CN102756474A

CN102756474A - 聚合物微流控芯片键合装置

Info

Publication number: CN102756474A
Application number: CN2012102633550A
Authority: CN
Inventors: 王传洋
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2012-07-27
Filing date: 2012-07-27
Publication date: 2012-10-31

Abstract

本发明公开了一种聚合物微流控芯片键合装置，包括激光发生器、可控光学系统、图像识别与图像处理系统、控制系统、位移控制平台，其特征在于：所述可控光学系统中，设有二元光学元件，激光束经二元光学元件衍射在位移控制平台上的待键合芯片处，形成的光斑大小和强度可控；设有图像识别与处理系统，所述图像识别与处理系统包括CCD和计算机，通过计算机对CCD采集衍射图像的处理，控制光斑的大小和强度。本发明将二元光学技术、激光透射焊接聚合物技术以及温度、图像实时在线测量技术结合在一起，利用二元光学元件对激光的衍射作用，可以获得比激光掩膜键合宽度更窄、热影响区更小、强度更高的焊缝。

Description

聚合物微流控芯片键合装置

技术领域

本发明涉及一种微流控芯片键合装备，尤其涉及一种微流控芯片的精密、可控键合装备。

背景技术

微流控芯片，又称微全分析系统或芯片实验室，是一项将化学、生物学等领域所涉及的样品制备、生物与化学反应、分离和检测等过程，缩微或基本缩微到一块几平方厘米的芯片上，并对其结果进行检测与分析的技术。相对传统分析技术，微流控芯片是一“微”而“全”的分析技术平台，也是当前微全分析系统发展的重点。

近年来，随着聚合物材料的广泛应用，一些具有生化兼容特性和易于通过精密注塑及热压等手段大批量生产的塑料成为制造微流控芯片的主要材料（如PMMA、PC、PVC、PDMS、PETG、PE等）。这就克服了以硅或玻璃材料为主的加工工艺生产生物微系统的高成本低产量的局限性。但是，随着聚合物微器件制造成本的逐渐降低，封装成本所占的比重不断上升，据国外多项统计表明:聚合物微器件封装成本占其产品的50%～90%，而产品的问题80％左右是由于封装造成的。目前其封装技术仍是通过改善微电子封装工艺实现的，没有通用性，也未形成统一的标准。因此，与聚合物MEMS技术的快速发展相比，其键合和封装技术已大为落后，成为制造过程中的瓶颈问题。发展低成本、高可靠性的键合封装工艺及装备已成为实现聚合物MEMS器件实用化和产业化亟待解决的关键问题。

针对聚合物材料的特性，人们开发出的聚合物微流控芯片的键合方法主要有溶剂键法、胶粘接键合法、微波键合法、直接键合法、超声波键合法及激光键合法。溶剂键合法是通过特殊的有机溶剂溶解聚合物器件的接触面实现器件联接，该方法无法避免微流控芯片微沟道材料被有机溶剂溶解后，微沟道形貌会受到影响，且溶剂的流延很难得到控制，键合质量一致性一般较差，同时该方法不利于进行大规模批量生产制作。胶粘接键合法是在基片与盖片之间引入粘结剂实现上下器件的联接。由于胶粘接过程中胶体很容易堵塞芯片微通道，且胶粘剂多数具有挥发性气味，影响后续微流控芯片使用中的生物兼容性，因此，该方法在微流控芯片键合领域很少应用。直接热键合将芯片温度加至玻璃化转变温度或熔融温度左右，通过对芯片施加一定的外界压力，使软化润湿的键合表面紧密接触，分子间形成作用力，实现基片与盖片的直接键合。一般压力和温度较大的情况下，键合芯片才能获得一定的键合强度，但是温度、压力过高容易导致芯片微沟道和基片整体的变形，严重影响键合质量。超声波焊接法是一种振动摩擦键合方法，由于声场因素的制约，且焊区封闭，使得对键合过程的参数检测变得非常困难。

上述塑料的键合方法或需要振动摩擦，或需要介质与产品直接接触。振动易于振坏微器件，而直接接触容易使得污染物进入微流控芯片的微通道、微泵及微阀等功能区域，从而对其造成污染。同时，这些塑料焊接方法的热影响区难以控制、易引起热畸变以及溢料过多，这些都容易造成微结构或微通道的变形，严重的将会导致微通道的堵塞。因此，这些键合方法在聚合物微流控芯片的键合方面均存在较大的不足。

激光透射键合微流控芯片方法，是让激光（波长一般为800－1050nm）透过透明盖片，在盖片与基片的结合面激光被盖片吸收并产生热量，在热集中区域，塑料被熔化，热熔融状态下的塑料大分子在焊接压力的作用下相互扩散和缠结，产生范德华力（分子间作用力），在盖片和基片之间形成强的键合。

将激光掩模焊接方法应用到厚度为0.1-2.5mm的PMMA微流控芯片的键合上，可以获得175μm焊缝宽度的不渗漏微芯片，表明激光透射焊接在聚合物微流控芯片键合领域有一定的优势，但掩模的通用性差、制造工艺复杂且成本高，不同结构的微流控芯片就要配有不同的掩模以适应微芯片内微通道的变化。

由于目前各种聚合物微流控芯片的键合方法都存在一定的局限性，如何获得比激光掩膜键合宽度更窄、热影响区更小、强度更高的焊缝，是本领域所要解决的技术问题。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种可以获得比激光掩膜键合宽度更窄、热影响区更小、强度更高的焊缝的激光透射聚合物微流控芯片键合装置。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种聚合物微流控芯片键合装置，包括激光发生器、可控光学系统、图像识别与图像处理、控制系统、位移控制平台，所述激光束成像系统中，设有二元光学元件，激光束经二元光学元件的衍射在位移控制平台上的待键合芯片处，形成的光斑大小和强度可控；设有图像识别与处理系统，所述图像识别与处理系统包括CCD和计算机，通过计算机对CCD采集衍射图像的处理，灵活控制光斑的大小和强度。

上述技术方案中，所述激光发生器可以采用现有技术，例如，激光发生器系统包括半导体激光器、可调电流源、制冷器及激光输出耦合光纤等，将相应的激光二极管、制冷片、给二极管供电的可调电流源以及制冷温控电路模块封装在一个模块中。所述可控光学系统中，在常规激光准直镜、聚焦镜、分光镜等组成光学系统的基础上，引入液晶模式的二元光学元件，将微光学技术引入键合设备中。其基本的技术原理为：根据微光学原理，二元光学元件（衍射光学元件）是一个纯相位型的光学元件，通过改变光波的波阵面以改变相位，借助二元光学元件可以对激光束的相位进行实时调制，通过衍射作用后，激光光束到达聚合物微流控芯片基片和盖片键合面处的光斑形状与预定的焊缝形状相同，更为关键的是光强由高斯分布变为强度均一的平顶分布，实现键合性能的均一性。

所述图像识别与处理系统采用CCD显微成像系统拍摄聚合物微流控芯片的微通道结构，通过计算机对图像识别与处理，设计出最优的键合位置的目标图像，通过数值模拟计算获取目标图像编码，利用图像中的像素点的值来动态控制液晶模式二元光学器件的衍射，灵活控制激光光场。

进一步的技术方案，设有温度在线实时监测与控制系统，所述温度在线实时监测与控制系统包括一台波长为7.5～13um的红外摄像机。红外热成像技术作为一种对键合过程的实时监测方法，红外热成像具有无损、对热分布的实时监测等特点。温度场的变化通过红外摄像机记录下来，一般地，红外摄像机的热灵敏度在0.08～30度，频率为60HZ，摄像头具有分辨率为100um的微距测量功能。

热像仪监测熔池及其附近的温度分布形成对应热图视频信号,经视频采集卡采集后通过PC 机的USB 口输入, 通过热像仪摄取的热成像图片由CAM软件进行分析，分析处理热图温度信息,给出激光器的电流调节控制指令,使焊池温度达到合适的温度。

上述技术方案中，所述位移控制平台采用伺服控制系统控制，包括气动轴承和由伺服电机驱动的滚珠丝杠结构。采用精密的气动轴承及伺服电机驱动滚珠丝杠组成的三维移动平台，其定位精度可达5微米，重复定位精度±0.5微米。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明将液晶模式二元光学元件引入到激光透射键合设备，提出基于液晶模式二元光学元件激光键合聚合物微流控芯片新方法，能实现依据性能设计激光光场，并实现激光光场（强度与形状）的动态调控技术。

2.通过图像采集与处理系统，真正意义上实现对聚合物微流控芯片键合质量的在线控制技术。

3.精密位移控制平台及伺服控制系统，实现键合过程的精确定位，并实现自动自锁夹紧。

4.创新的温度在线实时监测与控制系统，对传统的传感器温度控制模式进行彻底的革新，实现无接触、无损伤、高精度温度监测与控制，真正意义上达到依据预先设定键合质量设定键合参数。

附图说明

图1是实施例中聚合物微流控芯片键合系统装置图。

图2是实施例中聚合物微流控芯片键合系统流程框图。

其中:1、激光发生器；2、二元光学元件；3、CCD电荷耦合元件；4、红外摄像机；5、控制系统；6、伺服电机；7、位移控制平台；8、滚珠丝杠。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：一种聚合物微流控芯片键合装置，包括激光发生器、含有液晶模式微光学器件的可控光学系统、图像识别与图像处理系统、温度在线实时监测与控制系统以及精密位移控制平台、伺服驱动系统及控制系统。

参见附图1所示，所述可控光学系统中，设有液晶模式的二元光学元件2，激光束经二元光学元件2衍射在位移控制平台7上的待键合芯片处；所述图像识别与处理系统包括CCD3和计算机，通过计算机对CCD3采集衍射图像的处理，灵活控制光斑的大小和强度。

所述温度在线实时监测与控制系统包括一台波长为7.5～13um的红外摄像机4。所述位移控制平台7采用伺服控制系统控制，包括气动轴承和由伺服电机6驱动的滚珠丝杠8结构。

参见附图2所示，当聚合物微流控芯片置于位移控制平台7上时，CCD显微成像系统拍摄聚合物微流控芯片的微通道结构，通过计算机对图像识别与处理，设计出最优的键合位置的目标图像，通过数值模拟计算获取目标图像编码，利用图像中的像素点的值来动态控制液晶模式二元光学器件2的衍射，灵活控制激光光场，实现对聚合物微流控芯片键合质量的在线控制。键合过程中，温度场的变化通过温度在线实时监测与控制系统中的一台波长为7.5～13um的红外摄像机记录下来，热像仪监测熔池及附近的温度分布形成对应热图视频信号，经视频采集卡采集后通过PC机的USB口输入，通过热像仪摄取的热成像图片由CAM软件进行分析，分析处理热图温度信息，给出激光器的电流调节控制指令，使焊池温度达到合适的温度，实现依据预先设定键合质量设定键合参数。同时精密位移控制平台及伺服控制系统采用精密的气动轴承及伺服电机驱动滚珠丝杠组成的三维移动平台，实现键合过程的精确定位，并实现自动自锁夹紧。

Claims

1. 一种聚合物微流控芯片键合装置，包括激光发生器、可控光学系统、控制系统、位移控制平台，其特征在于：所述可控光学系统中，设有二元光学元件，激光束经二元光学元件衍射在位移控制平台上的待键合芯片处，形成的光斑大小和强度可控；设有图像识别与处理系统，所述图像识别与处理系统包括CCD和计算机，通过计算机对CCD采集衍射图像的处理，控制光斑的大小和强度。

2. 根据权利要求1所述的聚合物微流控芯片键合装置，其特征在于：所述二元光学元件为液晶模式控制的纯相位型微光学元件，通过改变光波的波阵面以改变相位，用来对激光束的相位进行实时调制，通过衍射作用后，激光光束到达聚合物微流控芯片基片和盖片键合面处的光斑形状与预定的焊缝形状相同。

3. 根据权利要求1所述的聚合物微流控芯片键合装置，其特征在于：设有温度在线实时监测与控制系统，所述温度在线实时监测与控制系统包括一台波长为7.5～13um的红外摄像机。

4. 根据权利要求1所述的聚合物微流控芯片键合装置，其特征在于：所述位移控制平台采用伺服控制系统控制，包括气动轴承和由伺服电机驱动的滚珠丝杠结构。