CN103466542B - 异质键合成型装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异质键合成型装置，包括工作台，工作台上固定设置吊运物料的吊装机构，吊装机构的下方设置上板机构、点胶机构、上片机构、键合机构。上板机构包括由电机驱动做上下运动的放置物料M的物料板。点胶机构包括沿工作台纵向运动的限定物料M的限位槽，限位槽的上方设置沿工作台横向和垂直运动的点胶针头。键合机构包括定位盘，定位盘的至少一个边设置向底部收口的倾斜角度为55～65°的导入槽。上片机构包括放置物料N的第二物料板，第二物料板的下方设置上下运动的推板。所述吊装机构包括沿工作台横向和垂直运动的真空吸盘。本发明采用吊装机构以及辅助定位装置，极大的解决了异质键合过程高精度定位、重复性定位以及高进度可操控性的难题。

Description

异质键合成型装置

技术领域

本发明涉及一种用于制作微机电领域产品的机械装置，具体的说是一种自动化程度高的制作微流控芯片的机械装置。

背景技术

利用微流体芯片技术和高通量基因芯片技术可以制备一个整合型的微流控芯片，通过高度集成化和自动化技术使整个实验室的化验工作在这一张芯片上完成。使用微流控芯片可以一次检测500种非培养微生物。与传统培养技术相比，具有检测通量大、检测速度快、自动化程度高、操作简便的特点，是医用细菌感染检测、个性化用药、用药效果监测、工业菌种筛选、环境微生物调查和科学研究的良好工具。

微流控芯片的制备度量单位均以微米为计算单位，制作精度要求高。而且通常都涉及两种不同材质，尤其是高分子聚合物与玻璃的异质键合过程。现有的键合方法有使用粘合剂的方法、焊接方法、或扩散方法。所谓使用粘合剂的方法，需要精细的调整粘合剂的量，耗费大量的时间，键合的结构容易破裂，键合的两种物料容易在高湿度下分离。而且，在封装技术中，粘合剂有可能成为污染源。使用焊接方法，键合的部分容易变形，并且在封装可靠性测试中，出现差的温度循环结果，还存在由于疲劳而产生的蠕变松弛问题。扩散方法则需要应用附加的静电场产生高温热，并需要使用专门的化学机制进行表面活化。最为关键的是，现有的键合方法大多自动化程度不高，仅仅依靠人的操作根本无法，难以保证两种物料的精确定位，并且人工操作重复性差、误差大，芯片制备无法批量化生产。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种自动化程度高的制作微流控芯片的异质键合成型装置。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

异质键合成型装置，包括工作台，工作台上固定设置吊运物料的吊装机构，吊装机构的下方设置提升物料M的上板机构、对物料M进行点胶的点胶机构、提升物料N的上片机构、键合机构。

本发明的进一步改进在于：所述吊装机构包括与工作台固定连接的支架，支架上设置顺工作台的横向布置的跨越于上板机构、点胶机构、键合机构、上片机构上方的丝杠横梁，丝杠横梁上设置沿丝杠横梁滑动的丝杠螺母，丝杠螺母的一端竖直穿接一根由第一伺服电机驱动的丝杠竖梁，丝杠竖梁的下端连接与真空泵连接的真空吸盘，真空吸盘上设置吸附物料M的二号吸盘和吸附物料N的一号吸盘。

本发明的进一步改进在于：所述上板机构包括由电机驱动的竖直设置的丝杠，丝杠的上端通过轴承连接在由固定柱支撑的定位板上，丝杠上设置沿丝杠上下滑动的滑块，与滑块固定连接的滑动板上设置若干竖直穿过定位板的导轨，导轨的上端固定连接位于定位板上方用于放置物料M的物料板，定位板上固定设置配合物料板对物料M进行定位的定位槽。

本发明的进一步改进在于：所述定位板上设置与伺服电机连接的检测导轨行程的光电传感器。

本发明的进一步改进在于：所述点胶机构包括对物料M限位的限位槽，限位槽的下方连接由顺工作台的纵向布置的第一丝杠驱动的第一滑块，限位槽的外侧设置顺工作台的横向布置的第一丝杠横梁，第一丝杠横梁上设置沿第一丝杠横梁滑动的第一丝杠螺母，第一丝杠螺母的端部竖直穿接由第二伺服电机驱动的第一丝杠竖梁，第一丝杠竖梁的下端设置与限位槽对应的点胶针头。

本发明的进一步改进在于：所述点胶针头通过进给管连接活塞室，活塞室的进胶端设置由压缩空气控制进胶的胶瓶，所述胶瓶连接用于排除空气的脱泡机构。

本发明的进一步改进在于：所述键合机构包括对物料M进行定位的定位盘，定位盘上开设若干与真空室连接的对应物料M的真空吸附孔。

本发明的进一步改进在于：所述定位盘的至少一个边设置向底部收口的倾斜角度为55～65°的导入槽。

本发明的进一步改进在于：所述上片机构包括由位于支撑架内的第二电机驱动的一根竖直设置的第二丝杠，第二丝杠的上端通过第二轴承连接在支撑架上，支撑架上方设置由若干第二固定柱支撑的第二物料板，第二物料板上开设有若干对物料N进行定位的固定槽，第二丝杠上设置沿第二丝杠上下滑动的第二滑块，与第二滑块固定连接的第二滑动板上设置若干竖直的第二导轨，第二导轨的上端固定连接位于第二物料板下方的推板，推板上设置若干对应固定槽的推柱。

本发明的进一步改进在于：所述工作台设置为带有阶梯台的柜体，柜体内部设置电源，柜体的一侧设置电源接线孔和带有散热风扇的散热孔，低层的阶梯台上设置上板机构，高层的阶梯台上顺次设置点胶机构、键合机构和上片机构。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明是采用高精度线性直线吊装机构以及辅助定位装置，高集成度、高自动化程度的完成微流控芯片的高分子聚合物与玻璃的异质键合过程的设备，极大的解决了高精度定位、重复性定位以及高精度可操控性的难题。所述吊装机构作为运输物料的机构，采用精度高的配件，运动巧妙的丝杠横梁、丝杠螺母配合，使包括取料、放料和键合过程脱离了人工操作，实现了高精度定位的自动化操作。所述上板机构由电机控制逐步提升物料M，保证吊装机构的真空吸盘可靠吸取物料M，所设置的定位槽对物料M的初步定位，为后续点胶过程精确定位奠定基础，还设置检测导轨行程的光电传感器，保证工作稳定、物料M提升准确。所述点胶机构利用模具加工的限位槽，具有很高的精度，保证对物料M的精准定位，限位槽纵向运动，配合点胶针头横向和垂直运动，对物料M上所需各个位置都能准确点胶。点胶针头连接脱泡机构，采用活塞室推进机构，可以保证出胶量稳定、均匀。所述键合机构，其定位盘充分利用放入的物料M本身有一定重量这一特性，采用带有一定坡度的导入槽，完成物料M的自由下落进入定位盘内并完成精确定位。设置真空吸附孔，吸附物料M，防止物料M本身发生变形引起表面不平，影响键合质量。所述上片机构准确提升物料N，工作稳定。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明工作台的结构示意图；

图3是本发明的吊装机构的结构示意图；

图4是本发明的上板机构的结构示意图；

图5是本发明的点胶机构的结构示意图；

图6是本发明的键合机构及局部放大的结构示意图；

图7是本发明的上片机构的结构示意图。

其中，1、柜体，2、机构线路通道，3、机构固定孔，4、散热孔，5、电源接线孔，10、支架，11、丝杠横梁，12、丝杠螺母，13、第一伺服电机，14、丝杠竖梁，15、真空吸盘，16、平行导轨，17、一号吸盘，18、二号吸盘，20、电机，21、丝杠，22、轴承，23、定位板，24、固定柱，25、滑块，26、滑动板，27、导轨，28、物料板，29、定位槽，201、光电传感器，30、进给管，31、点胶针头，32、限位槽，33、第一丝杠，34、第一滑块，35、第一丝杠横梁，36、第一丝杠螺母，37、第二伺服电机，38、第一丝杠竖梁，40、支撑架，41、第二电机，42、第二丝杠，43、第二轴承，44、第二固定柱，45、第二滑块，46、第二滑动板，47、第二导轨，48、推板，49、推柱，401、第二物料板，402、固定槽，50、定位盘，51、真空吸附孔，52、导入槽，53、真空室，

A、工作台，B、上板机构，C、点胶机构，D、键合机构，E、上片机构，F、吊装机构。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

异质键合成型装置，如图1所示，包括工作台A、吊装机构F、上板机构B、点胶机构C、键合机构D、上片机构E。本装置用于完成两种不同材质的物料M与物料N键合过程。所述物料M为PMMA材质，尺寸为400mmX400mmX2mm。物料N为玻璃材质，尺寸为24mmX60mmX0.17mm。物料M上均布40个配合放置物料N的通孔，所述通孔设置为阶梯状，阶梯孔的大端用于卡托物料N，小端用于其他工艺要求。

所述工作台如图2所示，呈一个带阶梯的长方形柜体1结构，作为所有精密机构工作的承重和容纳设施，工作台的四角带有易于操作且稳定的水平调节装置，工作台的台面在工作时能保持稳定，且有一定的减振性能，可完成桌面水平度的调整。工作台的桌面平整、抗压、有硬度，安装有稳固的底板架，各机构的定位孔开孔位置及孔径偏差小，设备安装稳定度高。柜体内部配置整个异质键合成型装置所需的电源，柜体的一侧设置电源接线孔5。为了保证各机构运行稳定、安全、高效，柜体的侧面还设置了带有散热风扇的散热孔4。柜体低处的低层阶梯台上固定安装上板机构B，柜体高处的高层阶梯台上临着上板机构B顺次设置点胶机构C、键合机构D和上片机构E，高层阶梯台点胶机构、键合机构和上片机构的后面设置吊装机构F。

所述吊装机构F如图3所示，它将各个机构连接成一个整体，主要用于精确的移动物料。包括固定在工作台高层阶梯台上的支架10，支架10的上端设置一根丝杠横梁11，丝杠横梁11横跨在上板机构B、点胶机构C、键合机构D、上片机构E的上方。丝杠横梁11上设置沿丝杠横梁横向滑动的丝杠螺母12，丝杠横梁11安装在一带开口的矩形槽内，矩形槽的开口槽对应上板机构B的一侧。矩形槽内设置安装在丝杠横梁11上的丝杠螺母12，丝杠螺母12的横截面与矩形槽的横截面相互对应，丝杠螺母12的上部和下部还各自设置一个通孔，为了保证丝杠螺母12的相对稳定，通孔内均安装一根与矩形槽的两端固定的平行导轨16。矩形槽和平行导轨16作为丝杠螺母的轨道使用。丝杠螺母12的一端伸出丝杠横梁的矩形槽的开口，并对应在上板机构B一侧的上方，丝杠螺母12的伸出端竖直穿接丝杠竖梁14，丝杠竖梁14与丝杠螺母12为螺纹配合，丝杠竖梁14的顶部连接第一伺服电13机，丝杠竖梁14的底部连接真空吸盘15，真空吸盘设置两组吸盘，包括吸附物料M的二号吸盘18和吸附物料N的一号吸盘17。如图1所示，二号吸盘18分布在真空吸盘15的边上，主要对应物料M的边缘。一号吸盘17分布在真空吸盘15中间，位置和数量与物料N在物料M上位置和数量相对应。这两组吸盘可各自连接一真空泵控制吸盘的吸合和关闭。

所述上板机构B如图4所示，主要用于提升物料M。包括固定在柜体低层阶梯台上的电机20，电机20驱动竖直设置的丝杠21。丝杠21的上端通过轴承22连接在定位板23上，定位板23由固定柱24支撑，固定柱24的下端连接在柜体低层阶梯台上。丝杠21上设置沿丝杠上下滑动的滑块25，滑块25固定连接一个与定位板平行的滑动板26，滑动板26上固定连接若干竖直设置的导轨27，导轨27穿过定位板上的孔，导轨27的上端固定连接用于放置物料M的物料板28，物料板28位于定位板23上方，物料板23的尺寸稍小于物料M，定位板23上固定设置配合物料板对物料M进行初步定位的定位槽29，定位槽的尺寸则配合物料M，保证M有一定的向上移动空间，但不至于有太多空隙。所述定位板23上设置与伺服电机连接的检测导轨行程的光电传感器201，用于检测物料M提升的高度。

所述点胶机构C如图5所示，其旨在物料M的指定位置涂覆定额的胶量，为键合动作提供粘合剂。所述点胶机构设置带有脱泡机构的储胶用胶瓶，胶瓶连接活塞室的进胶端，活塞室的出胶端通过进给管连接到点胶针头。压缩空气送入胶瓶，将胶压满到与活塞室相连的进给管30中，当活塞处于上冲程时，活塞室中填满胶，当活塞向下推进滴胶针头时，胶从点胶针头31压出。所述点胶针头31的下方设置对物料M进行高精度限位的限位槽32，该限位槽有模具加工而成，可以将定位精度控制在0.02mm以内。如图5所示，限位槽32的下方设置沿第一丝杠33滑动的第一滑块34，第一滑块34固定连接限位槽32，实现限位槽32沿工作台纵向滑动。限位槽32的一侧设置与吊装机构类似的驱动机构，驱动点胶针头31做横向和垂直运动。限位槽一侧的水平横梁上设置第一丝杠横梁35，第一丝杠横梁35上设置配合滑动的第一丝杠螺母36，第一丝杠螺母36的端部竖直穿接第一丝杠竖梁38，第一丝杠竖梁38与第一丝杠螺母36为螺纹配合连接，第一丝杠竖梁38的顶部设置第二伺服电机37，第一丝杠竖梁38的下端连接点胶针头31。

所述上片机构E如图7所示，主要用于提升物料N，其结构与上板机构类似。支撑架40内部设置第二电机41，第二电机41驱动一根竖直设置的第二丝杠42，第二丝杠42的上端通过第二轴承43连接在支撑架40上。支撑架40上方设置由若干第二固定柱44支撑的第二物料板401，第二物料板401上开设有40个对物料N进行定位的固定槽402。固定槽402的尺寸略大于物料N的尺寸，高度以满足放置100层物料N为准。第二丝杠42上设置沿第二丝杠42上下滑动的第二滑块45，与第二滑块45固定连接的第二滑动板46上设置若干竖直的第二导轨47，第二导轨47的上端固定连接位于第二物料板下方的推板48，推板48上设置若干对应固定槽的推柱49。

所述键合机构D如图6所示，用于完成物料M和物料N的键合过程。包括对物料M进行定位的定位盘50，定位盘50上开设若干与真空室连接的真空吸附孔51。真空吸附孔均布在定位盘上，与物料M相对应，当放置了物料M以后，真空吸附孔吸附固定物料M，防止物料M本身变形引起表面不平。如图6的局部放大部分所示，所述定位盘50的四个边设置向底部收口的倾斜角度为60°的导入槽52。可以理解为在定位盘的边侧设置若干向上敞开的侧板。这里充分利用放入的物料M本身有一定重量这一特性，采用带有一定坡度的导入槽52，完成物料M的自由下落进入定位盘内并完成精确定位。

上述各机构还设置有对自检时发现各机构处于非正常状态发出报警信号的报警设备。

本发明的具体运行过程为：

1、机构检查

启动异质键合成型装置，分别复位上板机构、点胶机构、上片机构、吊装机构，自检各机构状态是否正常，并确认压缩空气状态是否正常，真空泵以及报警设备是否正常。吊装机构初始状态时，真空吸盘位于丝杠横梁的中部，键合机构的正上方。点胶机构初始状态时，点胶针头位于第一丝杠横梁的一端。

2、物料准备

准备100片物料M放入上板机构的物料板上。

准备40000片物料N按要求放入上片机构的第一物料板上。

检查点胶机构的胶瓶内的存胶状态，确认可以工作。

3、单次的键合过程

上板机构的电机接收脉冲信号启动，带动丝杠转动，与丝杠配合的滑块带动导轨精确提升物料M。

同时将启动信号传递给吊装机构F的控制机构，控制机构接收并识别信号，启动吊装机构，执行以下动作：(参考图1，假设吊装机构初始状态为原点，以丝杠横梁为X轴，上板机构一侧为X轴负方向，以丝杠竖梁为Z轴，向下为负方向。)真空吸盘在丝杠横梁上做沿X轴负方向的直线运动，运动到上板机构正上方，X轴方向停止运动，真空吸盘在第一伺服电机的驱动下，由丝杠竖梁带动沿Z轴向下运动，当真空吸盘与物料M接触时，Z轴停止动作，控制机构接收信号，启动二号吸盘吸盘吸附物料M，随后真空吸盘吸附物料M沿Z轴做复位运动。

Z轴向复位运动完成后，上板机构再次启动，由光电传感器检测丝杠运动行程计算物料M的高度，当物料M的高度小于设定值时，无法满足真空吸盘的吸附行程时，上板机构需进行提升物料动作。

随后，真空吸盘吸附着物料M沿丝杠横梁的X轴正方向运动到点胶机构的正上方，停止运动，真空吸盘沿着Z轴向下做直线运动，当运动到程序设定值时，控制机构接收信号，并发出信号停止真空吸盘机构的动作，同时关闭二号吸盘，释放物料M到限位槽，之后真空吸盘机构沿Z轴做复位运动。

点胶机构接收到点胶操作信号并启动，限位槽配合点胶针头做沿工作台的纵向即Y方向的运动，点胶针头横向和垂直运动，脱泡机构和活塞室配合动作，点胶针头沿给定轨迹进行点胶操作。点胶完成后，点胶针头做复位运动，真空脱泡机停止运行。

点胶操作完成后，吊装机构的控制系统接收信号：真空吸盘沿Z轴向下做直线运动，当运行到程序设定位置时，真空吸盘停止运动，同时启动二号真空吸盘，延时1s。二号吸盘吸附了点胶过的物料M后，真空吸盘沿Z轴向上运动到程序设定值时，Z轴方向停止运动。真空吸盘沿X轴开始正向运动，运动到键合机构上方时，X轴方向停止运动，真空吸盘沿Z轴向下运动，达到程序设定值时，Z轴方向停止运动并关闭二号吸盘，将物料M置入键合机构的定位盘内，随后真空吸盘沿Z轴向做复位运动。

物料M固定在键合机构上，真空吸盘沿X轴正向运动到上片机构上方，X轴方向停止运动，真空吸盘沿Z轴向向下做直线运动，达到程序设定值时，Z轴方向停止直线运动，控制系统接收信号，并执行一号吸盘启动动作，一号吸盘吸附物料N，延时1s，真空吸盘沿Z轴做复位运动。

复位完成后，上片机构检测物料N的高度，原理同上板机构。随后，真空吸盘沿X轴负方向运动到键合机构正上方，X轴向停止运动，Z轴向开始向下运动，达到程序设定值时，Z轴向停止运动，此时，Z轴向下运动的位置不只是为了满足将物料N置入物料M上的对应位置，其实际上比物料N的放置稍低，保证对物料N施加一定压力。之后连接真空室的第一真空泵动作，控制真空吸附孔，吸附物料M，借助一号吸盘对物料N的压力，进行物料M与物料N之间的键合，达到程序设定时间时，第一真空泵关闭，一号吸盘关闭，二号吸盘启动，随后真空吸盘沿Z轴向做复位运动，复位完成后，本次键合任务完成，后续可根据生产需要将完成键合的物料运送到合适的位置。

4、重复进行下一次的键合运动，直至完成100片的物料M的键合。

本发明针对微流控芯片制备要求精度高的特点，借助机器人技术完成高自动化、高精度的异质键合。玻片、盖板在粘合过程中，要求精度偏差不得超过0.01mm。吊装机构采用进口丝杠，其误差小于0.01mm，并用较大直径丝杠防止大距离机械臂的形变问题。在盘片定位要求精度较高时均要求采用定位盘辅助完成盘片定位。盖板点胶重复定位偏差小于0.01mm，运动速度大于250mm/s，每板点胶时间不得超过3min，点胶行程不小于400mm；出胶精度偏差小于0.0005ml，每板点胶量约1.2g。

应该指出的是，本发明还可以以不同形式来实施，不应当理解为仅局限于文中阐述的实施例。

Claims (9)

1.异质键合成型装置，其特征在于：包括工作台(A)，工作台(A)上固定设置吊运物料的吊装机构(F)，吊装机构(F)的下方设置提升物料M的上板机构(B)、对物料M进行点胶的点胶机构(C)、提升物料N的上片机构(E)、键合机构(D)；

所述键合机构(D)包括对物料M进行定位的定位盘(50)，定位盘上开设若干与真空室(53)连接的对应物料M的真空吸附孔(51)。

2.根据权利要求1所述的异质键合成型装置，其特征在于：所述吊装机构(F)包括与工作台固定连接的支架(10)，支架(10)上设置顺工作台的横向布置的跨越于上板机构(B)、点胶机构(C)、键合机构(D)、上片机构(E)上方的丝杠横梁(11)，丝杠横梁(11)上设置沿丝杠横梁滑动的丝杠螺母(12)，丝杠螺母(12)的一端竖直穿接一根由第一伺服电机(13)驱动的丝杠竖梁(14)，丝杠竖梁(14)的下端连接与真空泵连接的真空吸盘(15)，真空吸盘(15)上设置吸附物料M的二号吸盘(18)和吸附物料N的一号吸盘(17)。

3.根据权利要求1或2所述的异质键合成型装置，其特征在于：所述上板机构(B)包括由电机(20)驱动的竖直设置的丝杠(21)，丝杠(21)的上端通过轴承(22)连接在由固定柱(24)支撑的定位板(23)上，丝杠(21)上设置沿丝杠上下滑动的滑块(25)，与滑块(25)固定连接的滑动板(26)上设置若干竖直穿过定位板(23)的导轨(27)，导轨(27)的上端固定连接位于定位板(23)上方用于放置物料M的物料板(28)，定位板(23)上固定设置配合物料板(28)对物料M进行定位的定位槽(29)。

4.根据权利要求3所述的异质键合成型装置，其特征在于：所述定位板(23)上设置与伺服电机连接的检测导轨行程的光电传感器(201)。

5.根据权利要求1所述的异质键合成型装置，其特征在于：所述点胶机构(C)包括对物料M限位的限位槽(32)，限位槽(32)的下方连接由顺工作台的纵向布置的第一丝杠(33)驱动的第一滑块(34)，限位槽(32)的外侧设置顺工作台的横向布置的第一丝杠横梁(35)，第一丝杠横梁(35)上设置沿第一丝杠横梁(35)滑动的第一丝杠螺母(36)，第一丝杠螺母(36)的端部竖直穿接由第二伺服电机(37)驱动的第一丝杠竖梁(38)，第一丝杠竖梁(38)的下端设置与限位槽(32)对应的点胶针头(31)。

6.根据权利要求5所述的异质键合成型装置，其特征在于：所述点胶针头(31)通过进给管(30)连接活塞室，活塞室的进胶端设置由压缩空气控制进胶的胶瓶，所述胶瓶连接用于排除空气的脱泡机构。

7.根据权利要求1所述的异质键合成型装置，其特征在于：所述定位盘(50)的至少一个边设置向底部收口的倾斜角度为55～65°的导入槽(52)。

8.根据权利要求1、2、5任一项所述的异质键合成型装置，其特征在于：所述上片机构(E)包括由位于支撑架(40)内的第二电机(41)驱动的一根竖直设置的第二丝杠(42)，第二丝杠(42)的上端通过第二轴承(43)连接在支撑架(40)上，支撑架(40)上方设置由若干第二固定柱(44)支撑的第二物料板(401)，第二物料板(401)上开设有若干对物料N进行定位的固定槽(402)，第二丝杠(42)上设置沿第二丝杠(42)上下滑动的第二滑块(45)，与第二滑块(45)固定连接的第二滑动板(46)上设置若干竖直的第二导轨(47)，第二导轨(47)的上端固定连接位于第二物料板(401)下方的推板(48)，推板(48)上设置若干对应固定槽(402)的推柱(49)。

9.根据权利要求1、2、5任一项所述的异质键合成型装置，其特征在于：所述工作台(A)设置为带有阶梯台的柜体(1)，柜体(1)内部设置电源，柜体的一侧设置电源接线孔(5)和带有散热风扇的散热孔(4)，低层的阶梯台上设置上板机构(B)，高层的阶梯台上顺次设置点胶机构(C)、键合机构(D)和上片机构(E)。