成能力。为实现复杂功能集成，微流控芯片多采用多层复合结构，并通过键合的方式形成封闭的微通道网络。其结构完整性和功能实现的关键在于键合技术的精确性和可靠性。传统的热压、等离子、化学和胶键合方法工序离散，效率较低，难以应用于大批量生产。随着微流控芯片技术的不断发展，高质量键合需求与低效率键合方法之间的矛盾导致键合技术趋于复杂化。中南大学蒋炳炎教授在国际上率先提出了模内键合思想，即将热键合技术集成到模具内，在一套模内先后完成微流控芯片注塑成型及模内键合，其主要优势包括：工艺集成化、工序自动化、生产标准化等。然而，该方法仍面临模具结构复杂、键合质量协同调控困难，以及规模化生产适应性等挑战。在微流控芯片的制造过程中，键合封装质量是决定产品性能的关键。传统的封装技术往往因为技术复杂、成本高昂而限制了微流控产品的市场化。针对这一挑战，本研究提出了一种新颖的微电极键合技术，该技术利用低电压下微电极的焦耳热效应，讯速产生足够的热量，实现芯片的成功键合。研究中使用的微电极材料为镍，这是一种具有优异的热、电导性以及机械强度的材料。通过小批量电沉积工艺制备的微电极，能够在低电压下产生高效的热能，实现微流控芯片的快速键合。这种材料和工艺的选择，不仅提高了键合的效率和质量，而且降低了成本，为微流控芯片的大规模生产提供了可能。与传统的键合技术相比，该技术无需使用化学试剂或污染物，也不需要复杂的设备，是一种简单、绿色和可持续的方法。这对于推动工程和制造业朝着可持续的未来发展具有重要意义。此外，该技术的应用范围广泛，从药物输送系统、诊断检测到环境监测和芯片实验室设备，都展示了其巨大的应用潜力。研究中对微电极和微流道的形态特征进行了详细的表征，并使用高速红外摄像机评估了加热产生的质量。通过测量微流道的爆破压力来表征键合强度，结果显示，该技术能够在低至3伏的电压下实现快速的聚合物键合，且键合强度＞2.9 MPa，微流道变形＜10%，表明了该技术的高效性和可靠性。基于微电极的微流控芯片键合技术主要特点：• 高效：键合时间短，只需几十秒钟，易实现模内集成。• 成本低：无需使用专用键合设备和溶剂，微电极制造工艺成熟、规模化潜力大。微电极键合技术的提出，不仅为微流控芯片的封装提供了一种新的可持续路径，而且为高性能和成本效益的完美结合提供了可能。该技术有望推动微流控芯片技术的市场化和广泛应用，并促进其在生物医学和化学分析领域的进一步发展。未来团队将进一步探索该技术在不同聚合物材料和微流控设计中的应用潜力，并评估其在各种操作条件下的长期稳定性，以推动该技术的产业化应用。
图1. 微电极键合原理与工艺流程
图2. 图案化微电极电沉积制备工艺
图3. 微电极键合表现
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158214
作者简介
通迅作者：吴旺青，中南大学教授、博士生导师，湖南省科技创新类湖湘青年英才。现任中南大学机械制造及其自动化系主任、全国模具标准化技术委员会委员、中机生产工程分会模具制造与成型技术专业委员会委员。主要从事金属/塑料先进成型及其智能化研究，主持/承担国家自然科学基金青年/面上/重点国际合作研究项目、国家重点研发计划子课题、湖南省人才专项、长沙市自然科学基金以及校企合作项目10余项，在Chemical Engineering Journal, Materials & Design, Journal of Alloys and Compounds等期刊以第一/通讯作者发表期刊论文40余篇，获国家授权发明专利20余项。博士后合作、博士/硕士研究生报名联系方式：[email protected]。
第一作者：赵百顺，中南大学20级博士研究生，参与国家自然科学基金面上/重点国际合作研究项目、长沙市自然科学基金以及校企合作项目4项，在Chemical Engineering Journal, Materials & Design, Journal of Materials Research and Technology等期刊以第一作者发表研究论文8篇。2023年获中南大学博士研究生国家奖学金，湖南省模具技术论坛会优秀论文一等奖；2022年获NanoMan 2022 & AETS 2022国际会议最佳论文奖。
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