CN102179831A

CN102179831A - 一种微流控芯片的微沟道加工设备

Info

Publication number: CN102179831A
Application number: CN 201110084634
Authority: CN
Inventors: 刘晓为; 王蔚; 田丽; 张海峰; 韩小为
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2011-04-06
Filing date: 2011-04-06
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2031-04-06
Also published as: CN102179831B

Abstract

本发明提供了一种微流控芯片的微沟道加工设备，本发明支架的下端与多自由度的数控载物台相连接，摇臂设置在支架上，划刻深度控制标尺设置在摇臂上，微尺寸刀具数控运动机构设置在划刻深度控制标尺上，加热器的上端与划刻深度控制标尺的下端相连接，微尺寸刀具的上部设置在加热器内，温度控制器通过导线与加热器相连接。本发明的设备是将控温加热与微机械加工装置相结合，采用数控编程保证了复杂沟道图形加工的同时也保证了所需的加工精度，使得微流控芯片的加工工艺流程得到简化，加工时间缩短。刀具寿命长，定位精度高，便于微流控芯片的批量化生产。制作的微流控芯片的沟道平整度与线性度良好。适用本发明的设备其加工方法简单易行。

Description

一种微流控芯片的微沟道加工设备

技术领域

本发明涉及一种微流控芯片的微沟道加工设备，属微流控芯片微沟道的加工技术领域。

背景技术

微流控芯片是指通过微加工技术及其他加工方法将一个生物或化学实验室微缩到一块只有几平方厘米大的薄片上。在一块芯片上构建的化学或生物实验室可以将化学和生物领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测，细胞培养、分选、裂解等基本操作单元进行集成。最终，上述的操作单元可以集成到一块很小的芯片上，由微通道形成网络，用可控流体贯穿整个系统，用以实现常规化学或生物实验室的各种功能。

该技术具有检测限低，检测所需样品量少，检测时间短，制作成本低等优点，能够对特定离子、化合物、DNA片段等做出有效检测。该技术可以被广泛地应用于环保、军事、医药、生化等领域。近年来，随着微加工技术，MEMS技术以及电子技术的日益成熟，微流控芯片开始向集成化、微型化方向发展。

目前微流控芯片在国内外比较典型的加工方式主要有光刻阳模热压法、微机械加工法等。其中光刻阳模热压方法成本较高，模具制作周期较长，一种模具只能加工一种形状的微沟道，且模具材质通常为半导体材料，质地较脆，使用寿命较短。而微机械加工的设备较为昂贵且远没有普及，并且其微尺寸刀具采用纯机械的方式在有机材质上进行沟道加工，使得单个微尺寸刀具的寿命较短。此外其他加工方法也存在一些问题，如金属丝热压法，其加工沟道的线性度不够；激光刻蚀法，其加工的沟道侧壁较为粗糙。总之，上述微流控芯片的微沟道制作方法在实际应用过程中受到诸多条件限制。这有悖于微流控芯片通过集成化、微型化实现普及的宗旨，从而限制了其在各个领域的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以在降低芯片加工成本、缩短芯片加工周期、保证微沟道加工质量、推进微流控芯片普及的微流控芯片的微沟道加工设备。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：支架、划刻深度控制标尺、温度控制器、加热器、微尺寸刀具、微尺寸刀具数控运动机构、多自由度的数控载物台和摇臂，所述支架的下端与多自由度的数控载物台相连接，所述的摇臂设置在支架上，所述的划刻深度控制标尺设置在摇臂上，所述的微尺寸刀具数控运动机构设置在划刻深度控制标尺上，加热器的上端与划刻深度控制标尺的下端相连接，微尺寸刀具的上部设置在加热器内，温度控制器通过导线与加热器相连接。

本发明的设备是将控温加热与微机械加工装置相结合，本发明采用数控编程保证了复杂沟道图形加工的同时也保证了所需的加工精度，本发明的优点如下：1、将控温加热、微尺寸刀具与数控装置结合为一体。2、使得微流控芯片的加工工艺流程得到简化，加工时间缩短。3、刀具寿命长，定位精度高，便于微流控芯片的批量化生产。4、制作的微流控芯片的沟道平整度与线性度良好。5、适用本发明的设备其加工方法简单易行，单个芯片加工成本低，便于推广普及。

附图说明

图1是本发明的控温加热划刻设备结构示意图，

图2是本发明加热器内的结构示意图，

图3是本发明微尺寸刀具的结构示意图，

图4是本发明划刻深度控制标尺的结构示意图，

图5是实施弯角转弯沟道芯片加工示意图。

具体实施方式

本发明较佳的实施方式见图1～图5，包括：支架1、划刻深度控制标尺2、温度控制器3、加热器4、微尺寸刀具5、微尺寸刀具数控运动机构6、多自由度的数控载物台7和摇臂8，所述支架1的下端与多自由度的数控载物台7相连接，所述的摇臂8设置在支架1上，所述的划刻深度控制标尺2设置在摇臂8上，所述的微尺寸刀具数控运动机构6设置在划刻深度控制标尺2上，加热器4的上端与划刻深度控制标尺2的下端相连接，微尺寸刀具5的上部设置在加热器4内，温度控制器3通过导线与加热器4相连接。

所述的微尺寸刀具有多种尺寸规格，可以任意选择。刀具采用精密模具铸造，其微尺寸刀具5的刀头5-1形状为锥形、圆弧形、矩形或梯形，可以通过热划刻得到截面形状为锥形、圆弧形、矩形或梯形的沟道。沟道深度和宽度范围均为10～1000μm，沟道的长度为30～500mm。

使用本发明的设备加工微流控芯片微沟道的方法：

首先用去离子水超声清洗已经切割好的基片，然后将基片在真空条件下低温烘干以待备用。待基片被完全烘干后，将基片置于多自由度的数控载物台上，将基片固定。

开启电脑主机和控制软件界面，将设备与电源连接并打开设备电源开关。然后连接划刻设备数据线与电脑主机，同时将热电偶与加热器相连。确认设备与电脑连接成功之后，设定PID参数，打开设备上的加热开关，等待温度达到设定值。移动多自由度的数控载物台使微尺寸刀具头部对准基片沟道的起始位置，对设备的数控部分进行编程或直接通过软件导入CAD文件，也可以通过电脑软件用键盘进行手动操作。确认刀具的运动起始位置为所需后，启动数控装置。待一次划刻结束之后，从多自由度的数控载物台上取下基片，暂时关闭加热开关。

如果需要，可以用乙酸对微沟道进行平整化，再次用去离子水超声清洗基片上的沟道，然后将基片在真空条件下低温烘干。至此，微流控芯片的微沟道图形加工完成。

基片的选材为有机玻璃以及其他有机聚合物，基片的面积≤200×200mm，芯片上的微沟道的几何尺寸为宽度10～1000μm，深度为10～1000μm，长度为30mm以上，沟道形状可按需求设计，采用控温加热划刻设备进行制作。其中微尺寸刀具5的运动速度设定范围为0～100mm/s，微尺寸刀具5的运动范围为0～200mm，微尺寸刀具5的温度范围为0～500℃，其中刀具加热温度可以自行设定与调节，并能够在温度达到设定温度波动始终稳定在1％。控温加热划刻设备的所有运动均由数控方式完成，载物台和刀具部分均可数控运动，可以进行复杂沟道图形的加工，能够对沟道深度的精确控制精度为±1μm。

本发明设备的优点在于：1、保证PMMA及其他聚合物材质的微流控芯片微沟道的平整度；2、制作PMMA及其他聚合物材质的微流控芯片的工艺参数容易控制；3、制作PMMA及其他聚合物材质的微流控芯片的加工周期短；4、制作的PMMA及其他聚合物材质的微流控芯片成本低；5、能够制作形状复杂的微沟道，并能够保证加工的微沟道图形精度。

Claims

1.一种微流控芯片的微沟道加工设备，包括：支架(1)、划刻深度控制标尺(2)、温度控制器(3)、加热器(4)、微尺寸刀具(5)、微尺寸刀具数控运动机构(6)、多自由度的数控载物台(7)和摇臂(8)，其特征在于，所述支架(1)的下端与多自由度的数控载物台(7)相连接，所述的摇臂(8)设置在支架(1)上，所述的划刻深度控制标尺(2)设置在摇臂(8)上，所述的微尺寸刀具数控运动机构(6)设置在划刻深度控制标尺(2)上，加热器(4)的上端与划刻深度控制标尺(2)的下端相连接，微尺寸刀具(5)的上部设置在加热器(4)内，温度控制器(3)通过导线与加热器(4)相连接。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片的微沟道加工设备，其特征在于，微尺寸刀具(5)的刀头(5-1)形状为锥形、圆弧形、矩形或梯形。

3.根据权利要求1所述的微流控芯片的微沟道加工设备，其特征在于，微尺寸刀具(5)的运动速度设定范围为0～100mm/s。

4.根据权利要求1所述的微流控芯片的微沟道加工设备，其特征在于，微尺寸刀具(5)的运动范围为0～200mm。

5.根据权利要求1所述的微流控芯片的微沟道加工设备，其特征在于，微尺寸刀具(5)的温度范围为0～500℃。