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聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一種有機硅聚合物,俗稱硅橡膠。由于PDMS具有很多優(yōu)點,因此近年來應用越來越廣泛,尤其被用來制造各種微納米器件。例如,由于PDMS價格低廉、透光性好以及生物相容性好,且易于采用澆注成型等方法進行微納米溝道的制作,PDMS已成為微流控芯片最常用的一種加工材料。再如,由于PDMS具有良好的柔性和可延展性,PDMS也常被用來作為各種柔性電子器件的基底材料。

在制造各種PDMS微納米器件的過程中,往往需要先在PDMS基片表面進行光刻膠的圖形化,然后對PDMS基片進行各種微加工,或者在PDMS表面利用剝離等工藝制作金屬微結構。

然而,由于PDMS表面潤濕性差、熱膨脹系數大等特點,導致在其表面很難采用標準的光刻工藝進行光刻膠的圖形化,光刻膠往往會出現裂紋等缺陷。因此需要對PDMS表面進行改性，來提高其表面的潤濕性能。

材料表面改性處理技術是當前材料學科研究的前沿領域,在過去的幾十年中,已經廣泛使用各種改性技術(例如化學處理和蝕刻、臭氧處理、紫外線輻射和等離子體處理)來定制材料表面特性。對比不同改性技術的處理速度、均勻性、化學靈活性和對環(huán)境的影響,可知等離子表面改性處理是目前材料學研究領域中最具前景的技術之一,等離子體表面改性技術通過在一些表面性能較差的材料表面上結合各種官能團來對材料進行改性處理,以提高它們表面的濕潤性,粘附性和生物活性反應,等離子體處理通常只對材料進行表面的改性,而不會改變它們的整體性能

PDMS表面氧等離子體處理提高親水潤濕性能

在實驗過程中發(fā)現,光刻膠無法均勻地旋涂在未經過任何處理的PDMS基片表面,光刻膠不能夠形成一個完整的薄膜,如圖1(a)所示。這主要是由于PDMS的表面潤濕性差,導致光刻膠無法有效地在PDMS表面均勻鋪展。因此,為了提高PDMS的表面潤濕性,在旋涂光刻膠之前,采用氧等離子體對PDMS基片表面進行改性處理。如圖1(b)所示,在經過氧等離子體改性處理后的PDMS基片表面,光刻膠能夠均勻地旋涂,形成一個完整的薄膜。

圖1 PDMS基片表面旋涂的光刻膠

接觸角可以衡量一個表面的潤濕性,為了研究氧等離子體處理對于PDMS基片表面潤濕性的影響,利用一臺光學接觸角測量儀,分別對等離子體改性處理前的PDMS基片和改性處理后的PDMS基片表面進行接觸角測量。

測試用的PDMS基片外形尺寸均為25mm×25mm×1mm,隨機選取了3片PDMS基片。在每片PDMS基片表面的3個不同位置,分別進行了接觸角測量,所有測量數據如表1所示。可以看出,等離子體改性處理前的PDMS表面為疏水性表面,其接觸角平均值為111.03°,經過很長時間,水滴仍然無法在其表面鋪展,如圖2(a)所示。然而,經過氧等離子體改性處理后,PDMS表面由疏水性表面變?yōu)榱擞H水性表面,其接觸角平均值減小到了29.50°,水滴瞬間便會在PDMS表面鋪展開來(圖2(b))。

PDMS基片氧等離子處理前后水滴角對比

可見,氧等離子體改性處理的確可以非常有效地提高PDMS表面的親水潤濕性,從而使得光刻膠可以均勻地旋涂在PDMS基片表面,形成完整的光刻膠薄膜。