氧等离子表面处理PDMS键合原理

聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一种高分子有机硅化合物，通常被称为有机硅，液态时为黏性液体，称做硅油，固态时为一种硅胶，PDMS基体呈无色透明，无毒害且绝缘，其分子结构式如下图所示:

PDMS分子结构图

聚二甲基硅氧烷（PDMS）是一种高分子聚合物。由于其独特的延展性、光学性能、绝缘性、耐腐蚀性、生物相容性、易加工性和低成本，使其成为柔性电子领域的热门材料之一。然而，PDMS的表面是天然疏水的。果不对表面进行改性，就不能与均质和非均质材料形成不可逆的键合，这大大限制了它的应用空间。

目前，PDMS与硅基材料的低温键合有多种方法。在硅-PDMS多层结构微阀的制备过程中，将PDMS直接旋涂固化在硅片上，实现硅-PDMS薄膜的直接键合。这种方法属于可逆键合，键合强度不高。在制作生物芯片时，用氧等离子体分别对PDMS和硅衬底进行氧化层掩模处理，然后将它们键合在一起。

这种方法实际上是PDMS与SiO2掩模层的键合，但硅表面热氧化法制备的SiO2膜层与PDMS的键合效果并不理想。采用氧等离子体表面处理技术，在常温常压下成功地实现了PDMS与具有钝化层的硅片的键合。在利用氧等离子体改性实现PDMS与其他基材的粘接技术中，一般认为，氧等离子体表面改性后，PDMS基材与覆盖片应立即粘接，否则PDMS表面会受到很快恢复疏水性，导致粘结失效，因此可操作的工艺时间相对较短，一般为1～10分钟。通常，PDMS衬底和待键合的硅衬底上都有相应的微结构，键合前需要一定的时间对结构图案进行对准。因此，如何延长PDMS活性表面的使用期限，成为保证粘接质量的关键。

氧等离子体处理后的PDMS表面引入了亲水性的-OH基团，取代了-CH基团，使PDMS表面表现出极强的亲水性。同样，由于硅衬底经过浓硫酸处理，表面含有大量的Si—O键。在氧等离子体处理过程中，Si-O键被打断，从而在表面形成大量的Si悬空键。通过吸收空气-OH，形成Si-OH键。处理后的PDMS附着在硅表面上，在两个表面上的Si-OH之间发生以下反应：2Si-OH®Si-O-Si+2H2O。硅衬底与PDMS之间形成了较强的Si—O键，从而完成了两者之间的不可逆键合。