CN105565263A - 聚合物芯片的封合装置及封合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚合物芯片的封合装置，包括：外壳，该外壳具有一密封的工作腔；热封机构，位于所述工作腔内，该热封机构用于对聚合物芯片进行热封，具有一放置聚合物芯片的热压区域，所述热封机构包括对所述热压区域进行加热的加热装置；气缸机构，与热封机构连接，用于对所述热压区域施加压力；抽真空机构，与所述工作腔连接，用于对所述工作腔抽真空。本发明还公开了一种聚合物芯片的封合方法。本装置在真空环境进行热压，芯片表面光洁，不会产生气泡。

Description

聚合物芯片的封合装置及封合方法

技术领域

本发明涉及到聚合物芯片的封合技术，特别提供了一种能够封合聚合物芯片的装置及封合方法。

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。

微流控芯片的常规材质包括了硅片、玻璃、PDMS和PMMA、PC等硬质聚合物芯片。硅片、玻璃和PDMS都涉及到专门的微加工方法，这些材质虽然有很多有优异的性能，但是加工过程费事费力，且成本较高。PMMA和PC等硬质聚合物芯片成本较低，化学性能稳定，成为微流控芯片领域广受欢迎的材质。

微流控芯片的多数应用都需要将微流控芯片上的流路封合，形成闭合管路，方便在管路上完成生化反应等操作。现阶段PMMA等硬质聚合物芯片的封合手段包括了胶粘、有机溶剂辅助封合和热压封合。其中胶粘的方式虽然简单快捷，但是胶可能会对生化反应产生影响，胶也会对液体的流动性产生影响。有机溶剂辅助封合，操作时间短，封合强度高，但是芯片及表面容易产生裂纹，影响实验观测和芯片的美观性。热压封合采用加热的方式将微流控芯片表面加热到临界熔融状态温度，在压力的作用下，将两片同质硬质聚合物芯片封合在一起。但热压封合的芯片粗糙，有气泡。

发明内容

本发明提出了一种封合硬质聚合物芯片的封合装置及方法，真空环境下加热和加压，实现硬质聚合物芯片的封合。

本申请实施例公开了一种聚合物芯片的封合装置，包括：

外壳，该外壳具有一密封的工作腔；热封机构，位于所述工作腔内，该热封机构用于对聚合物芯片进行热封，具有一放置聚合物芯片的热压区域，所述热封机构包括对所述热压区域进行加热的加热装置；气缸机构，与热封机构连接，用于对所述热压区域施加压力；抽真空机构，与所述工作腔连接，用于对所述工作腔抽真空。

本装置在真空环境进行热压，芯片表面光洁，不会产生气泡。

优选地，所述的热封机构包括上下相对设置的上加热板和下加热板，所述热压区域位于所述上加热板和下加热板之间，所述气缸机构包括气缸，该气缸驱动所述上加热板接近或远离所述下加热板。

优选地，所述气缸机构还包括挡板，该挡板位于所述上加热板上方，所述气缸和所述挡板之间连接有万向节。

优选地，所述工作腔内设置有竖直设置的导向轴，所述挡板和上加热板沿所述导向轴可上下移动。

优选地，所述下加热板和工作腔的底部之间设有压力传感器。

优选地，所述气缸机构包括油水过滤器，该油水过滤器分别与所述气缸以及空气压缩机连接。

优选地，所述工作腔内设置有对所述热压区域进行降温的冷却装置。

优选地，所述冷却装置采用水冷或风冷冷却方式。

这种封合装置温度和压力控制精确，芯片上管路形变量在1％以内；半自动操作，减少人工成本，减少人为误差；装置简单易用，可扩展性极强。

相应的，本申请实施例还公开了一种聚合物芯片的封合方法，包括如下步骤：

在真空环境下，对层叠好的聚合物芯片进行加热和加压。

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一种聚合物芯片的封合装置的结构示意图；

图2所示为本发明具体实施例中一种聚合物芯片的封合装置的机体示意图；

图3所示为本发明具体实施例中种聚合物芯片的封合装置的控制面板示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。

聚合物芯片的封合装置，如图1所示，包括：工作腔100；气缸机构110，贯穿所述的工作腔，与热封机构连接，用于驱动热封机构，对热封机构进行加压；热封机构，位于所述工作腔内，用于对聚合物芯片热封，具有一放置聚合物芯片的热压区域，所述热封机构包括对所述热压区域进行加热的加热装置；支撑结构，位于所述工作腔内，用于将气缸机构和热封机构固定于所述工作腔上；抽真空机构，与所述工作腔连接，用于对所述工作腔抽真空气。本装置可对工作腔抽真空，从而在真空环境进行热压，芯片表面光洁，不会产生气泡。

气缸机构包括了气缸144、气缸控制电磁阀112、万向节113和挡板114。通过电磁阀112控制气缸轴111，并通过万向节113连接气缸轴111和挡板114，实现压力的传递，最终作用于需要封合的芯片上。万向节113的引入避免了气缸螺纹引起的加压不平均或者挡板倾斜的问题，提高了芯片封合的成功率。

在工作腔100内还有油水过滤器115，油水过滤器115连接空气压缩机与气缸，空气压缩为气缸提供洁净的空气的同时，能起到缓冲气体的作用，油水过滤器能够保护气缸，避免过多水汽进入气缸，腐蚀气缸元器件，大大延长了气缸的使用寿命。

热封机构分为上加热板121和下加热板122，芯片放置于上下加热板之间，上加热板121与所述的下加热板122之间形成芯片的热压区域上下加热板采用金属材质，加热板上加工有加热槽，用来放置加热棒或者加热丝。

在上加热板121的底部装有冷却装置123，由于主体结构中处于真空加热环境，自然冷却速度较慢。冷却装置123可以采用水冷或者风冷方式。

在下加热板122底部安装有压力传感器124，能够显示气缸向芯片施加的压力，通过调压阀调节合适的键合压力。

支撑机构包括固定底板131和和固定于底板上的用导向气缸机构和热封机构移动的导向轴132，此处的导向轴132为四根，导向轴132上下贯穿气缸机构的档板114和热封机构的上下加热板，所述挡板114和上加热板沿所述导向轴可上下移动在工作时，气缸144向档板114传递压力，上下加热板沿着导向轴132移动实现芯片的封合。

如图2所示，一种聚合物芯片的封合装置的腔体是由金属外壳140密封形成。外壳材质可以是不锈钢等金属材质，采用CNC加工方式，密封部分采用密封胶，避免使用过程中漏气。

在外壳140的前侧有密封门141，密封四周放置垫圈，抽真空过程中，密封门141和外壳主体140通过垫圈143紧密贴合，实现真空环境。密封门141是由不锈钢包裹钢化玻璃而成，通过钢化玻璃可以观察内部机械结构的运动情况、以及芯片的封合情况。密封门141上有把手145，方便密封门141的开关。

外壳140一侧加工有两个孔，一个通过阀门连接真空泵，在加工过程实现真空环境；一个连接两通阀门，以便于加工完成之后和大气联通，消除主体结构内部的真空环境。

外壳上部留有气缸孔，以便于气缸的安装。气缸安装于主体结构和外壳之上，通过控制部分给主体结构加压，实现芯片的封合。外壳和控制面板连接部分加工有数个通孔，用来安装传感器和加热装置的控制线。

外壳140的前侧有密封门141的一侧还有控制面板142，通过一个金属外壳包裹，各个部分的控制部分通过按键或者表头连接于面板14之上。

如图3所示，调压阀1422连接气缸控制电磁阀112，通过控制电磁阀和调压阀控制气缸加压状态，并且通过下加热板下面的压力传感器124进行实时反馈。增压开关1427用来控制气缸的压力。

在控制面板142上有气缸压力显示表1424用来显示气缸的压力。压力显示表1430用来通过下加热板下面的压力传感器124进行实时反馈腔体压力。

上板温度开关1426和下板温度开关1429用来控制上下加热板的温度，上下板温度通过上板温度显示表1423和下板温度显示表1425显示。

制冷开关1428用来控制主体结构中的降温速率。

真空表1421显示主体内部真空度的大小，通过真空泵抽真空，最大负压值可以达到：相对－0.1Mpa。

整个控制面板142通过一个金属外壳包裹，各个部分的控制部分通过按键或者表头连接于面板142之上。

使用过程中，首先将需要封合的两层或者多层硬质聚合物芯片对齐之后，放置于下加热板122上，然后关闭密封门141。

启动真空泵，通过真空压力显示表1421和调压阀1422，控制芯片封合所需的真空度。

同时设置芯片封合所需的温度，通过上下加热板上的加热装置开始升温。通过控制增压开关1427，气缸向压力挡板施加压力，从而将上下加热板挤压在一起，给芯片提供封合压力，此时下加热板下面的压力传感器124感受的压力，通过控制面板上的压力显示表1430显示。

硬质聚合物芯片在一定的温度下达到临界熔融态，在相应压力状态下从而将聚合物芯片表面封合在一起，而真空环境避免了熔融态下芯片表面气泡的产生。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

最后，还需要说明的是，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。

Claims (9)

1.一种聚合物芯片的封合装置，其特征在于，包括：

外壳，该外壳具有一密封的工作腔；

热封机构，位于所述工作腔内，该热封机构用于对聚合物芯片进行热封，具有一放置聚合物芯片的热压区域，所述热封机构包括对所述热压区域进行加热的加热装置；

气缸机构，与热封机构连接，用于对所述热压区域施加压力；

抽真空机构，与所述工作腔连接，用于对所述工作腔抽真空。

2.根据权利要求1所述的聚合物芯片的封合装置，其特征在于：所述的热封机构包括上下相对设置的上加热板和下加热板，所述热压区域位于所述上加热板和下加热板之间，所述气缸机构包括气缸，该气缸驱动所述上加热板接近或远离所述下加热板。

3.根据权利要求2所述的聚合物芯片的封合装置，其特征在于：所述气缸机构还包括挡板，该挡板位于所述上加热板上方，所述气缸和所述挡板之间连接有万向节。

4.根据权利要求3所述的聚合物芯片的封合装置，其特征在于：所述工作腔内设置有竖直设置的导向轴，所述挡板和上加热板沿所述导向轴可上下移动。

5.根据权利要求2所述的聚合物芯片的封合装置，其特征在于：所述下加热板和工作腔的底部之间设有压力传感器。

6.根据权利要求2所述的聚合物芯片的封合装置，其特征在于：所述气缸机构包括油水过滤器，该油水过滤器分别与所述气缸以及空气压缩机连接。

7.根据权利要求1所述的聚合物芯片的封合装置，其特征在于：所述工作腔内设置有对所述热压区域进行降温的冷却装置。

8.根据权利要求7所述的聚合物芯片的封合装置，其特征在于：所述冷却装置采用水冷或风冷冷却方式。

9.一种聚合物芯片的封合方法，其特征在于，包括如下步骤：

在真空环境下，对层叠好的聚合物芯片进行加热和加压。