CN105842151A - 一种pdms薄膜液容测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PDMS薄膜液容测量装置及方法，该装置包括输出压力可调的压力施加模块、观测记录模块和处理分析模块，所述压力施加模块将不同的压力施加到带有PDMS薄膜的半封装微芯片，所述观测记录模块获取所述PDMS薄膜在不同压力下发生变形的薄膜轮廓图像，所述处理分析模块对不同压力下的薄膜轮廓图像进行分析，得到变形后薄膜包裹的体积与所受到的压力的一系列压力/体积对应值，获得压力体积关系曲线，并根据所述压力体积关系曲线得到PDMS薄膜液容与施加载荷压力的压力液容关系曲线。本发明可实现在微流控芯片制作过程中测量微芯片上PDMS薄膜液容，能够在不知道材料参数和薄膜几何尺寸的条件下准确测得薄膜液容。

Description

一种PDMS薄膜液容测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种PDMS薄膜液容测量装置及方法。

背景技术

微流体芯片特别是具备高密度、大规模、高通量、多功能等特点的集成微流体芯片，已经在化学和生物学等领域发挥着重要的作用。与宏观尺度的实验装置相比，这一技术显著降低了样品的消耗量，提高了反应效率。同时也降低了实验产生废物对环境的污染；集成微流体芯片操作的并行优势可以实现实验的高通量、自动化控制；并且可以通过微阀微泵等微细结构进行精确控制。这使得微流体芯片在分析领域中具有不可替代的优势。此外，微流控制作工艺逐渐延伸到其他领域，例如微流控光学等。

微流控芯片的一种主要制备材料是聚二甲基硅氧烷(PDMS)，PDMS在微流控，微流控光学等领域有巨大的优势，例如：PDMS具有超弹性，良好的透光性、生物相容性，易于表面改性处理，可以通过软光刻制作廉价的微流控器件等优点。基于以上有点，PDMS广泛用于生物，化学，光学等领域。在设计PDMS器件时常常设计出PDMS薄膜结构来实现特定的功能，例如，微流控薄膜微泵、微传感器、薄膜滤波器、直流/交流转换结构、PDMS光学透镜等。在实际应用中，这些薄膜结构变形后的轮廓或变形时的薄膜固有性质对PDMS器件的性能有重要影响，甚至起决定性作用。例如PDMS光学透镜对PDMS薄膜曲面的曲率半径和透镜焦距有严格要求，曲面轮廓决定透镜的特性；在薄膜微泵中，薄膜的固有频率和变形能力决定微泵的排量和动态频率上限等，在薄膜滤波器中决定其滤波能力。而这些都和薄膜的变形能力和薄膜固有属性——液容密切相关。超弹性薄膜液容的定义为薄膜变形时，单位压力变化引起的体积变化，即体积对压力的微分。

已有薄膜变形理论可以很好得求出小变形时薄膜液容，而大变形理论是复杂的近似求解过程，在实际应用时多有不便。目前对薄膜大变形时薄膜液容的研究还有不足。由于PDMS薄膜的液容对微芯片性能有重要影响，在芯片应用时必须已知薄膜液容，但是芯片制作完成后，薄膜完全封装在芯片内部无法测量，因此需要在微芯片制作完成之前测得薄膜液容。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种PDMS薄膜液容测量装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种PDMS薄膜液容测量装置，包括输出压力可调的压力施加模块、观测记录模块和处理分析模块，所述压力施加模块将不同的压力施加到带有PDMS薄膜的半封装微芯片，所述观测记录模块获取所述PDMS薄膜在不同压力下发生变形的薄膜轮廓图像，所述处理分析模块对不同压力下的薄膜轮廓图像进行分析，得到变形后薄膜包裹的体积与所受到的压力的一系列压力/体积对应值，获得压力体积关系曲线，并根据所述压力体积关系曲线得到PDMS薄膜液容与施加载荷压力的压力液容关系曲线。

进一步地：

所述压力施加模块包括气源和气压控制器，所述气源输出的气压经过所述气压控制器的调节后输送到所述半封装微芯片，所述气压控制器受计算机指令控制进行气压的调节。

所述压力施加模块包括注射泵与压力控制器，所述注射泵输出的液压经过所述压力控制器的调节后输送到所述半封装微芯片，所述压力控制器受计算机指令控制进行液压的调节。

所述观测记录模块包括显微镜和相机，所述相机与所述显微镜的相机接口对接。

所述半封装微芯片放置在显微镜载物台上，所述PDMS薄膜所在平面与所述显微镜载物台垂直，与所述显微镜的物镜光轴平齐。

所述半封装微芯片与长方体基准块固定在一起，通过所述长方体基准块放置在所述显微镜载物台上。

一种PDMS薄膜液容测量方法，使用所述PDMS薄膜液容测量装置进行PDMS薄膜液容的测量，其中通过所述压力施加模块将不同的压力施加到带有PDMS薄膜的半封装微芯片，通过所述观测记录模块获取所述PDMS薄膜在不同压力下发生变形的薄膜轮廓图像，由所述处理分析模块对不同压力下的薄膜轮廓图像进行分析，得到变形后薄膜包裹的体积与所受到的压力的一系列压力/体积对应值，获得压力体积关系曲线，并根据所述压力体积关系曲线得到PDMS薄膜液容与施加载荷压力的压力液容关系曲线。

进一步地：

测量过程中，以在一定压力载荷范围内取相同压力步长的方式逐步调节所述压力施加模块施加到所述半封装微芯片的压力载荷，同时观测和记录所述PDMS薄膜在不同压力下发生变形的薄膜轮廓图像，优选地，压力载荷范围取0mbar到25mbar，步长为0.5mbar。

对不同压力下的薄膜轮廓图像进行分析包括以下步骤：

将薄膜轮廓图像调整成图像基线处于水平状态；

使用图像处理算法由所述薄膜轮廓图像获得薄膜边界轮廓线；

利用薄膜边界轮廓线，通过积分求得变形薄膜形成的类球缺体积，其中每一个不同的压力载荷对应一个不同的体积，得到一系列压力/体积对应值，进而获得压力体积关系曲线，优选地，通过压力/体积对应值做多项式拟合，得到的拟合曲线为所述压力体积关系曲线；

对所述压力体积关系曲线进行微分，得到所述压力液容关系曲线。

所述薄膜边界轮廓线使用直接阈值法和/或CV水平集算法获得。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种PDMS薄膜液容的测量装置和方法，通过压力施加模块将不同的压力施加到带有PDMS薄膜的半封装微芯片，观测获取所述PDMS薄膜在不同压力下发生变形的薄膜轮廓图像，再对不同压力下的薄膜轮廓图像进行分析，最终得到PDMS薄膜液容与施加载荷压力的压力液容关系曲线，从而实现在微流控芯片制作过程中测量微芯片上PDMS薄膜液容，能够在不知道薄膜的材料参数和几何尺寸参数的条件下，方便而又准确地测得薄膜液容。因为是实际测量，所以本发明比有限元仿真更加方便准确，并且也弥补了PDMS薄膜大变形时薄膜液容研究的不足，能够为PDMS器件上薄膜结构的设计提供十分有益的、重要的指导。本发明的另一优势在于，由于对在微芯片制作过程中的半封装微芯片进行薄膜结构的液容测量，有效避免了芯片制作完成后，薄膜封装在芯片内部而无法测量的困难。因此，本发明尤其适用于封装在微芯片内部的薄膜液容的测量。

附图说明

图1示出了一种半封装微芯片样片的制作过程。

图2示出了本发明实施例的PDMS薄膜液容测量装置结构示意图。

图3示出了液容测量中抓取的薄膜变形图片和图片处理。

图4示出了薄膜变形体积与施加压力的关系和薄膜液容与施加压力的关系。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图2至图4，在一种实施例中，一种PDMS薄膜液容测量装置，包括输出压力可调的压力施加模块、观测记录模块和处理分析模块，所述压力施加模块将不同的压力施加到带有PDMS薄膜的半封装微芯片208(带薄膜未完成的微芯片)，所述观测记录模块获取所述PDMS薄膜在不同压力下发生变形的薄膜轮廓图像，所述处理分析模块对不同压力下的薄膜轮廓图像进行分析，得到变形后薄膜包裹的体积与所受到的压力的一系列压力/体积对应值，获得压力体积关系曲线，并根据所述压力体积关系曲线得到PDMS薄膜液容与施加载荷压力的压力液容关系曲线。

在一些实施例中，所述压力施加模块包括气源和气压控制器202，所述气源输出的气压经过所述气压控制器202的调节后输送到所述半封装微芯片208，所述气压控制器202受计算机203指令控制进行气压的调节。

在另一些实施例中，所述压力施加模块包括注射泵与压力控制器，所述注射泵输出的液压经过所述压力控制器的调节后输送到所述半封装微芯片208，所述压力控制器受计算机指令控制进行液压的调节。

在一些实施例中，所述观测记录模块包括显微镜205和相机204，所述相机204与所述显微镜205的相机接口对接。

在优选的实施例中，所述半封装微芯片208放置在显微镜载物台206上，所述PDMS薄膜所在平面与所述显微镜载物台206上垂直，与所述显微镜的物镜光轴平齐。

在更优选的实施例中，所述半封装微芯片208与长方体基准块207固定在一起，通过所述长方体基准块207放置在所述显微镜载物台206上。

参阅图2至图4，在另一种实施例中，一种PDMS薄膜液容测量方法，使用前述任一实施例的PDMS薄膜液容测量装置进行PDMS薄膜液容的测量，其中通过所述压力施加模块将不同的压力施加到带有PDMS薄膜的半封装微芯片208，通过所述观测记录模块获取所述PDMS薄膜在不同压力下发生变形的薄膜轮廓图像，由所述处理分析模块对不同压力下的薄膜轮廓图像进行分析，得到变形后薄膜包裹的体积与所受到的压力的一系列压力/体积对应值，获得压力体积关系曲线，并根据所述压力体积关系曲线得到PDMS薄膜液容与施加载荷压力的压力液容关系曲线。

在优选的实施例中，测量过程中，以在一定压力载荷范围内取相同压力步长的方式逐步调节所述压力施加模块施加到所述半封装微芯片208的压力载荷，同时观测和记录所述PDMS薄膜在不同压力下发生变形的薄膜轮廓图像，优选地，压力载荷范围取0mbar到25mbar，步长为0.5mbar。

在优选的实施例中，对不同压力下的薄膜轮廓图像进行分析包括以下步骤：

将薄膜轮廓图像调整成图像基线处于水平状态；

使用图像处理算法由所述薄膜轮廓图像获得薄膜边界轮廓线；

利用薄膜边界轮廓线，通过积分求得变形薄膜形成的类球缺体积，其中每一个不同的压力载荷对应一个不同的体积，得到一系列压力/体积对应值，进而获得压力体积关系曲线，优选地，通过压力/体积对应值做多项式拟合，得到的拟合曲线为所述压力体积关系曲线；

对所述压力体积关系曲线进行微分，得到所述压力液容关系曲线。

在具体的实施例中，所述薄膜边界轮廓线可使用直接阈值法和/或CV水平集算法等图像处理算法获得。

以下结合附图对本发明的具体实施例及其优点作进一步说明。

半封装微芯片样片的制备方法

参阅图1，经过软光刻制作等步骤完成半封装微芯片样片制备，具体包括以下过程：101.抛光硅片，102.旋涂光刻胶(负胶)、前烘，103.光刻、后烘，104.显影、坚模，105.倾倒PDMS(10:1)复制光刻图形、烘烤，106.等离子处理PDMS微结构一侧，107.抛光硅片，108.旋涂PDMS(RTV615固化剂和预聚物的比例为1:10)、烘烤、等离子处理PDMS薄膜表面，109.键合106、108的等离子处理面、烘烤，110.使微流道充满水、防止薄膜与流道壁面贴合，111.使PDMS结构与硅片分离、形成半封装的微芯片。半封装微芯片流道一侧仅键合一层PDMS薄膜，薄膜覆盖圆形微结构后形成圆形薄膜，作为测量部分，微芯片的进液(进气)孔通过金属毛细管与外部导管相连。芯片制作过程还可以使用玻璃，PMMA等材料，使用电子束，化学等刻蚀手段，薄膜可为圆形，矩形等具有对称性的几何形状。

PDMS薄膜液容测量装置

PDMS薄膜液容测量装置包括压力施加模块(包括气压控制器202、氮气瓶201、导管209)和观测记录模块(包括计算机203、相机204、显微镜205的物镜、显微镜载物台206)。将半封装微芯片208与一长方体的基准块207固定在一起并放置在显微镜载物台上，以保证薄膜所在平面与载物台垂直。相机204可采用科研数码相机，相机204与显微镜205的相机接口对接，数据线与计算机相203连，相机受计算机控制。气压控制器202由氮气瓶201供气，并接受计算机气压控制命令，气压控制器202的输出经过导管209作用在208的薄膜上。

PDMS薄膜液容测量平台由氮气瓶201(或其他手段，如空压机与气动三联件的组合)提供气源，氮气瓶201输出气压经过气压控制器202调节，输出稳定的气体压力。气压控制器202可以接受来自计算机203的命令，调节气压控制器202输出气压的大小，气压控制器202输出的气体经过导管209进入半封装微芯片208并作用在其薄膜上。另外，也可以使用注射泵等恒流源与压力传感器并联的方式为薄膜提供压力载荷。

对PDMS薄膜液容进行测量时，气压控制器202可由操作人员通过计算机203的软件界面进行控制，调节其输出气压的大小，将不同的压力分别作用于半封装微芯片208的PDMS薄膜上，同时，通过显微镜观测不同压力下的薄膜变形，并用相机204获取薄膜轮廓图片301。较佳地，可以以在一定压力范围内取相同压力步长的方式调节气压控制器202输出气压的大小。

为了保证薄膜液容测量的准确性，优选使半封装微芯片208上的薄膜所在平面与显微镜载物台206垂直，从而保证薄膜变形后，相机可以获取准确的薄膜轮廓。较佳地，将基准块207与半封装微芯片208固定在一起，置于显微镜载物台206上，调整显微镜载物台，使薄膜处于显微镜视场中。

PDMS薄膜液容测量方法

将半封装的微流控芯片与基准块固定后置于显微镜载物台上；气体气压控制器由氮气瓶提供气源，由计算机控制其输出压力的大小；所述气体气压控制器输出一系列稳定压力，通过导管进入所述半封装微流控芯片，作用于微芯片上的PDMS薄膜上，薄膜变形后凸起；将显微镜和数码相机相结合，用来获取变形薄膜的轮廓图片；通过图像处理获取薄膜外轮廓边界，考虑薄膜几何形状的对称性，可以利用薄膜轮廓边界，通过积分获得变形后薄膜包裹的体积，通过调节压力可获得一系列压力/体积值；再将实验所得压力体积离散点做多项式拟合，根据液容定义，对拟合曲线求微分得到液容与压力的关系。

测量过程中，压力载荷范围取0mbar到25mbar，步长为0.5mbar。通过计算机控制气压控制器202输出不同的压力。通过显微镜205调节使相机204成像呈最清晰状态并抓取不同压力值下的薄膜变形，如301所示。

图像处理算法及后期数据处理步骤如下：首先，将薄膜变形图片301做旋转微调使图片基线处于水平状态，如图302所示；其次，将薄膜变形图片302切割，只取薄膜部分303；再次，使用图像处理算法处理薄膜变形图片303，获得薄膜边界轮廓线，例如，使用直接阈值或者CV水平集等图像处理算法获得薄膜边界轮廓线，如薄膜边界轮廓线304中的红线(直接阈值法)和蓝线(CV水平集算法)，图像处理算法不限于以上两种；由于薄膜的对称性，利用薄膜边界轮廓线304，通过积分求得变形薄膜形成的类球缺体积，而每一个不同的压力载荷对应一个不同的体积，得到一系列压力/体积对应值，从而可获得压力体积关系曲线401(可对实验所得的一系列压力、体积对应值做多项式拟合，得到拟合曲线)；再对压力体积关系曲线401求微分，得到压力液容关系曲线402，即PDMS薄膜液容与施加载荷压力的关系。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种PDMS薄膜液容测量装置，其特征在于,包括输出压力可调的压力施加模块、观测记录模块和处理分析模块，所述压力施加模块将不同的压力施加到带有PDMS薄膜的半封装微芯片，所述观测记录模块获取所述PDMS薄膜在不同压力下发生变形的薄膜轮廓图像，所述处理分析模块对不同压力下的薄膜轮廓图像进行分析，得到变形后薄膜包裹的体积与所受到的压力的一系列压力/体积对应值，获得压力体积关系曲线，并根据所述压力体积关系曲线得到PDMS薄膜液容与施加载荷压力的压力液容关系曲线。

2.如权利要求1所述的PDMS薄膜液容测量装置，其特征在于,所述压力施加模块包括气源和气压控制器，所述气源输出的气压经过所述气压控制器的调节后输送到所述半封装微芯片，所述气压控制器受计算机指令控制进行气压的调节。

3.如权利要求1所述的PDMS薄膜液容测量装置，其特征在于,所述压力施加模块包括注射泵与压力控制器，所述注射泵输出的液压经过所述压力控制器的调节后输送到所述半封装微芯片，所述压力控制器受计算机指令控制进行液压的调节。

4.如权利要求1至3任一项所述的PDMS薄膜液容测量装置，其特征在于,所述观测记录模块包括显微镜和相机，所述相机与所述显微镜的相机接口对接。

5.如权利要求4所述的PDMS薄膜液容测量装置，其特征在于,所述半封装微芯片放置在显微镜载物台上，所述PDMS薄膜所在平面与所述显微镜载物台垂直，与所述显微镜的物镜光轴平齐。

6.如权利要求5所述的PDMS薄膜液容测量装置，其特征在于,所述半封装微芯片与长方体基准块固定在一起，通过所述长方体基准块放置在所述显微镜载物台上。

7.一种PDMS薄膜液容测量方法，其特征在于,使用如权利要求1至6任一项所述PDMS薄膜液容测量装置进行PDMS薄膜液容的测量，其中通过所述压力施加模块将不同的压力施加到带有PDMS薄膜的半封装微芯片，通过所述观测记录模块获取所述PDMS薄膜在不同压力下发生变形的薄膜轮廓图像，由所述处理分析模块对不同压力下的薄膜轮廓图像进行分析，得到变形后薄膜包裹的体积与所受到的压力的一系列压力/体积对应值，获得压力体积关系曲线，并根据所述压力体积关系曲线得到PDMS薄膜液容与施加载荷压力的压力液容关系曲线。

8.如权利要求7所述的PDMS薄膜液容测量方法，其特征在于,测量过程中，以在一定压力载荷范围内取相同压力步长的方式逐步调节所述压力施加模块施加到所述半封装微芯片的压力载荷，同时观测和记录所述PDMS薄膜在不同压力下发生变形的薄膜轮廓图像，优选地，压力载荷范围取0mbar到25mbar，步长为0.5mbar。

9.如权利要求7或8所述的PDMS薄膜液容测量方法，其特征在于,对不同压力下的薄膜轮廓图像进行分析包括以下步骤：

将薄膜轮廓图像调整成图像基线处于水平状态；

使用图像处理算法由所述薄膜轮廓图像获得薄膜边界轮廓线；

利用薄膜边界轮廓线，通过积分求得变形薄膜形成的类球缺体积，其中每一个不同的压力载荷对应一个不同的体积，得到一系列压力/体积对应值，进而获得压力体积关系曲线，优选地，通过压力/体积对应值做多项式拟合，得到的拟合曲线为所述压力体积关系曲线；

对所述压力体积关系曲线进行微分，得到所述压力液容关系曲线。

10.如权利要求9所述的PDMS薄膜液容测量方法，其特征在于,所述薄膜边界轮廓线使用直接阈值法和/或CV水平集算法获得。