CN103630526B

CN103630526B - 一种规模化制造表面增强拉曼芯片的设备及利用该设备制造表面增强拉曼芯片的方法

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Publication number: CN103630526B
Application number: CN201310669270.7A
Authority: CN
Inventors: 张炜; 陈昭明; 谢婉谊; 杜春雷; 黄昱; 张华�; 方绍熙; 汤冬云; 何石轩; 吴鹏
Original assignee: Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of CAS
Current assignee: Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of CAS
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2015-11-18
Anticipated expiration: 2033-12-10
Also published as: CN103630526A

Abstract

本发明公开了一种规模化制造表面增强拉曼芯片的设备及利用该设备制造表面增强拉曼芯片的方法，包括动力传送系统、压印室、镀膜室和控制系统；原材料在控制系统的控制下经动力传送系统传送，依次经压印室压印和镀膜室镀膜后得到表面增强拉曼芯片；所述镀膜室包括串接的镀膜室A和镀膜室B，原材料依次通过镀膜室A和镀膜室B完成镀膜；所述压印室、镀膜室A和镀膜室B串接，串接处对空气密封。本发明制造表面增强拉曼芯片的方法，首先将原材料送入压印室压印，然后将原材料剪裁成片段，接着将片段依次送入镀膜室A、B进行镀膜，最后输出即得产品。本发明可实现表面增强拉曼芯片的规模化制造，所制造的表面增强拉曼芯片质量稳定，重复性好。

Description

一种规模化制造表面增强拉曼芯片的设备及利用该设备制造表面增强拉曼芯片的方法

技术领域

本发明属于专门制造拉曼芯片的设备领域，涉及一种规模化制造表面增强拉曼芯片的设备，本发明还涉及一种利用该设备制造表面增强拉曼芯片的方法。

背景技术

光线照射在物体上时会与物质分子发生相互作用，一部分入射光产生弹性散射（瑞利散射），另一部分产生非弹性散射—即拉曼散射。拉曼散射光谱与物质分子的振动和转动能级有关，能很好的反映物质的分子组成和结构形态，是特征指纹光谱，常用来分析物质结构。

普通拉曼散射的光谱信号强度非常弱，通常比入射光强度低几个数量级，因此灵敏度低。为解决上述问题，通常考虑通过特定的技术手段增强拉曼散射光谱强度，现有技术中常采用Au、Ag等金属纳米材料制备表面增强拉曼散射（SERS）活性基底材料，以增强基底金属表面局域电场耦合或诱导吸附分子的电荷转移，从而提高待测物质的拉曼响应信号。现有技术中普遍采用物理光刻或化学合成的方法制备具有表面增强拉曼活性的粗糙表面；但是，物理光刻法存在着操作复杂、加工周期长、成本高等缺陷；化学合成法则主要用于实验室，其重复性差并且缺乏规模化生产设备，难以实现批量制造，无法满足市场需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种规模化制造表面增强拉曼芯片的设备，该设备可以提高表面增强拉曼芯片的制造效率，实现规模化制造。为达到上述目的，本发明提供一种规模化制造表面增强拉曼芯片的设备，包括动力传送系统、压印室、镀膜室和控制系统；原材料在控制系统的控制下经动力传送系统传送，依次经压印室压印和镀膜室镀膜后得到表面增强拉曼芯片。

进一步，所述镀膜室包括串接的镀膜室A和镀膜室B，所述压印室、镀膜室A和镀膜室B串接，串接处对空气密封。

进一步，还包括剪裁机构，所述裁剪机构位于压印室和镀膜室A之间。

进一步，所述压印室设有压印机构、真空度传感器和连通压印室内外的真空泵。

进一步，所述压印机构为间歇式压印机构，该压印机构从上到下依次设有动力源、活动模、压印头、导杆、固定模和底座；所述固定模固定在底座上；所述活动模与动力源固定连接，所述压印头固定连接在活动模下部，活动模在动力源的作用下带动压印头沿着导杆上下运动，完成对原材料的压印。

进一步，所述压印机构上还设有压力传感器以及温度调控系统，所述温度调控系统包括加热器、冷却器和温度传感器，控制系统通过温度传感器的信号调节加热器和冷却器的工作状态。

进一步，所述的压印头采用镍合金或镍钴合金制成，其工作表面设有微结构。

进一步，所述压印机构为连续式压印机构，包括相互配合使用的活动压印轮和固定压印轮，该活动压印轮和固定压印轮之间的间距可调，所述原材料通过活动压印轮和固定压印轮完成压印。

进一步，所述压印机构前部设有加热器，后部设有冷却器；原材料经加热器加热后进入压印机构压印，之后由冷却器进行冷却。

进一步，所述的活动压印轮采用镍合金或镍钴合金制成，其工作表面设有微结构。

进一步，所述微结构是金字塔形、倒金字塔形、锥形、柱形或球形阵列结构，或者是带有金字塔形、倒金字塔形、锥形、柱形或球形微结构阵列的微流道。

进一步，所述阵列结构尺寸为0.5～100μm，阵列周期为0.5～100μm，所述微流道的宽度为10～500μm，深度为10～500μm。

本发明利用所述设备制造表面增强拉曼芯片的方法，包括以下步骤：

1）选取原材料；

2）压印：通过传动装置将步骤1）所选原材料送入压印室，用压印室的压印机构（3）压印原材料（2）；

3）剪切：用裁剪机构将步骤2）压印后的原材料剪成片段；

4）镀膜：将步骤3）剪裁所得片段输送到镀膜室A中进行一次镀膜，镀膜后的原材料片段输送到镀膜室B进行二次镀膜；

5）通过输出传送带输出步骤4）所得产品。

进一步，所述步骤4）所镀金属膜是Au、Ag、Pt或Cu膜，所述一次镀膜厚度为100～500nm，二次镀膜厚度为5～100nm。

本发明的有益效果在于：本发明规模化制造表面增强拉曼芯片的设备结合了热压印技术和金属镀膜技术，可实现表面增强拉曼芯片的规模化制造，提高生产效率，降低生产成本；另外，本发明规模化制造表面增强拉曼芯片的设备还具有结构紧凑、占地面积小等优点。本发明制造表面增强拉曼芯片的方法可以连续生产拉曼芯片，所获得的拉曼芯片质量高、重复性好，将推动表面增强拉曼芯片的产业化及在各领域的应用。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的间歇式压印机构结构示意图；

图3为本发明的连续式压印机构结构示意图。

其中：1.传动装置；2.原材料；3.压印机构；301.固定模；302.导杆；303.活动模；304.动力源；305.压印头；306.加热器；307.温度传感器；308.压力传感器；309.冷却器；310.底座；311.加热板；312.活动压印轮；313.冷却板；314.固定压印轮；315.温度和压力传感器；4.真空泵；5.真空度传感器；6.裁剪机构；7.镀膜机构A；8.镀膜腔A；9.镀膜机构B；10.镀膜腔B；11.控制系统；12.镀膜后的芯片成品；13.输出传送带；14.镀膜室B；15中转传送带B；16.镀膜室A；17.中转传送带A；18.压印室；19.镀膜室；V表示运动方向。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例1：

如图1所示，本实施例的规模化制造表面增强拉曼芯片的设备，包括动力传送系统、压印室18、镀膜室19和控制系统11；原材料2在控制系统11的控制下经动力传送系统传送，依次经压印室18压印和镀膜室19镀膜后得到表面增强拉曼芯片。

作为本实施例的改进，所述镀膜室19包括串接的镀膜室A16和镀膜室B14，所述压印室18、镀膜室A16和镀膜室B14串接，串接处对空气密封。

作为本实施例的改进，所述镀膜室A16内设有镀膜机构A7，该镀膜腔内部设置有镀膜腔A8，所述镀膜室B14内设有镀膜机构A9，该镀膜腔内部设置有镀膜腔A10，原材料2依次通过镀膜室A16和镀膜室B14完成镀膜。

作为本实施例的改进，还包括裁剪机构6，所述剪裁机构6位于压印室18和镀膜室A16之间。

作为本实施例的改进，所述压印室18设有压印机构3、真空度传感器5和连通压印室18内外的真空泵4。

作为本实施例的改进，所述压印机构3为间歇式压印机构，该压印机构从上到下依次设有动力源304、活动模303、压印头305、导杆302、固定模301和底座310；所述固定模301固定在底座310上；所述活动模303与动力源304固定连接，所述压印头305固定连接在活动模308下部。工作时，基底材料2被放置在固定模301上，固定模上设置有装夹具，把基底材料2精确地装夹在进行压印的位置上，活动模303在动力源304的作用下带动压印头305沿着导杆302上下运动，完成对原材料2的压印。

作为本实施例的改进，所述压印机构3上还设有压力传感器308以及温度调控系统，所述温度调控系统包括加热器306、冷却器309和温度传感器307，控制系统11通过温度传感器307的信号调节加热器306和冷却器309的工作状态。

作为本实施例的改进，所述加热器306为薄膜加热片。

作为本实施例的改进，所述冷却器309为S型管路结构。

作为本实施例的改进，所述的压印头305采用镍合金材料制成。

作为本实施例的改进，所述压印头305工作表面设有金字塔形的微结构阵列。

作为本实施例的改进，所述阵列结构尺寸为2μm，阵列周期为1.5μm。

本实施例制造表面增强拉曼芯片的方法，包括以下步骤：

1）选取原材料2；

2）压印：通过传动装置1将步骤1）所选原材料2送入压印室18，用压印室18的压印机构3压印原材料2；

3）剪切：用裁剪机构6将步骤2）压印后的原材料剪成片段；

4）镀膜：将步骤3）剪裁所得片段输送到镀膜室A16中进行一次镀膜，镀膜后的原材料片段输送到镀膜室B14进行二次镀膜；

5）通过输出传送带13输出步骤4）所得产品即得镀膜后的芯片成品12。

作为本实施例的改进，所述步骤1）所选原材料为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。

作为本实施例的改进，所述步骤1）所选原材料厚度为1mm。

作为本实施例的改进，所述步骤4）一次镀膜所镀的Au膜厚度为200nm，二次镀膜所镀的Ag膜厚度为10nm。

实施例2：

作为本实施例的改进，所述压印机构3为连续式压印机构，压印机构3包括相互配合使用的活动压印轮312和固定压印轮314，压印时可以通过控制系统11调节活动压印轮312与固定压印轮314之间的间距，从而控制芯片压印时的压力和深度，所述原材料2通过活动压印轮312和固定压印轮314之间的缝隙时完成压印。

作为本实施例的改进，所述活动压印轮312采用镍钴合金制成，其工作表面设有微结构。

作为本实施例的改进，所述微结构是带有柱形阵列结构的微流道。

作为本实施例的改进，所述阵列结构尺寸为1.5μm，阵列周期为1μm，所述微流道的宽度为100μm，深度为80μm。

作为本实施例的改进，所述压印机构3前部设有加热板311，所述的加热板311分为上加热板和下加热板两块，采用热电加热片，基底材料2从加热板311中穿过，使其受热均匀。所述压印机构3后部设有冷却板313；原材料2经加热板311加热后进入压印机构3压印，之后由冷却板313进行冷却。

作为本实施例的改进，所述固定压印轮314上设有温度和压力传感器315，实时监测压印过程中的温度和压力变化状态。

作为本实施例的进一步改进，所述动力传送系统包括传动装置1、中转传送带A17、中转传送带B15和输出传送带13。

本实施例制备表面增强拉曼芯片的方法，包括以下步骤：

1）选取原材料：本实施例的原材料2是带状的PMMA，其厚度为2mm。

2）压印：通过传动装置1将步骤1）所选原材料2送入压印室18中，通过压印室18的压印机构3中完成对原材料2压印；为得到更好的压印效果，本步骤中通过控制系统11调整原材料2进入压印室18的速度、压印机构3的压印频次和压印时的温度。为了进一步提高压印质量，本实施例压印在真空条件下进行。

3）剪切：通过裁剪机构6将步骤2）压印后的原材料带剪裁成符合规定的片段。

4）镀膜：通过中转传送带A17将步骤3）剪裁所得片段输送到镀膜室A16中进行一次镀膜，镀金膜后的原材料片段输送到镀膜室B14进行二次镀膜。

5）通过输出传送带13输出步骤4）所得产品即得到镀膜后的芯片成品12。

作为本实施例的改进，所述步骤4）一次镀膜所镀的Au膜厚度为300nm，二次镀膜所镀的Ag膜厚度为20nm。

作为本实施例制备表面增强拉曼芯片的方法的改进，选取原材料后还包括对原材料干燥除水步骤。

需要说明的是，以上实施例利用所述设备制造表面增强拉曼芯片时，所加工的微结构可以是金字塔形、倒金字塔形、锥形、柱形或球形阵列结构中的任意一种或多种，也可以是带有金字塔形、倒金字塔形、锥形、柱形或球形微结构阵列的微流道。所选原材料还可以是玻璃、PVC软玻璃或聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）中的任意一种。

需要说明的是，在以上实施例中，操作者可以通过控制系统11设置热压印和镀膜过程的工艺参数，并通过控制系统11随时掌握工艺过程中芯片的形貌以及工艺过程中的温度、压力和时间等参数；采用本发明设备制造表面增强拉曼芯片时所镀的膜可以是Au、Ag、Pt或Cu膜。

本发明规模化制造表面增强拉曼芯片的设备结合了热压印技术和金属镀膜技术，可实现表面增强拉曼芯片的规模化制造，提高生产效率，降低生产成本；另外，本发明规模化制造表面增强拉曼芯片的设备还具有结构紧凑、占地面积小等优点。本发明制造表面增强拉曼芯片的方法可以连续生产拉曼芯片，所获得的拉曼芯片质量高、重复性好，将推动表面增强拉曼芯片的产业化及在各领域的应用。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种规模化制造表面增强拉曼芯片的设备，其特征在于：包括动力传送系统、压印室(18)、镀膜室(19)和控制系统(11)；原材料(2)在控制系统(11)的控制下经动力传送系统传送，依次经压印室(18)压印和镀膜室(19)镀膜后得到表面增强拉曼芯片；

所述镀膜室(19)包括串接的镀膜室A(16)和镀膜室B(14)，所述压印室(18)、镀膜室A(16)和镀膜室B(14)串接，串接处对空气密封；

还包括裁剪机构(6)，所述裁剪机构(6)位于压印室(18)和镀膜室A(16)之间；

所述压印室(18)设有压印机构(3)、真空度传感器(5)和连通压印室(18)内外的真空泵(4)；

所述压印机构(3)为间歇式压印机构，该压印机构从上到下依次设有动力源(304)、活动模(303)、压印头(305)、导杆(302)、固定模(301)和底座(310)；所述固定模(301)固定在底座(310)上；所述活动模(303)与动力源(304)固定连接，所述压印头(305)固定连接在活动模(303)下部，活动模(303)在动力源(304)的作用下带动压印头(305)沿着导杆(302)上下运动，完成对原材料(2)的压印。

2.根据权利要求1所述规模化制造表面增强拉曼芯片的设备，其特征在于：所述压印机构(3)上还设有压力传感器(308)以及温度调控系统，所述温度调控系统包括加热器(306)、冷却器(309)和温度传感器(307)，控制系统(11)通过温度传感器(307)的信号调节加热器(306)和冷却器(309)的工作状态。

3.根据权利要求2所述规模化制造表面增强拉曼芯片的设备，其特征在于：所述的压印头(305)采用镍合金或镍钴合金制成，其工作表面设有微结构。

4.根据权利要求3所述规模化制造表面增强拉曼芯片的设备，其特征在于：所述压印机构(3)为连续式压印机构，包括相互配合使用的活动压印轮(312)和固定压印轮(314)，该活动压印轮(312)和固定压印轮(314)之间的间距可调，所述原材料(2)通过活动压印轮(312)和固定压印轮(314)完成压印。

5.根据权利要求4所述规模化制造表面增强拉曼芯片的设备，其特征在于：所述压印机构(3)前部设有加热板(311)，后部设有冷却板(313)；原材料(2)经加热板(311)加热后进入压印机构(3)压印，之后由冷却板(313)进行冷却。

6.根据权利要求5所述规模化制造表面增强拉曼芯片的设备，其特征在于：所述的活动压印轮(312)采用镍合金或镍钴合金制成，其工作表面设有微结构。

7.根据权利要求6所述规模化制造表面增强拉曼芯片的设备，其特征在于：所述微结构是金字塔形、倒金字塔形、锥形、柱形或球形阵列结构，或者是带有金字塔形、倒金字塔形、锥形、柱形或球形微结构阵列的微流道。

8.根据权利要求7所述规模化制造表面增强拉曼芯片的设备，其特征在于：所述阵列结构尺寸为0.5～100μm，阵列周期为0.5～100μm，所述微流道的宽度为10～500μm，深度为10～500μm。