CN104552679A - 模具模芯的制备方法、模具模芯及生物芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及一种模具模芯的制备方法、模具模芯及生物芯片，包括：对涂胶玻璃板依次进行光刻、显影、去胶、溅射和电铸，得到具有多个生物芯片的微纳米流道结构的母盘；对母盘进行线切割，得到单个生物芯片的电铸模切割块，电铸模切割块包括一个微纳米流道结构；对第二基板依次进行机械加工、电火花加工和线切割，制得电铸模切割块的第一固定板；对第三基板依次进行机械加工、电火花加工和线切割，制得电铸模切割块的第二固定板；对第一固定板、电铸模切割块和第二固定板进行组合，形成组合件；通过紧固件将组合件固定在模具底板上，得到模具模芯。由此，可提高模具的制造效率及模具型腔的精度，实现一般机械加工无法实现的模具的微纳米结构。
Description
技术领域
本发明涉及注塑模具领域，尤其涉及一种模具模芯的制备方法、模具模芯及生物芯片。
背景技术
在生物芯片的生产过程中，需要利用模具注塑成型，由于不同用途生物芯片结构不同，就需要大量的不同用途生物芯片的模具模芯，因此模具模芯的制作成本对于整个生产成本而言有很大的影响力。此外，如若能实现模具型腔内的微纳米结构，制造聚合物材质的生物芯片，那么较其他材质的生物芯片的成本会大大下降，由此，可推动生物芯片的产业化发展，使更多品种的生物芯片产品为大众健康服务。
现有技术中，使用机械加工工艺方法，制作出注塑模芯，把注塑模芯装配到机密注塑机模具上，注塑出带沟道的生物芯片。然而，由于通过上述机械加工的工艺方法制作出的注塑模芯的表面精度很难达到微纳米级，这影响了制造的生物芯片的技术使用与推广，进而影响了生物芯片的应用。
发明内容
本发明实施例提供了一种模具模芯的制备方法、模具模芯及生物芯片，可以提高模具的制造效率及模具型腔的精度，并且可以有效节约生产成本。
第一方面，提供了一种模具模芯的制备方法，该方法包括：
对涂胶玻璃板依次进行光刻、显影、去胶、溅射和电铸，得到具有多个生物芯片的微纳米流道结构的母盘；
对所述母盘进行线切割，得到单个生物芯片的电铸模切割块，所述电铸模切割块包括一个微纳米流道结构；
对第二基板依次进行机械加工、电火花加工和线切割，制得所述电铸模切割块的第一固定板；对第三基板依次进行机械加工、电火花加工和线切割，制得所述电铸模切割块的第二固定板；
对所述第一固定板、所述电铸模切割块和所述第二固定板进行组合，形成组合件；
通过紧固件将所述组合件固定在模具底板上，得到所述模具模芯；
其中，所述模具模芯用于制造生物芯片基片和生物芯片盖片。
结合第一方面，在第一方面的第一种实现方式中，所述第一固定板包括第一凸台和第二凸台，其中，所述第二凸台的高度比第一凸台的高度高出第一设定值；
相应的，所述第二固定板包括第一固定孔和第二固定孔。
结合第一方面的第一种实现方式，在第一方面的第二种实现方式中，所述对所述第一固定板、所述电铸模切割块和所述第二固定板进行组合，形成组合件具体为：
将所述电铸模切割块放置在所述第一固定板的第一凸台上；
将放置所述电铸模切割块后的第一凸台插接在所述第一固定孔中，并将所述第二凸台插接在所述第二固定孔中，使得所述电铸模切割块与所述第二固定板之间形成所述生物芯片基片的第一型腔，并使得所述第二凸台与所述第二固定板之间形成所述生物芯片盖片的第二型腔。
结合第一方面或第一方面的第一种实现方式或第一方面的第二种实现方式，在第一方面的第三种实现方式中，所述母盘为金属镍电铸生物芯片圆形母板，厚度为300μm-2000μm，直径为100mm-300mm。
结合第一方面的第三种实现方式，在第一方面的第四种实现方式中，所述金属镍电铸生物芯片圆形母板表面的粗糙度小于0.02um。
结合第一方面的第一种实现方式，在第一方面的第五种实现方式中，所述第一型腔包括注液孔和对位装置槽，其中，所述注液孔用于在使用所述模具模芯制造的生物芯片基片上形成通孔，所述对位装置槽用于在使用所述模具模芯制造的生物芯片基片上形成对位装置；其中，所述对位装置的顶部具有倒角结构。
结合第一方面的第一种实现方式，在第一方面的第六种实现方式中，所述第二型腔包括圆形定位孔和长圆形定位孔，其中，圆形定位孔用于安装圆形型芯，使得在使用所述模具模芯制造的生物芯片盖片上形成圆形孔；长圆形定位孔用于安装长圆形型芯，使得在使用所述模具模芯制造的生物芯片盖片上形成长圆形孔。
第二方面，提供了一种上述第一方面所述的制备方法制备的模具模芯。
第三方面，提拱了一种上述第二方面所述的模具模芯制造的生物芯片。
结合第三方面，在第三方面的第一种实现方式中，所述生物芯片的注塑材料为热塑性聚合物材料。
本发明实施例提供的模具模芯的制备方法、模具模芯及生物芯片，对涂胶玻璃板依次进行光刻、显影、去胶、溅射和电铸，得到具有多个生物芯片的微纳米流道结构的母盘；对所述母盘进行线切割，得到单个生物芯片的电铸模切割块，所述电铸模切割块包括一个微纳米流道结构；对第二基板依次进行机械加工、电火花加工和线切割，制得所述电铸模切割块的第一固定板；对第三基板依次进行机械加工、电火花加工和线切割，制得所述电铸模切割块的第二固定板；对所述第一固定板、所述电铸模切割块和所述第二固定板进行组合，形成组合件；通过紧固件将所述组合件固定在模具底板上，得到所述模具模芯；其中，所述模具模芯用于制造生物芯片基片和生物芯片盖片。由此，可以提高模具的制造效率及模具型腔的精度，并且可以推进高新技术在生物技术领域的应用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的模具模芯的制备方法流程图；
图2为本发明的电铸模切割块的示意图；
图3为本发明的第一固定板的示意图；
图4为本发明的第二固定板的示意图；
图5为本发明的模具模芯的示意图；
图6为图5A-A线的剖视图；
图7为本发明的生物芯片的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明，实施例并不构成对本发明实施例的限定。
现有技术中，主要通过两种方法制造生物芯片基片与生物芯片盖片，第一种方法是，使用CD光盘母盘模具制造聚合物生物芯片基片与生物芯片盖片；第二种方法是，使用机械加工的方法制造聚合物生物芯片基片与生物芯片盖片。
第一种方法，包括：1)对以金属镍为主要材料的基板依次进行光刻、电铸制模和注塑复制，制得电铸母盘，该电铸母盘的直径和厚度与光盘母盘模具相同；通过该步骤可以制造不同结构的电铸母盘，从而将上述电铸母盘用于制造不同结构的生物芯片基片与生物芯片盖片；2)将上述制得的电铸母盘安装在注塑机模具上(模具上有电铸母盘快速更换设计接口)，并通过该注塑机模具制造带沟道的生物芯片基片毛坯以及生物芯片盖片毛坯；3)对生物芯片基片毛坯以及生物芯片盖片毛坯进行机械加工，制备注液孔，并对其进行线切割，从而切割出生物芯片基片以及生物芯片盖片的外形(如方形)；4)对切割出外形并具有注液孔的生物芯片基片以及生物芯片盖片进行热压、超声波和激光，得到生物芯片。
第二种方法，包括：1)通过机械加工和电火花加工，制得模具模芯，对制得的模具模芯进行人工抛光，以使得模具模芯的表面粗糙度符合光学镜面级别的要求；通过制得的模具模芯制造生物芯片基片以及生物芯片盖片；2)将生物芯片基片以及生物芯片盖片安装到模具注塑机上，制备生物芯片基片以及生物芯片盖片上的注液孔，并切割出外形；3)对制备出注液孔并切割出外形的生物芯片基片以及生物芯片盖片进行热压、超声波和激光，得到生物芯片。
然而上述第一种方法中的电铸母盘，其厚度最低只能达到300um，而电铸母盘的厚度通常会影响制造的生物芯片，因此通过该方法只能制造微小沟道生物芯片，无法制造出100um以上深度微沟道生物芯片；此外，通过该方法只能制造外轮廓与光盘一样的生物芯片基片以及生物芯片盖片的半成品，要切割出生物芯片基片以及生物芯片盖片的外形并制备注液孔，还必须对这些生物芯片基片以及生物芯片盖片的半成品进行机械加工，制备注液孔，并进行线切割。即这种方法无法一次制造具有外形并具有注液孔的生物芯片基片以及生物芯片盖片，对这些生物芯片基片以及生物芯片盖片的半成品进行机械加工，制备注液孔，并进行线切割，会耗费设备与工时，增加产品的加工成本。
然而上述第二种方法中，通过电火花加工制得的模具模芯的表面粗糙度只能在0.04um与0.16um之间，不能满足模具模芯的表面质量要求(即小于0.02um)；且第二种方法中是使用人工对制得的模具模芯进行抛光，而微沟道结构十分精密，精度是微米级的，因此，抛光质量很难实现图纸设计要求，且使用上述模具模芯制造的产品也不能符合产品要求。
本发明的目的是提供一种模具模芯，该模具模芯既可以满足表面粗糙度符合光学镜面级别的要求，又可以制造出生物芯片基片完整的轮廓与注液孔，使生物芯片基片的加工方法更加完善，降低了后续生产的加工难度，使生产成本较现有技术的生产方式成本大幅降低，能有效的推进生物芯片的产业化发展。
图1为本发明实施例提供的模具模芯的制备方法流程图，如图1所示，该方法具体可以包括：
S110，对涂胶玻璃板依次进行光刻、显影、去胶、溅射和电铸，得到具有多个生物芯片的微纳米流道结构的母盘。
此处，对涂胶玻璃板依次进行光刻、显影、去胶、溅射和电铸，即为使用UV-LIGA技术的过程；得到的母盘为金属镍电铸生物芯片圆形母板，厚度为300μm-4000μm，直径为100mm-300mm，且其表面的粗糙度小于0.02um，即可以实现纳米加工。
其中，微纳米流道结构的形状可以为Y形、T形或者十字形。
S120，对所述母盘进行线切割，得到单个生物芯片的电铸模切割块，所述电铸模切割块包括一个微纳米流道结构。
参见图2所示的本发明的电铸模切割块的示意图，图2中，电铸模切割块的形状为方形，厚度为300μm-4000μm，且包括一个Y形微纳米流道结构21；此外，图2中的电铸模切割块还可以包括注液孔22和对位装置槽23，优选地，对位装置槽23为两个圆形定位孔。其中，注液孔22用于在使用模具模芯制造的生物芯片基片上形成通孔，上述两个圆形定位孔用于在使用模具模芯制造的生物芯片基片上形成对位装置，即作为在将生物芯片基片与生物芯片盖片封装时的对位基准。该对位装置可以为两个圆形凸起，该两个圆形凸起的直径可以为0.5mm-1.5mm，高度可以为0.2mm-0.4mm。优选地，该两个圆形凸起的直径为1mm，高度为0.3mm。此外，为了便于生物芯片基片与生物芯片盖片封装时对准，该对位装置的顶部还可以设有倒角结构，该倒角结构具体可以为圆弧倒角。
需要说明的是，上述电铸模切割块还可以包括四个第一顶针过孔24，用于将使用模具模芯制造的生物芯片基片从模具模芯中取出，其直径可以为1mm-3mm；该电铸模切割块的第一顶针过孔24、注液孔22和对位装置槽23也可以在步骤S150后制备。
S130，对第二基板依次进行机械加工、电火花加工和线切割，制得所述电铸模切割块的第一固定板；对第三基板依次进行机械加工、电火花加工和线切割，制得所述电铸模切割块的第二固定板。
此处，第二基板和第三基本可以为钢材质的。
参见图3所示的本发明的第一固定板的示意图，图3中，第一固定板包括两个第一凸台31和两个第二凸台32，其中，第二凸台32的高度比第一凸台31的高度高出第一设定值；优选地，第一设定值为电铸模切割块的厚度。图3中第一固定板的两个第一凸台31的设计元素与图2中的电铸模切割块的设计元素相同，即可以包括：第一顶针过孔24、注液孔22和对位装置槽23；而第一固定板的第二凸台32可以包括圆形定位孔321和长圆形定位孔322，其中，圆形定位孔321用于安装圆形型芯，使得在使用模具模芯制造的生物芯片盖片上形成圆形孔；长圆形定位孔322用于安装长圆形型芯，使得在使用所述模具模芯制造的生物芯片盖片上形成长圆形孔。该圆形孔和长圆形孔作为在将生物芯片基片与生物芯片盖片封装时的对位基准，并且可以保证在将生物芯片基片与生物芯片盖片对位后封装前产生内应力，从而使得后续生物芯片基片与生物芯片盖片的封装能够正常进行。
需要说明的是，上述第一固定板的第二凸台32还可以包括四个第二顶针过孔323，用于将使用模具模芯制造的生物芯片盖片从模具模芯中取出，其直径可以为1mm-3mm；该第一固定板的第二凸台32的第二顶针过孔323、圆形定位孔321和长圆形定位孔322以及第一固定板的第一凸台31的第一顶针过孔24、圆形定位孔23和长圆形定位孔22也可以在步骤S150后制备。
参见图4所示的本发明的第二固定板的示意图，图4中，第二固定板包括两个第一固定孔41和两个第二固定孔42，其中，两个第一固定孔41与图3中的第一固定板的两个第一凸台31是相对应的，两个第二固定孔42与图3中的第一固定板的两个第二凸台32是相对应的。具体地，在将第一固定板与第二固定板进行组合时，将第一凸台31插接在第一固定孔41中，并将第二凸32台插接在所述第二固定孔42中。
需要说明的是，虽然图3中以第一固定板包括两个第一凸台31和两个第二凸台32，且图4中第二固定板包括两个第一固定孔41和两个第二固定孔42进行说明，但是并不限于两个第一凸台31和两个第二凸台32，也并不限于两个第一固定孔41和两个第二固定孔42，本领域技术人员通过还可以在第一固定板中设有除两个外其他数目的第一凸台31和第二凸台32，只需第二固定板中第一固定孔41的数目与第一凸台31的数目相同，第二固定孔42的数目与第二凸台32的数目相同即可。
S140，对所述第一固定板、所述电铸模切割块和所述第二固定板进行组合，形成组合件。
其中，步骤S140具体可以包括：
将所述电铸模切割块放置在所述第一固定板的第一凸台31上；
将放置所述电铸模切割块后的第一凸台31插接在所述第一固定孔41中，并将所述第二凸台32插接在所述第二固定孔42中，使得所述电铸模切割块与所述第二固定板之间形成所述生物芯片基片的第一型腔，并使得所述第二凸台32与所述第二固定板之间形成所述生物芯片盖片的第二型腔。
具体地，首先，将两个图2中的电铸模切割块分别放置在图3中的第一固定板的两个第一凸台31上；然后，将放置两个电铸模切割块后的两个第一凸台31分别插接在两个第一固定孔41中，并将两个第二凸台32分别插接在两个第二固定孔42中，从而形成生物芯片基片的第一型腔；并形成生物芯片盖片的第二型腔；由图2中可知，第二固定板主要是在结构上压紧定位电铸模切割块。
可以理解的是，由于第一型腔是由电铸模切割块放置到第一凸台31上并且组装后在模具中形成的，而电铸模切割块可以包括微纳米流道结构21、注液孔22和对位装置槽23，因此，第一型腔可以包括微纳米流道结构21、注液孔22和对位装置槽23，且注液孔22用于在使用所述模具模芯制造的生物芯片基片上形成通孔，对位装置槽23用于在使用模具模芯制造的生物芯片基片上形成对位装置；其中，所述对位装置的顶部具有倒角结构。
此外，由于第二型腔是第二凸台32组装后在模具中形成的，而第二凸台32可以包括圆形定位孔321和长圆形定位孔322，因此，第二型腔也可以包括圆形定位孔321和长圆形定位孔322，且圆形定位孔321用于安装圆形型芯，使得在使用所述模具模芯制造的生物芯片盖片上形成圆形孔；长圆形定位孔322用于安装长圆形型芯，使得在使用所述模具模芯制造的生物芯片盖片上形成长圆形孔。
需要说明的是，将得到的电铸模切割块镶嵌到模具型腔中，就可实现将微结构移植到注塑模具的型腔中，因此，就可以制造出有微纳米结构的生物芯片基片。所以，这项生物芯片实用技术就能够得到使用推广，而这种微结构用机械加工方法是无法实现的；电铸模切块镶嵌到模具型腔中的核心是把微纳米结构移植到注塑模具型腔中，其不仅仅降低模具制造成本，而且使用UV-LIGA技术与传统模具制造技术结合，可实现单一一种技术无法实现的制造技术。
S150，通过紧固件将所述组合件固定在模具底板上，得到所述模具模芯。
参见图5所示的本发明的模具模芯的示意图，图6为图5A-A线的剖视图，图中，紧固件具体为固定螺栓51，即通过固定螺栓将步骤S140中形成的组合件固定在底板上，固定后成为注塑模具型腔的核心部分，也即本发明所称的模具模型。
其中，所述模具模芯用于制造生物芯片基片和生物芯片盖片。由于制造生物芯片基片的第一型腔上有微纳米流道结构21和注液孔22，且微纳米流道结构21的形状可以为Y形、T形或者十字形，因此，通过第一型腔可以制造不同形状的生物芯片基片。制造出生物芯片基片与生物芯片盖片之后，可以通过热压键合、超声波键合或者激光键合等不同键合封装形式将两者进行封装，封装后形成生物芯片。可以理解的是，生物芯片的微纳米流道是封闭的，且可以无渗漏的通过生物试液，该封闭的微纳米流道是生物芯片的基本结构要素。此外，由于通过生物芯片的微流道的生物试液要通过光学检测，生物芯片材质要有好的透光性，因此对生物芯片注塑模具型腔的表面粗糙度与加工精度都有很高的技术要求。
需要说明的是，上述生物试液具体可以为热塑性聚合物，则通过模具模芯制造的生物芯片具体为聚合物生物芯片，其中，上述热塑性聚合物可以为聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethacrylates，PMMA)或者日本瑞翁1020R光学材料(Cyclo-olefin polymer，COP),其中，COP一般是环烯烃共聚物。
参见图7所示的本发明的生物芯片的示意图，图7中，生物芯片包括生物芯片基片71和生物芯片盖片72，其中，生物芯片基片71的厚度可以为0.2mm-1.2mm，生物芯片盖片72的厚度可以为0.2mm-1.2mm。
因此，本发明相比现有技术能够解决如下问题：
1、解决了聚合物生物芯片注塑模具型腔的核心部分(即模具模芯)的制备，使电铸模切割块的精度达到LIGA(即光刻、电铸和注塑)技术加工级别。
2、解决了模具模芯的表面粗糙度用手工抛光较难的问题，且模具模芯的尺寸精度与表面粗糙度完全符合生物芯片注塑件的技术要求，解决了一般机械加工设备与电加工设备加工方法难以实现的加工精度。
3、解决了目前单纯生物芯片电铸镍模芯注塑模不能完全注塑出生物芯片外轮廓、注液孔和定位孔的问题。
本发明镶嵌式注塑模芯具有如下优点：
现有技术相比本发明具有如下特点：
1、可以缩短生物芯片的生产周期。
2、可以降低用机械加工方法制备模具模芯的制造成本。
3、可以降低单纯用电铸母盘注塑生产工艺生产生物芯片的后续加工成本，提高成品率。
4、可以同时制造生物芯片基片及生物芯片盖片。
5、可以实现一般机械加工无法实现的模具的微纳米结构。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种模具模芯的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
对涂胶玻璃板依次进行光刻、显影、去胶、溅射和电铸，得到具有多个生物芯片的微纳米流道结构的母盘；
对所述母盘进行线切割，得到单个生物芯片的电铸模切割块，所述电铸模切割块包括一个微纳米流道结构；
对第二基板依次进行机械加工、电火花加工和线切割，制得所述电铸模切割块的第一固定板；对第三基板依次进行机械加工、电火花加工和线切割，制得所述电铸模切割块的第二固定板；
对所述第一固定板、所述电铸模切割块和所述第二固定板进行组合，形成组合件；
通过紧固件将所述组合件固定在模具底板上，得到所述模具模芯；
其中，所述模具模芯用于制造生物芯片基片和生物芯片盖片。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一固定板包括第一凸台和第二凸台，其中，所述第二凸台的高度比第一凸台的高度高出第一设定值；
相应的，所述第二固定板包括第一固定孔和第二固定孔。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述对所述第一固定板、所述电铸模切割块和所述第二固定板进行组合，形成组合件具体为：
将所述电铸模切割块放置在所述第一固定板的第一凸台上；
将放置所述电铸模切割块后的第一凸台插接在所述第一固定孔中，并将所述第二凸台插接在所述第二固定孔中，使得所述电铸模切割块与所述第二固定板之间形成所述生物芯片基片的第一型腔，并使得所述第二凸台与所述第二固定板之间形成所述生物芯片盖片的第二型腔。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述母盘为金属镍电铸生物芯片圆形母板，厚度为300μm-2000μm，直径为100mm-300mm。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，
所述金属镍电铸生物芯片圆形母板表面的粗糙度小于0.02um。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述第一型腔包括注液孔和对位装置槽，其中，所述注液孔用于在使用所述模具模芯制造的生物芯片基片上形成通孔，所述对位装置槽用于在使用所述模具模芯制造的生物芯片基片上形成对位装置；其中，所述对位装置的顶部具有倒角结构。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述第二型腔包括圆形定位孔和长圆形定位孔，其中，圆形定位孔用于安装圆形型芯，使得在使用所述模具模芯制造的生物芯片盖片上形成圆形孔；长圆形定位孔用于安装长圆形型芯，使得在使用所述模具模芯制造的生物芯片盖片上形成长圆形孔。
8.一种如上述权利要求1-7任一权项所述的制备方法制备的模具模芯。
9.一种利用上述权利要求8所述的模具模芯制造的生物芯片。
10.根据权利要求9所述的生物芯片，其特征在于，所述生物芯片的注塑材料为热塑性聚合物材料。
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