CN104549591A - 一种固定并连接带电极微流控芯片的通用型装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种固定并连接带电极微流控芯片的通用型装置。该装置采用硬质高分子聚合物夹板和螺丝将微流控芯片固定在基座上；采用导管，穿过硬质夹板的导管通孔，插入芯片的流体进出口，形成流体连接；通过焊接在PCB板上的弹簧探针，穿过硬质夹板的探针通孔，与芯片的电极焊盘接触，形成电连接；采用螺丝将PCB板固定在基座上。具有以下有益效果：1）该装置可同时固定微流控芯片和连接芯片电极，稳定性高、芯片不发生移动或脱落、可用于对准确度和精确度要求高的自动观测实验，芯片电极的连接无需焊接、可靠性高、易集成、可重复使用；2）该装置采用透明材料加工硬质夹板，且在基座和PCB板上镂空观测窗口，便于对芯片进行光学观察或检测。

Description

一种固定并连接带电极微流控芯片的通用型装置

技术领域

本发明提供了一种固定并连接带电极微流控芯片的通用型装置。属于微流控芯片领域。

技术背景

微流控技术（Microfluidics）是一个生物、化学、医学、物理、电子、材料、机械等多学科交叉的研究、应用领域。微流控芯片又称为芯片实验室（Lab-on-a-chip），是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、富集、分离、检测等基本操作单元集成到一块微纳米尺度的芯片上。微流控芯片以微通道为基本结构单元，以可控流体贯穿整个系统，且集成多种生物、化学、医学分析检测功能，实现常规设备的微型化和集成化。

用微流控芯片进行检测分析时，电学或光学手段是最为广泛的检测信号读取方法。特别地，对于电学方法来说，需利用微加工技术在微流控芯片上集成电极，用以施加激励信号或接收检测信号，从而实现在微流控芯片上电学检测方法的集成。在带电极微流控芯片的实际应用中，其固定装置及电极连接装置是实现流体稳定流动和电信号可靠传输的重要部件。但是，目前在微流控芯片的应用领域，多采用胶带或夹具将微流控芯片固定在载物台上，然后直接将导线焊接在微流控芯片的电极焊盘上。这样的简易装置，虽然成本低，但是1）在实验操作过程中很不稳定，容易由碰撞等因素引起流体的扰动，以及微流控芯片在载物台上的脱落、偏移、甚至翻倒；2）此类装置会在对微流控芯片上多个特定位置进行长期多时间点自动观测过程中发生位置偏移，从而造成结果的不精确与不准确。对于微流控芯片的电极连接装置，由于制造微流控芯片电极多采用纯金或纯铂材料，1）其与焊锡的焊接效果差，容易脱落；2）焊接时的高温易对电极特性、乃至加工微流控芯片所用的有机材料产生不可预测的影响；3）焊接微流控芯片电极不利于芯片在设备整体中的集成和替换。

发明内容

鉴于上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种固定并连接带电极微流控芯片的通用型装置，用于解决现有技术中固定微流控芯片的装置稳定性差、易偏移、无法应用到精确实验等问题；以及连接微流控芯片电极的装置不稳定、易脱落、难集成、且焊接工艺易损伤芯片加工材料等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供了一种固定并连接带电极微流控芯片的通用型装置。其特征在于，该通用型装置既能利用硬质高分子聚合物夹板将微流控芯片固定在基座上，以提供稳定的流体连接；又能通过PCB（印制电路板）板上的弹簧探针，穿过所述硬质高分子聚合物夹板的通孔，连接微流控芯片上的电极，无需焊接；同时将PCB板固定在所述基座上，保证电连接的可靠性。本发明采用的技术方案如下：

一种固定并连接带电极微流控芯片的通用型装置，包括基座、硬质高分子聚合物夹板、PCB板和弹簧探针。所述基座的中间位置加工有微流控芯片放置槽和观测窗口，所述基座的周边位置加工有若干紧固螺纹孔；所述硬质高分子聚合物夹板的中间位置加工有若干通孔，所述硬质高分子聚合物夹板的周边位置加工有若干通孔；所述PCB板的中间位置加工有观测窗口，所述PCB板的周边位置加工有若干通孔，所述PCB板上焊接有弹簧探针。使用时，将微流控芯片平放在所述基座的芯片放置槽上；接着将所述硬质高分子聚合物夹板平放在微流控芯片上，将所述夹板中间位置的相应通孔与微流控芯片上流体进出口对准，使用螺丝穿过所述夹板周边位置的部分通孔将其固定在所述基座的紧固螺纹孔上；然后将所述PCB板上的弹簧探针插过所述硬质高分子聚合物夹板中间位置的相应通孔，与微流控芯片上的电极焊盘接触，使用螺丝穿过所述PCB板周边位置的通孔和所述硬质高分子聚合物夹板周边位置的剩余通孔，将该PCB板固定在所述基座的紧固螺纹孔上；最后使用所述PCB板上的电路及接口实现外部电学检测设备和微流控芯片电极的连接，将流体导管穿过所述硬质高分子聚合物夹板中间位置的相应通孔与微流控芯片上的流体进出口连接，用于外部流体控制系统与微流控芯片的连接。

进一步地，所述的基座材料可以是金属、不锈钢、高分子聚合物等；所述基座的厚度可根据所用材料的机械强度等因素调整；所述基座的尺寸可根据该装置的应用场合加工；所述基座的芯片放置槽位于基座的中间位置，略大于微流控芯片的实际尺寸；所述基座的观测窗口加工在芯片放置槽的位置上，尺寸小于微流控芯片的尺寸，用于微流控芯片的光学观察或检测；所述基座周边位置的若干紧固螺纹孔是根据所述硬质高分子聚合物夹板和所述PCB板的相应通孔位置而定，用于固定所述硬质高分子聚合物夹板和PCB板。

进一步地，所述的硬质高分子聚合物夹板材料可以是PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）、PC（聚碳酸酯）等透明硬质塑料，提供了良好的光学通透性，便于光学观察或检测；所述硬质高分子聚合物夹板中间位置的若干通孔有两种功能，其中一部分通孔与微流控芯片的流体进出口相对应，通孔内径比芯片流体进出口口径略大，便于将导管穿过通孔插入流体进出口，另一部分通孔与微流控芯片电极的焊盘相对应，通孔内径比弹簧探针的外径略大，便于将弹簧探针穿过通孔与芯片电极的焊盘接触，形成电连接；所述硬质高分子聚合物夹板周边位置的若干通孔内径略大于所用螺丝外径，此类通孔中的一部分用于将此夹板固定在所述基座的紧固螺纹孔上，另一部分是在固定所述PCB板时，使螺丝穿过通孔，以将所述PCB板固定在所述基座的紧固螺纹孔上。

进一步地，所述PCB板的中间位置加工有镂空的观测窗口，该观测窗口的尺寸与基座的观测窗口尺寸一致，用于微流控芯片的光学观察或检测；所述PCB板的观测窗口周围焊接有弹簧探针，探针位置与微流控芯片电极焊盘的位置相对应，用于电连接微流控芯片的电极；所述PCB板周边位置的通孔用于将此PCB板固定在所述基座的紧固螺纹孔上；所述PCB板上印有功能电路及接口，用以实现外部电学检测设备和微流控芯片电极间的电信号传输。

本发明具有以下有益效果：1）该通用型装置可同时固定微流控芯片和连接芯片电极，芯片固定装置稳定性高、不发生移动或脱落、可用于对准确度和精确度要求高的自动观测实验，芯片电极的连接无需焊接、可靠性高、易集成、可重复使用；2）该通用型装置使用了透明的有机塑料夹板，且在基座和PCB板上加工了观测窗口，便于对微流控芯片进行光学观察或检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对方案描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，本领域技术人员可在不付出创造性劳动的前提下，根据这些附图获得其他的附图。

图1显示为本发明的固定并连接带电极微流控芯片的通用型装置的剖面结构示意图。其中，101为基座；102为微流控芯片；103为硬质高分子聚合物夹板；104为PCB板；105为弹簧探针；106为短螺丝，用于固定硬质高分子聚合物夹板103；107为长螺丝，用于固定PCB板104；108为流体导管，用于连接微流控芯片102与外部流体控制系统。

图2显示为本发明的通用型装置的基座101的俯视结构示意图及其A-A向的剖面结构示意图。其中，109为紧固螺纹孔；110为微流控芯片放置槽；111为基座观测窗口，此处镂空。

图3显示为本发明的通用型装置的微流控芯片102的俯视结构示意图及其B-B向的剖面结构示意图。其中，112为集成在微流控芯片上的电极焊盘；113为微流控芯片的流体进出口。

图4显示为本发明的通用型装置的硬质高分子聚合物夹板103的俯视结构示意图及其C-C向的剖面结构示意图。其中，114为螺丝通孔，供短螺丝106、长螺丝107穿过；115为探针通孔，供弹簧探针105穿过；116为导管通孔，供流体导管108穿过并插入微流控芯片的流体进出口113。

图5显示为本发明的通用型装置的PCB板104的俯视结构示意图及其D-D向的剖面结构示意图。其中，117为PCB板观测窗口，此处镂空；118为螺丝通孔，供长螺丝107穿过；119为PCB板上印制的电路及接口。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过其他不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的原理下进行各种修饰或改变。

请参阅图1~图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以例示方式说明本发明的基本原理、组件结构、工作过程及功效，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形成及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可改变，且其组件布局型态亦可更为复杂。

如图1~图5所示，本实施例提供一种固定并连接带电极微流控芯片的通用型装置，其基本组件包括基座101、微流控芯片102、硬质高分子聚合物夹板103、PCB板104、弹簧探针105、短螺丝106、长螺丝107、流体导管108。所述基座101的中间位置加工有微流控芯片放置槽110和基座观测窗口111，所述基座101的周边位置加工有12个紧固螺纹孔109；所述微流控芯片102带有电极及其焊盘112和流体进出口113；所述硬质高分子聚合物夹板103的中间位置加工有4个探针通孔115和2个导管通孔116，所述硬质高分子聚合物夹板103的周边位置加工有12个螺丝通孔；所述PCB板104的中间位置加工有观测窗口117，所述PCB板104的周边位置加工有4个螺丝通孔118，所述PCB板104上焊接有4个弹簧探针105，所述PCB板104上印有功能电路及接口119。

具体使用本实施例时，所述的固定并连接带电极微流控芯片的通用型装置至少包括以下使用步骤：

如图1~图4所示，首先进行步骤1，将微流控芯片102平放在所述基座101的芯片放置槽110上；接着将所述硬质高分子聚合物夹板103平放在微流控芯片102上，将所述夹板103中间位置的导管通孔116与微流控芯片的流体进出口113对准，使用8个短螺丝106穿过所述夹板103最外围的8个螺丝通孔114，并将其紧固在所述基座101的最外围8个紧固螺纹孔109上，从而实现微流控芯片102在所述基座101上的固定。

如图1、图5所示，接着进行步骤2，将所述PCB板104上的4个弹簧探针105穿过所述硬质高分子聚合物夹板103中间位置的4个探针通孔115，与微流控芯片102上的4个电极焊盘112接触，使用4个长螺丝107穿过所述PCB板104的4个螺丝通孔118和所述硬质高分子聚合物夹板103周边位置剩余的4个螺丝通孔114，并将其紧固在所述基座101的剩余4个紧固螺纹孔109上，从而在连接弹簧探针105与微流控芯片102的电极焊盘112时同时实现PCB板104在所述基座101上的固定。

如图1、图5所示，最后进行步骤3，使用所述PCB板104上印制的电路及接口119实现外部电学检测设备和微流控芯片102电极的连接，使用流体导管108穿过所述硬质高分子聚合物夹板103中间位置的导管通孔116且插入微流控芯片102上的流体进出口113实现外部流体控制系统与微流控芯片102的连接。

进一步地，所述基座101的加工材料可以是金属、不锈钢、高分子聚合物等；所述基座101的厚度可根据所用材料的机械强度等因素调整，若为金属材料，可适当减小基座厚度，若为高分子聚合物材料，应适当增加基座厚度；所述基座101的尺寸可根据该装置的应用场合加工。在本实施例中，采用金属铝来加工所述基座101，其几何尺寸为127.76mm×85.48mm×6mm（长×宽×厚），该基座的几何尺寸与生物工程中常用的96孔板尺寸相同，可直接镶嵌在显微镜的载物台上，无需额外适配装置。

进一步的，所述基座101的芯片放置槽110的具体位置可根据实际情况调整，无明确规定；芯片放置槽110的尺寸略大于微流控芯片102的实际尺寸，目的是为了给微流控芯片102在划片过程中产生的加工误差提供一定的容限。

进一步地，所述基座101的观测窗口111可根据是否需要对微流控芯片进行光学观察或检测来确定是否加工。在无需观测的情况下或用透明高分子聚合物材料制作基座的情况下，可不加工观测窗口111；在需观测的情况下，观测窗口111直接镂空在芯片放置槽110上，其尺寸可根据微流控芯片102上需观测的区域特制，但须小于微流控芯片102的实际尺寸，以提供一定宽度的芯片放置槽110。在本实施例中，在铝基座101上镂空出观测窗口111，以便用荧光倒置显微镜观测微流控芯片102。

进一步地，所述基座101的紧固螺纹孔109是根据所述硬质高分子聚合物夹板103和所述PCB板104的螺丝通孔位置而定，反之亦可，目的是为了固定所述夹板103和PCB板104；紧固螺纹孔109的尺寸根据实际所用螺丝106、107的尺寸来确定，同时也确定所述夹板103和PCB板104上螺丝通孔114、118的尺寸。在本实施例中，短螺丝106、长螺丝107皆采用M4规格。

进一步地，所述微流控芯片102是以硅或玻璃为衬底基材的PDMS芯片，流体进出口113直接制作在PDMS上，电极及其焊盘112由金、铂、ITO等材料制作。微流控芯片102的加工材料、结构、尺寸；电极及其焊盘112的型态、尺寸、数量、比例；PDMS微流体结构的型态、结构、尺寸；流体进出口113的位置、直径、数量等参数由具体实际应用确定。在本实施例中，微流控芯片102为一透明玻璃基PDMS芯片，用以光学观测，加工有4个铂电极及其焊盘112，其PDMS流体通道含有2个流体进出口113。

进一步地，所述硬质高分子聚合物夹板103的加工材料可以是PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）、PC（聚碳酸酯）等透明硬质塑料，以提供了良好的光学通透性，便于光学观察或检测；所述夹板103的尺寸根据实际应用确定。在本实施例中，所述硬质高分子聚合物夹板103采用PMMA制作而成，厚度为5mm。

进一步地，所述硬质高分子聚合物夹板103加工有三种功能的通孔，包括螺丝通孔114、探针通孔115、导管通孔116，这些通孔的数量、位置、内径皆由实际应用确定。在本实施例中，所述硬质高分子聚合物夹板103上加工有12个螺丝通孔114，其内径与所用M4螺丝相对应，其中最外围8个螺丝通孔114用于在所述基座101上固定所述硬质高分子聚合物夹板103和微流控芯片102；剩余4个螺丝通孔114用于固定所述PCB板104。在本实施例中，所述硬质高分子聚合物夹板103上加工有4个探针通孔115，目的是为了让弹簧探针105穿过探针通孔115，进而与微流控芯片102的电极焊盘112接触，形成电连接，探针通孔115的数量与电极焊盘112的数量相对应，其内径比弹簧探针115的外径略大。在本实施例中，所述硬质高分子聚合物夹板103上加工有2个导管通孔116，目的是为了让流体导管108穿过导管通孔116，进而插入微流控芯片102的流体进出口113中，形成流体连接，导管通孔116的数量与流体进出口113的数量相对应，其内径大于流体导管108的外径及流体进出口113的外径，从而为流体进出口113在加工过程中产生的位置及口径误差提供一定的对准容限。

进一步地，所述PCB板104的观测窗口117可根据是否需要对微流控芯片进行光学观察或检测来确定是否加工。在需观测的情况下，观测窗口117直接镂空在PCB板104上，其尺寸可根据微流控芯片102的电极焊盘112的位置和所述基座101的观测窗口111的位置及尺寸来确定。在本实施例中，所述PCB板104的观测窗口117与所述基座101的观测窗口111尺寸相等、位置相应。

进一步地，所述PCB板104的观测窗口117周围焊接有若干弹簧探针105，弹簧探针105的数量、位置与微流控芯片电极焊盘112相对应，目的是用于连接微流控芯片102的电极。在本实施例中，所述PCB板104焊接有4个弹簧探针105，分别与微流控芯片102的4个电极焊盘112接触，实现电连接。

进一步地，所述PCB板104的螺丝通孔118用于将此PCB板固定在所述基座101的紧固螺纹孔109上，这些通孔的数量、位置由实际应用确定，内径由所用螺丝117的型号确定。在本实施例中，所述PCB板104加工有4个螺丝通孔118，且与长螺丝117的型号M4相对应。

进一步地，所述PCB板104上印有功能电路及接口119，目的是实现外部电学检测设备和微流控芯片102电极间的电信号传输。具体的电路设计、功能、接口可根据实际应用确定。在本实施例中，所述PCB板104上印制的4组独立的导线及接口119与微流控芯片102的4个电极相对应。

综上所述，本发明提供了一种固定并连接带电极微流控芯片的通用型装置。具有以下有益效果：1）该通用型装置可同时固定微流控芯片和连接芯片电极，芯片固定装置稳定性高、不发生移动或脱落、可用于对准确度和精确度要求高的自动观测实验，芯片电极的连接无需焊接、可靠性高、易集成、可重复使用；2）该通用型装置使用了透明的有机塑料夹板，且在基座和PCB板上加工了观测窗口，便于对微流控芯片进行光学观察或检测。所以，本发明有效克服了现有技术中的缺点，且在微流控芯片产业中具有高度利用价值。

上述实施例仅例示性地说明了本发明的基本原理、组件结构、工作过程及功效，而非用于限制本发明的应用。任何熟练掌握该技术的人员皆可在不违背本发明的原理下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的原理与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种固定并连接带电极微流控芯片的通用型装置，其特征在于：包括基座101、硬质高分子聚合物夹板103、PCB板104和弹簧探针105；采用硬质高分子聚合物夹板103和紧固螺丝106将微流控芯片固定在基座101的芯片放置槽110上；采用流体导管108，穿过硬质高分子聚合物夹板103的导管通孔116，插入微流控芯片的流体进出口113，以提供稳定的流体连接；通过焊接在PCB板104上的弹簧探针105，穿过硬质高分子聚合物夹板103的探针通孔115，与微流控芯片的电极焊盘112接触，形成电连接，无需焊接；采用紧固螺丝107将PCB板104固定在基座101上，保证电连接的可靠性。

2.根据权利要求1所述的固定并连接带电极微流控芯片的通用型装置，其特征在于：所述基座101上加工有若干紧固螺纹孔109，用于固定所述硬质高分子聚合物夹板103和PCB板104时螺丝106、107的拧入；所述基座101上加工有微流控芯片放置槽110，用于放置微流控芯片；所述基座101上可加工镂空观测窗口111，用于微流控芯片的光学观察或检测实验。

3.根据权利要求1或2所述的固定并连接带电极微流控芯片的通用型装置，其特征在于：所述基座101可以是金属、不锈钢、高分子聚合物等材料加工而成。

4.根据权利要求1所述的固定并连接带电极微流控芯片的通用型装置，其特征在于：所述硬质高分子聚合物夹板103上加工有若干通孔并按照用途分为三类，其一为螺丝通孔114，其在使用所述硬质高分子聚合物夹板103固定微流控芯片和固定PCB板104时，用于螺丝106、107的贯穿；其二为探针通孔115，其在连接微流控芯片电极时，用于弹簧探针105的贯穿和位置辅助固化；其三为导管通孔116，其在连接微流控芯片的流体进出口113时，用于流体导管108的贯穿与位置辅助固化。

5.根据权利要求1或4所述的固定并连接带电极微流控芯片的通用型装置，其特征在于：所述硬质高分子聚合物夹板103可采用聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚碳酸酯PC等透明硬质塑料加工而成。

6.根据权利要求1所述的固定并连接带电极微流控芯片的通用型装置，其特征在于：所述PCB板104焊接有若干弹簧探针105，用于与微流控芯片电极的电连接；所述PCB板104加工有若干螺丝通孔118，其在固定PCB板104时，用于螺丝107的贯穿；所述PCB板104可加工镂空观测窗口117，用于微流控芯片的光学观察或检测实验。

7.根据权利要求1所述的固定并连接带电极微流控芯片的通用型装置，其特征在于：外部流体控制系统与微流控芯片的连接是采用流体导管108贯穿所述硬质高分子聚合物夹板103上的导管通孔116后直接插入流体进出口113实现的；外部电学检测设备与微流控芯片电极的连接是采用所述PCB板104及其印制的电路及接口119实现的。

8.根据权利要求1所述的固定并连接带电极微流控芯片的通用型装置，其特征在于：所述基座101上的紧固螺纹孔109、芯片放置槽110、观测窗口111，所述硬质高分子聚合物夹板103上的螺丝通孔114、探针通孔115、导管通孔116，PCB板104上的观测窗口117、螺丝通孔118、功能电路及接口119、焊接的弹簧探针105，以上所有部件的数量、几何尺寸、位置等参数皆可根据微流控芯片及其实际应用进行设计加工；对于同一类型的微流控芯片，该通用型装置可重复使用；在无需连接微流控芯片电极时，该装置可仅用所述基座101和硬质高分子聚合物夹板103来固定微流控芯片。