CN105538587B - 软质芯片注塑系统和制作软质芯片的方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种软质芯片注塑系统和制作软质芯片的方法，该系统包括：混胶系统，实现软质芯片原料的混合，并将混合后的原料供给至点胶系统；注塑模具，对软质芯片的高度方向进行定型，其底部设有模板，该模板上表面形成有微结构图案；点胶系统，连通于混胶系统，并位于所述注塑模具的上方，该点胶系统用以在所述模板上表面铺设混合原料；脱泡系统，具有容纳注塑模具的腔体，用以对点胶后注塑模具进行整体脱泡；固化系统，具有一封闭的空间，通过加热方式将脱泡后的注塑模具进行加热并使得混合原料固化定型。本发明系统设备体较小，适合实验室芯片中式或者车间芯片批量生产使用。

Description

软质芯片注塑系统和制作软质芯片的方法

技术领域

本申请属于微流控芯片制作技术领域，特别是涉及一种软质芯片注塑系统和制作软质芯片的方法。

背景技术

微流控芯片技术(Microfluidics)是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。

以PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)材质为代表的软质微流控芯片，因其成本低，使用简单，而且具有良好的化学惰性等特点，成为一种广泛应用于微流控领域的聚合物材料。PDMS芯片的生产过程通常是将PDMS预聚物A和B组分充分混合之后进行脱泡，倒入模具当中，加热进行固化，从而形成PMDS芯片。该过程操作繁琐，生产效率低，目前没有实现产业化，也没有仪器能够实现PDMS芯片加工的批量化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种软质芯片注塑系统和制作软质芯片的方法，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请实施例公开了一种软质芯片注塑系统，包括：

混胶系统，实现软质芯片原料的混合，并将混合后的原料供给至点胶系统；

注塑模具，对软质芯片的高度方向进行定型，其底部设有模板，该模板上表面形成有微结构图案；

点胶系统，连通于混胶系统，并位于所述注塑模具的上方，该点胶系统用以在所述模板上表面铺设混合原料；

脱泡系统，具有容纳注塑模具的腔体，用以对点胶后注塑模具进行整体脱泡；

固化系统，具有一封闭的空间，通过加热方式将脱泡后的注塑模具进行加热并使得混合原料固化定型。

优选的，在上述的软质芯片注塑系统中，所述注塑模具包括夹具底板和夹具上盖，所述夹具底板上凹设形成有注塑槽，所述模板设置于所述注塑槽的底部，所述夹具上盖具有水平的底面。

优选的，在上述的软质芯片注塑系统中，所述夹具底板和夹具上盖之间转动连接。

优选的，在上述的软质芯片注塑系统中，所述夹具底板上设置有水平仪。

优选的，在上述的软质芯片注塑系统中，所述模板为硅片。

优选的，在上述的软质芯片注塑系统中，所述混胶系统包括混胶桶、搅拌装置和气动连接装置，所述混胶桶具有一密闭的搅拌空间，所述搅拌装置延伸于所述搅拌空间内，所述气动连接装置连通于所述搅拌空间，并可与外部的真空泵或空气压缩机连接。

优选的，在上述的软质芯片注塑系统中，所述软质芯片的材质为PDMS。

优选的，在上述的软质芯片注塑系统中，所述混胶系统、点胶系统、注塑模具、脱泡系统和固化系统依次设于同一生产线上，相邻系统之间通过机械手作业。

相应的，本申请还公开了一种制作软质芯片的方法，包括步骤：

(1)、将软质芯片的原料配比后加入到混胶桶中，气动连接装置连接真空泵，通过搅拌和抽真空，实现原料搅拌和脱泡同时进行；

(2)、气动连接装置连接空气压缩机，通过压缩气体将混合后的原料挤压到点胶系统的管路中，在模板表面进行点胶；

(3)、点胶完成之后，将点胶后的注塑模具放置到脱泡系统，抽取真空，真空度达到-0.1MPa之后，保持2～10分钟，气泡完全脱出之后，取出注塑模具；

(4)、将注塑模具整体放置到固化系统，启动加热装置，达到60～80摄氏度，保持5～20分钟，软质芯片原料固化于模板之上，将注塑模具整体取出，继而完成脱模。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明系统生产效率高；

2.系统操作简单、成本低廉；

3.节省人工成本、降低人为误差；

4.设备体较小，适合实验室芯片中式或者车间芯片批量生产使用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明具体实施例中混胶系统的结构示意图；

图2所示为本发明具体实施例中注塑模具的结构示意图。

具体实施方式

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详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅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的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。

本实施例以制作PDMS软质芯片为例进行说明。

软质芯片注塑系统，包括依次设置的混胶系统、点胶系统、注塑模具、脱泡系统和固化系统。

参图1所示，混胶系统由混胶桶1、搅拌装置2和气动连接装置3组成，混胶桶为市售混胶桶，用来盛放PDMS的两个组分，混胶桶的容积可以根据生产任务选用。通过上面的搅拌装置(自带马达)混匀预聚物两个组分，还可以采用磁力搅拌等其他方式实现PDMS两组分的混合。

气动连接装置连通于混胶筒的内部，其可以与真空泵连接，实现边搅拌边脱泡的过程，节省时间。搅拌时间通过调节转速确定，以混匀预聚物为目的。

抽真空时间要长于搅拌时间，而且抽真空的效果除了取决于时间长短，还和预聚物的量以及混胶桶的深宽比有关系；质量相同的预聚物，混胶桶深宽比越小，抽真空效果越好。

需要注意的是，整个混胶系统需要保证气密性，保证脱泡效率，混料桶底部有一个控制阀，控制阀开启时，空气压缩机连接气动连接装置，通过压缩气体将混胶桶里的PDMS挤压到点胶系统的管路中。

点胶系统4采用市售的点胶头，通过控制部分进行控制。点胶头通过软管和混胶桶底部连接，压缩气体实现PDMS原料的供给。点胶头可以是气动或者机械推进等方式控制。如果是气动点胶头，通过控制气压和时间，控制点胶量。如果是机械推进式点胶头，通过选择点胶头的通径、推进速度、时间等因素控制点胶量。PDMS注塑模具放置于点胶底部，PDMS混合物直接滴入到注塑模具中，完成点胶过程。

点胶系统可以配备反馈模块，精确控制点胶量，从而实现控制PDMS芯片厚度的目的，并加速点胶过程。

注塑模具是PDMS注塑生产的关键部分，如图2所示，夹具采用机加工方式加工而成，材质为铝制或者其他金属。夹具主体包括夹具底板5和夹具上盖板6，通过铰链连接。夹具底板5上加工有注塑槽7，尺寸和硅片8尺寸对应，硅片上加工有微结构。夹具底板上安装有水平仪9，确保夹具整体的水平，避免芯片10厚度不一。

由于PDMS注塑模具通常具有微米级结构，注塑过程中容易再次产生气泡。通过气动点胶头的方式点胶也容易产生气泡，因此需要再次脱泡。

脱泡系统，包括密封箱体，通过密封门开关。注塑模具整体放置到脱泡系统之后，启动真空泵，达到-0.1MPa之后，保持一定时间，直至模具上气泡完全消失，通过控制脱泡部分的三通阀，实现密封箱体和大气的联通，卸掉大气压，打开密封门，将模具取出。

固化系统是带有控制系统的封闭装置，通过加热实现PDMS固化。固化部分为密闭体系，加热温度为60-80摄氏度左右，时间在5-20分钟。加热方式可以选用红外加热灯等方式。

上述模具从点胶部分到脱泡部分，从脱泡部分到固化部分的过程，可以配备机械手完成，加快生产效率。

固化完成之后，将模具整体取出，继而进行脱模和切割，PDMS芯片加工完成。模具使用完毕之后，可以进行下一次的生产。

各个部分可以组装于一个生产线上，方便人工或者机械手的操作，节省空间。

利用上述系统批量制作PDMS软质芯片的方法包括：

(1)、将PDMS的两个组分按照比例导入混胶桶之中，其中搅拌装置和真空泵，实现两组分搅拌和脱泡同时进行。混合脱泡过程完成之后，通过开启混胶桶下面的控制阀门，混合好的PDMS胶进入连接点胶头的软管之中，通过控制部分定量点胶。

(2)、将加工好的芯片模具放置到模具槽之中，并将模具上盖板和模具底板组装到一起，将整体模具放置于点胶头之下，开始点胶。

(3)、点胶完成之后，将盛有PDMS胶的模具放置到脱泡部分，启动真空泵，真空度达到-0.1MPa之后，保持2-10分钟，气泡完全脱出之后，同过三通连接脱泡部分和大气，卸掉大气压，开启密封门，取出模具。

(4)、将模具整体放置到固化部分，启动加热装置，达到60-80摄氏度，保持5-20分钟，PDMS固化于模具之上，将模具整体取出，继而完成脱模和切割过程，PDMS芯片加工完成，模具可以进行下一个批次的注塑。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (5)

1.一种软质芯片注塑系统，其特征在于，包括：

混胶系统，实现软质芯片原料的混合，并将混合后的原料供给至点胶系统,所述混胶系统包括混胶桶、搅拌装置和气动连接装置，所述混胶桶具有一密闭的搅拌空间，所述搅拌装置延伸于所述搅拌空间内，所述气动连接装置连通于所述搅拌空间，并可与外部的真空泵或空气压缩机连接，混料桶底部有一个控制阀，控制阀开启时，空气压缩机连接气动连接装置，通过压缩气体将混胶桶里的PDMS挤压到点胶系统的管路中；

注塑模具，对软质芯片的高度方向进行定型，其底部设有模板，该模板上表面形成有微结构图案,所述注塑模具包括夹具底板和夹具上盖，所述夹具底板上凹设形成有注塑槽，所述模板设置于所述注塑槽的底部，所述夹具上盖具有水平的底面；

点胶系统，连通于混胶系统，并位于所述注塑模具的上方，该点胶系统用以在所述模板上表面铺设混合原料；

脱泡系统，具有容纳注塑模具的腔体，用以对点胶后注塑模具进行整体脱泡；

固化系统，具有一封闭的空间，通过加热方式将脱泡后的注塑模具进行加热并使得混合原料固化定型,

所述混胶系统、点胶系统、注塑模具、脱泡系统和固化系统依次设于同一生产线上，相邻系统之间通过机械手作业。

2.根据权利要求1所述的软质芯片注塑系统，其特征在于：所述夹具底板和夹具上盖之间转动连接。

3.根据权利要求1所述的软质芯片注塑系统，其特征在于：所述夹具底板上设置有水平仪。

4.根据权利要求1所述的软质芯片注塑系统，其特征在于：所述模板为硅片。

5.权利要求1至4任一所述的系统制作软质芯片的方法，其特征在于，包括步骤：

(1)、将软质芯片的原料配比后加入到混胶桶中，气动连接装置连接真空泵，通过搅拌和抽真空，实现原料搅拌和脱泡同时进行；

(2)、气动连接装置连接空气压缩机，通过压缩气体将混合后的原料挤压到点胶系统的管路中，在模板表面进行点胶；

(3)、点胶完成之后，将点胶后的注塑模具放置到脱泡系统，抽取真空，真空度达到-0.1MPa之后，保持2～10分钟，气泡完全脱出之后，取出注塑模具；

(4)、将注塑模具整体放置到固化系统，启动加热装置，达到60～80摄氏度，保持5～20分钟，软质芯片原料固化于模板之上，将注塑模具整体取出，继而完成脱模。