CN103474360B - 微流控芯片合片机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微流控芯片合片机，包括底座、固化装置、定位盘、真空加压装置、控制机构；所述固化装置安装在底座顶部的槽孔内，固化装置包括固定在槽孔内底上的紫外线固化灯，紫外线固化灯上方的槽孔侧壁之间设置自动门；所述定位盘固定在底座顶部，定位盘包括安装与槽孔尺寸对应的盘面，盘面的四周设置内侧带有真空吸附孔的边舱，边舱的边角处设置由气缸控制的水平运动隔离用的挡片；所述真空加压装置设置在定位盘的正上方，真空加压装置包括由伺服电机A带动的与槽孔顶部外沿配合的外接真空泵的真空室，真空室内设置由伺服电机B驱动的与边舱内侧的盘面对应的真空腔。本发明具有自动化程度高、效率高、成本低、键合后无气泡、键合强度高的优点。

Description

微流控芯片合片机

技术领域

本发明涉及一种制作微流控芯片的机械设备，具体的说是一种用于微流体芯片中大面积硬质材质合片工艺的机械装置。

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。

在实际生产中，大面积硬质材质的双板键合(也称合片工艺)是制造中难度很大的一道工艺，要求键合后无气泡、键合强度高。但是由于合片的双板(即基板和盖板)面积大、材质硬，常规的合片工艺不是合片前没有充分除泡，盖板和基板之间存留气泡，就是因为合片时压力不当或者键合胶凝固不好造成键合强度差，不能使盖板和基板完全粘合。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种键合后无气泡、键合强度高的微流控芯片合片机。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

微流控芯片合片机，包括底座、固化装置、定位盘、真空加压装置、控制机构，

所述固化装置安装在底座顶部的槽孔内，固化装置包括固定在槽孔内底上的紫外线固化灯，紫外线固化灯上方的槽孔侧壁之间设置受控于控制机构进行开合动作的自动门，

所述定位盘固定在底座顶部，定位盘包括安装在槽孔顶部外沿上的与槽孔尺寸对应的盘面，盘面的四周设置内侧带有真空吸附孔的边舱，边舱的边角处设置由气缸控制的水平运动伸入相应盘面边角的用于隔离的挡片，

所述真空加压装置设置在定位盘的正上方，真空加压装置包括由伺服电机A通过丝杠螺母副带动的与槽孔顶部外沿配合的外接真空泵的真空室，真空室内设置由伺服电机B驱动的与边舱内侧的盘面对应的外接抽真空装置的真空腔，真空腔的下表面设置真空吸附小孔。

本发明的进一步改进在于：所述定位盘其中两个对角处设置挡片，气缸固定在边舱外侧，气缸的运动杆连接挡片，挡片包括两个互相垂直连接为一体的钢片，边舱上开设供挡片运动的长槽。

本发明的进一步改进在于：所述定位盘的盘面采用透明的钢化玻璃制作。

本发明的进一步改进在于：所述定位盘的边舱的内侧壁设置向上向外展开的40°～60°的导向角。

本发明的进一步改进在于：所述槽孔的内底上设置反光罩。

本发明的进一步改进在于：所述底座外侧设置受控于控制机构的感应门。

本发明的进一步改进在于：所述底座下部设置散热风扇。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明采用真空加压装置，通过设计嵌套形式的真空室，对需要合片的基板和盖板分别抽真空，并进行加压操作，完成键合前的除泡工作，去除基板和盖板键合过程中所产生的气泡，令键合胶分布更均匀，优化键合效果，然后经过固化装置的特殊波长光照射，使基板和盖板之间的键合胶快速凝固，达到完全粘合的目的。采用全自动机械设备操作，键合后，芯片基本成型，基板和盖板之间无气泡，固化光泽好，键合强度高，操作人员可直接接触芯片而不会产生二次污染，键合的效率高，不合格率低，有效降低了劳动成本，节约生产时间。

本发明使用紫外线固化灯(UV固化灯)对键合胶进行特殊波长光照射，使键合胶吸收高强度特征光线后，产生活性自由基，从而引发聚合、交联和接枝反应，在规定的时间内由液态转化为固态，达到稳固粘合基板和盖板的目的，最终完成双板的合片。底座的槽孔内底设置反光罩，增强UV固化灯的固化效果，槽孔上方设置自动门，根据需要控制UV固化灯的光线。

本发明的定位盘的盘面采用透明的钢化玻璃制作，便于吸收UV固化灯的光线，定位盘的边舱设置导向角，实现基板和盖板的高精度定位。定位盘的边角设置挡片用于初始状态盖板和基板的有效分隔，分别吸附后进行加压操作。

本发明的微流控芯片合片机外侧设置感应门，整个合片工艺在高及精度的空气的环境中进行，避免带来不必要的污染。

本发明具有自动化程度高、效率高、成本低、键合后无气泡、键合强度高的优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明定位盘上的挡片部分的结构示意图；

图3是本发明真空加压装置的结构示意图。

其中，1、底座，2、散热风扇，3、紫外线固化灯，4、反光罩，5、自动门，6、盘面，7、边舱，8、气缸，9、真空室，10、挡片，11、真空吸附孔，20、伺服电机A，21、丝杠螺母副，22、伺服电机B，23、钢板，24、真空吸附小孔。

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：

微流控芯片合片机，如图1所示，包括底座1、固化装置、定位盘、真空加压装置、控制机构。

所述底座1为如图1所示的柜体结构。底座1的顶部中心位置开设方形的槽孔，槽孔的尺寸略大于或等于所需要进行合片的基板和盖板的尺寸。底座1下部设置散热风扇2，用于对槽孔内的固化装置散热。底座1的外侧设置感应门，用于为合片工艺提供有效清洁的环境。

所述固化装置设置在槽孔内。槽孔内底安装有若干UV固化灯3，用于对键合胶进行高强度的特征光线照射。UV固化灯3下面的槽底还设置波浪形的用于增强光线的反光罩4。槽孔中部的相对的两侧壁之间设置一对自动门5，自动门5位于UV固化灯的上方。自动门5受控制机构的信号控制，在水平方向开启和关闭，用于封住和打开UV固化灯3。

所述定位盘固定在底座1顶部，如图1所示，底座顶部设置有伸出槽孔顶部的外沿，定位盘固定在外沿上。定位盘包括盘面6、设置在盘面四周的边舱7。所述盘面6采用透明的钢化玻璃制作，盘面6的四周设置边舱7，边舱7与盘面6构成封闭的腔体，在边舱7的内侧开设真空吸附孔11。边舱内侧面的盘面尺寸与基板尺寸对应，保证合片精度。

如图2所示，边舱7的两个对角处设置由气缸8控制的挡片10。该挡片主要用于初始状态时，基板放置在盘面上，挡片伸出基板上方，盖板对应基板放置但是由挡片隔离，在两者均位于真空环境时，可以各自分离。所述气缸8安装在边舱7的外侧，边舱7上开设连通到边舱内侧的盘面上的长槽，挡片安装在气缸8的运动杆上，并伸入长槽内。所述挡片10由两个互相垂直连接为一体的钢片组成，钢片设置的位置与盘面的边角处对应，长槽的位置也相应的设置在边舱的边角处。所述定位盘的边舱的内侧壁设置向上向外展开的导向角，导向角的角度控制在40°～60°，优选60°。该导向角将引导盖板和基板准确的滑落到盘面，定位准确，提高粘合的位置精度。

所述真空加压装置设置在定位盘的正上方，如图3所示，真空加压装置包括真空室9，真空室9由伺服电机A20通过丝杠螺母副带动，真空室9的下端与槽孔顶部外沿配合。真空室9受伺服电机A20驱动向下运动，与底座槽孔顶部的外沿紧密接触，边舱7、盘面6、气缸8进入两者对接形成的密闭空间，真空室9外接真空泵，便可以对此密闭空间抽真空。真空室9内还设置由伺服电机B22驱动的钢板23。钢板23通过丝杠螺母与伺服电机B22连接的。钢板23与边舱内侧的盘面对应，钢板23的下面连通真空腔，真空腔对着盘面的一面的边缘位置开设真空吸附小孔24。所述真空腔外接真空吸附装置。钢板、真空腔与盖板接触构成封闭的腔体，用于抽真空后吸附盖板。

本发明的工作流程为：

1.定位：

借助吊装机器人将预涂键合胶的基板吊装至感应门，控制机构发出信号，打开感应门，吊装机器人将基板吊装至定位盘正上方，下降一段距离释放基板，基板落入定位盘。

吊装机器人复位，同时气缸推动挡片伸入盘面内基板的上方。

吊装机器人吸附盖板，将盖板吊装至定位盘正上方，下降一段距离释放盖板，盖板通过挡片与基板保持一定距离。

2.真空脱泡

伺服电机A工作带动丝杠螺母副转动，使丝杠螺母副带动真空室向下运动，运动到底座槽孔的外沿后停止运动，真空室与底座构成密闭空间。

此时伺服电机B工作带动丝杠螺母转动，使丝杠螺母带动钢板向下运动，当钢板运动到盖板上后停止运动，钢板、真空腔和盖板构成密闭空间。真空室外接的真空泵以及真空腔外接的抽真空装置同时工作，开始抽真空，使盖板吸附在钢板上面，延时一定时间后，气缸控制挡片退回边舱内。

此步骤，在双板结合前利用抽真空完成双板键合前的最后除泡工作。

3.加压

开启伺服电机B，钢板向下运动，钢板对盖板和基板加压，达到一定的压力后，停止加压。

此步骤，对芯片原板施加一定的压力，去除基板和盖板中的气泡，同时令键合胶分布更均匀，优化键合效果。

4.固化

自动门接受控制机构的信号后打开，UV固化灯开启，对基板和盖板进行高强度特征光线照射进行固化。固化完成延时一定时间后，自动门关闭，真空泵及真空腔外接的抽真空装置停止抽真空。开启伺服电机B，控制钢板向上运动。

感应门打开，吊装机器人吸附键合后的芯片到指定位置。

5.重复1～4步骤的合片工艺流程。

Claims (7)

1.微流控芯片合片机，其特征在于：包括底座(1)、固化装置、定位盘、真空加压装置、控制机构，

所述固化装置安装在底座(1)顶部的槽孔内，固化装置包括固定在槽孔内底上的紫外线固化灯(3)，紫外线固化灯(3)上方的槽孔侧壁之间设置受控于控制机构进行开合动作的自动门(5)，

所述定位盘固定在底座(1)顶部，定位盘包括安装在槽孔顶部外沿上的与槽孔尺寸对应的盘面(6)，盘面(6)的四周设置内侧带有真空吸附孔(11)的边舱(7)，边舱(7)的边角处设置由气缸(8)控制的水平运动伸入相应盘面边角的用于隔离的挡片(10)，

所述真空加压装置设置在定位盘的正上方，真空加压装置包括由伺服电机A(20)通过丝杠螺母副(21)带动的与槽孔顶部外沿配合的外接真空泵的真空室(9)，真空室(9)内设置由伺服电机B(22)驱动的与边舱内侧的盘面(6)对应的外接抽真空装置的真空腔，真空腔的下表面设置真空吸附小孔(24)。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片合片机，其特征在于：所述定位盘其中两个对角处设置挡片(10)，气缸(8)固定在边舱(7)外侧，气缸(8)的运动杆连接挡片(10)，挡片(10)包括两个互相垂直连接为一体的钢片，边舱(7)上开设供挡片运动的长槽。

3.根据权利要求2所述的微流控芯片合片机，其特征在于：所述定位盘的盘面(6)采用透明的钢化玻璃制作。

4.根据权利要求1～3任一项所述的微流控芯片合片机，其特征在于：所述定位盘的边舱(7)的内侧壁设置向上向外展开的40°～60°的导向角。

5.根据权利要求1～3任一项所述的微流控芯片合片机，其特征在于：所述槽孔的内底上设置反光罩(4)。

6.根据权利要求1～3任一项所述的微流控芯片合片机，其特征在于：所述底座(1)外侧设置受控于控制机构的感应门。

7.根据权利要求1～3任一项所述的微流控芯片合片机，其特征在于：所述底座(1)下部设置散热风扇(2)。