CN107322682A - 一种用于微流控芯片pdms材料的打孔装置 - Google Patents

一种用于微流控芯片pdms材料的打孔装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于微流控芯片PDMS材料的打孔装置，属于微流控芯片加工制造领域，该装置由定位机构、打孔机构和排屑机构三部分组成，所述定位机构用以确定芯片的打孔位置；所述打孔机构用以保证打孔针头保持竖直并完成打孔；排屑机构用以保证打孔结束后，对残留在打孔针头里的碎屑进行清理；本设计可以同时实现准确定位、竖直打孔、自动排屑等功能，同时结构简单可靠，加工成本低，可以有效提高微流控芯片的加工效率，该打孔器可以广泛应用于微流控芯片制造的打孔过程，特别针对软质高分子聚合物聚二甲基硅氧烷醇(PDMS)和其他软质材料的打孔需求，可以有效改善打孔质量，提高打孔效率，为发展微流控技术做出贡献。

Description

一种用于微流控芯片PDMS材料的打孔装置
技术领域
本发明涉及一种应用于微流控芯片加工过程中的打孔装置，属于微流控芯片加工制造领域。
背景技术
微流控技术是指微米级机构中操控纳升至皮升体积实现流体流动、传热、化学反应的技术与科学，广泛应用于生物芯片、化工医药、能源、航空航天等领域，微流控技术同时具有生成速率快、反应时间短、混合充分、无交叉污染等特点，属于21世纪新兴技术，近年来国内外发展较快，并得到应用。微流控核心技术内容包括：微通道结构的设计与制造、微纳尺度流体的驱动与控制、微流器件及系统的集成与封装。本发明装置主要应用微通道设计及制造过程中的打孔环节，目前微通道制造材料以单晶硅、玻璃和高分子聚合物为主，近年来以高分子聚合物聚二甲基硅氧烷(PDMS)为材料加工微通道的方式成为微流控芯片制造的主要方式，PDMS作为一种有弹性的透明的高分子聚合物，满足微流控通道成型度高、热稳定性好、光学性能好、生物兼容性等优点，在微流控芯片制备过程中被广泛应用。在微流控芯片加工过程中，将液态的PDMS试剂和固化剂混合后浇注在刻有微通道硅板凸模上，然后待其固化后取下，在其一侧表面形成凹陷下去的微通道，然后将微通道粘在光滑的玻璃板或者硅胶板上，形成中间密封的微通道，然后在微通道的进出口位置打孔，然后插入细小的管子，实现对微通道内流体的通入和流出。目前现有的微流控芯片打孔技术主要采用注射器式打孔器手动打孔，注射器式打孔器形状类似于医用注射器但没有内部活塞杆，外筒底部有个金属针头，打孔时操作者手握打孔器，根据打孔经验目视确定打孔位置，然后手动将打孔器针头扎入PDMS芯片上，然后慢慢拔出，完成打孔过程。该打孔方式的缺点：
1.打孔位置定位不准确。微流控芯片需要在特定通道进出口处打孔，该打孔方式要求操作者通过目视定位打孔，由于芯片透明且有一定的厚度，加上光路折射会导致定位不准确，形成偏孔、废孔致使打孔失败。
2.打孔通道偏斜。芯片一般厚度为2-8mm，该方式打孔时需要操作者手握打孔器，然后保持打孔器针头与芯片垂直，然后下压扎入芯片完成打孔，但是由于需要人工保持垂直度，下压过程的手腕或者芯片的抖动都会导致打孔偏斜，致使打孔失败。
3.排屑困难。该针扎式打孔完成后，打孔所切割下来的碎屑会残留在打孔器针头内，如果不及时清理，会导致下次打孔时扎孔不锋利，扎孔困难，排屑时多采用更细小的铁丝进行疏通，这种疏通方式较为麻烦。
但该打孔器的优势在于结构简单。
在结合现有打孔技术的优缺点的技术上，本发明设计了一种打孔器，本设计可以同时实现准确定位、竖直打孔、自动排屑等功能，同时结构简单可靠，加工成本低，可以有效提高微流控芯片的加工效率，具有一定的科研和应用价值。
发明内容
本发明主要针对以上打孔过程中存在打孔定位不准确、打孔偏斜、排屑困难等困难设计了该打孔器，该打孔器可以广泛应用于微流控芯片制造的打孔过程，特别针对软质高分子聚合物聚二甲基硅氧烷醇(PDMS)和其他软质材料的打孔需求，可以有效改善打孔质量，提高打孔效率，为发展微流控技术做出贡献。
本发明采用的技术方案为一种用于微流控芯片PDMS材料的打孔装置，该装置由定位机构、打孔机构和排屑机构三部分组成，所述定位机构用以确定芯片的打孔位置，所述定位机构由LED强光灯(1)、电源、硬质滑动底板(4)、通光孔(2)、软质滑动底板(5)和底座(13)组成；所述打孔机构用以保证打孔针头保持竖直并完成打孔，所述打孔机构包括机架(11)、竖直滑孔(14)、打孔针头(6)、打孔针管(7)、弹簧(10)和按压旋钮(12)组成；排屑机构用以保证打孔结束后，对残留在打孔针头里的碎屑进行清理，排屑机构由排屑活塞(9)和单向气阀(8)组成。
底座(13)为基础部件，对整个装置起支撑作用，在底座(13)的中心位置设有中心孔，在中心孔内安装LED强光灯(1)，LED强光灯(1)通过外接电源线进行供电工作，在LED强光灯(1)的上部即底座(13)的上表面安装有两个能够往复水平滑动的底板，两个底板分别为硬质滑动底板(4)和软质滑动底板(5)，硬质滑动底板(4)和软质滑动底板(5)并行布置；两个底板通过滑槽及滑动副与底座(13)发生移动，在硬质底板(4)的中心处设有一个通光孔(2)。打孔机构的机架(11)由不锈钢材料制成并焊接在底座(13)上，机架(11)的横梁上设有竖直滑孔(14)，竖直滑孔(14)内放置一个能够上下移动的打孔针管(7)，打孔针管(7)的底部与打孔针头(6)通过螺纹连接，在打孔针管(7)的顶端凸台和机架(11)的横梁处安装有一个压缩弹簧(10)，打孔针管(7)的上部套着一个按压旋钮(12)。排屑机构由排屑活塞(9)和单向气阀(8)组成，排屑活塞(9)插在打孔针管(7)内，排屑活塞(9)能够沿打孔针管(7)的内壁进行滑动摩擦，在打孔针管(7)内形成一个能够吸气或排气的腔体，在排屑活塞(9)的表面安装有单向气阀(8)。
在上述技术方案的基础上，该打孔器工作过程如下，打孔作业时，将电源插头插入插座，打开LED强光灯(1)开关，LED强光灯(1)发出强光，这时将底板(13)滑槽内的硬质滑动底板(4)沿着滑槽移动到LED强光灯(1)的一侧，此时硬质滑动底板(4)上的通光孔(2)刚好处于LED强光灯(3)的正上方，通光孔(2)的中心轴线和上方打孔针头(6)的轴线处于同一中轴线上，以保证LED强光灯(1)发出的光透过通光孔(2)产生一个与打孔针头(6)同轴且竖直向上的定位光束，当把需要打孔的微流控芯片(3)放在通光孔(2)上方时，从通光孔(2)发出的强光会在微流控芯片(3)的下表面形成光斑。在打孔过程中，将需要打孔的软质透明的微流控芯片(3)放在硬质滑动底板(4)上，然后将活动底板移动到LED强光灯(1)的上方，使其通光孔(2)刚好与打孔针管(7)同轴，然后手动移动微流控芯片(3)，将需要打孔的位置移动移动到通光孔(2)上方的光斑处，完成定位工序。然后手动下压打孔机构中的按压旋钮(12)，按压旋钮(12)向下移动，带动打孔针管(7)向下移动，打孔针管(7)带动打孔针头(6)向下运动，此时固定在机架(13)上的排屑活塞(9)随着打孔针管(7)的向下运动，打孔针管(7)内部空间逐步扩大内部形成负压，然后外部空气从活塞上的单向气阀(8)进气，完成打孔针管(7)吸气的过程。随着打孔针管(7)继续向下运动打孔针头扎入微流控芯片(3)中，当打孔针头(6)扎入微流控芯片(3)中间位置时，停止下压，然后移动软质滑动底板(5)，将软质滑动底板(5)移动到微流控芯片(3)下方继续下压打孔针头(6)，使打孔针头(6)完全打透微流控芯片(3)，并将打孔针头(6)完全压入软质滑动底板(5)内，保证完全打通微流控芯片(3)，此时打孔切除的碎屑残留在打孔针头(6)内。打孔完成后，打孔针管(7)会在压缩弹簧(10)的弹力下回弹并向上移动，进而带动打孔针头(6)向上移动，由于打孔针管(7)内部的排气活塞杆与机架(11)相连，并且固定不动，随着打孔针管(7)的向上运动，打孔针管(7)内部空间逐步压缩，内部形成高压，由于排屑活塞(9)上的单向气阀(8)只能进气不能向外排气，所以内部高压气体只能从堵塞排屑的打孔针头(6)排出，当打孔针管(7)内部压强增加到一定值时，便将堵塞在针头内的碎屑排出，完成碎屑清理作业。
与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果。
1.应用广泛。该发明可以广泛适用于微流控芯片加工过程中打孔环节，特别针对高分子聚合物等软质材料的打孔。
2.打孔定位准确。该发明利用光线沿直线传播的原理，通过底部光源和通光孔产生一束竖直向上的光束，只需将芯片需要打孔位置移动到光束上，变回在芯片表面形成一个光亮的光斑，可以准确定位需要打孔位置。
3.打孔垂直度高。由于打孔针管只能在机架上竖直滑孔内上下移动，可以有效保证打孔针头和芯片表面的垂直度，进而保证针头打出来的孔洞完全竖直。
4.自动排屑。打孔完成后，利用打孔针管和内部活塞形成一个压缩的密闭空间，在针管的回弹的过程中自动将残留在打孔针头内的碎屑排出。
5.该发明结构简单，加工方便，制造成本低，打孔效率和打孔质量相对于传动手动扎孔有了很大提高。
附图说明
图1是本发明整体的剖视图。
图2是本发明的轴测图。
图3是本发明的主视图。
图4是本发明的左视图。
图5是本发明的俯视图。
图中：1.LED强光灯，2.通光孔，3.微流控芯片，4.硬质滑动底板，5.软质滑动底板，6.打孔针头，7.打孔针管，8.单向气阀，9.排屑活塞，10.弹簧，11.机架，12.按压旋钮，13.底座，14.竖直滑孔。
具体实施方式
1、加工要求
a)由于该发明的关键环节在于保证打孔的垂直度，因此打孔机构中的竖直滑孔轴线的垂直度和孔的圆柱度都有较高的要求。
b)压缩弹簧的自由高度在35mm左右，安装高度在30mm左右，设计刚度15-20n/min
c)为了保证机构的整体刚度，底座和机架采用不锈钢材料焊接而成，其中为了保证打孔针管可以完全打串芯片，软质滑动底板采用高密度软质泡沫板加工而成。
在硬质底板的中心处有一个直径2mm的通光孔(2)。机架横梁上有一直径为20mm深度为40mm的竖直滑孔(14)，竖直滑孔内放置一个可以上下移动直径为20mm的打孔针管(7)。

Claims (2)

1.一种用于微流控芯片PDMS材料的打孔装置，其特征在于：该装置由定位机构、打孔机构和排屑机构三部分组成，所述定位机构用以确定芯片的打孔位置，所述定位机构由LED强光灯(1)、电源、硬质滑动底板(4)、通光孔(2)、软质滑动底板(5)和底座(13)组成；所述打孔机构用以保证打孔针头保持竖直并完成打孔，所述打孔机构包括机架(11)、竖直滑孔(14)、打孔针头(6)、打孔针管(7)、弹簧(10)和按压旋钮(12)组成；排屑机构用以保证打孔结束后，对残留在打孔针头里的碎屑进行清理，排屑机构由排屑活塞(9)和单向气阀(8)组成；
底座(13)为基础部件，对整个装置起支撑作用，在底座(13)的中心位置设有中心孔，在中心孔内安装LED强光灯(1)，LED强光灯(1)通过外接电源线进行供电工作，在LED强光灯(1)的上部即底座(13)的上表面安装有两个能够往复水平滑动的底板，两个底板分别为硬质滑动底板(4)和软质滑动底板(5)，硬质滑动底板(4)和软质滑动底板(5)并行布置；两个底板通过滑槽及滑动副与底座(13)发生移动，在硬质底板(4)的中心处设有一个通光孔(2)；打孔机构的机架(11)由不锈钢材料制成并焊接在底座(13)上，机架(11)的横梁上设有竖直滑孔(14)，竖直滑孔(14)内放置一个能够上下移动的打孔针管(7)，打孔针管(7)的底部与打孔针头(6)通过螺纹连接，在打孔针管(7)的顶端凸台和机架(11)的横梁处安装有一个压缩弹簧(10)，打孔针管(7)的上部套着一个按压旋钮(12)；排屑机构由排屑活塞(9)和单向气阀(8)组成，排屑活塞(9)插在打孔针管(7)内，排屑活塞(9)能够沿打孔针管(7)的内壁进行滑动摩擦，在打孔针管(7)内形成一个能够吸气或排气的腔体，在排屑活塞(9)的表面安装有单向气阀(8)。
2.根据权利要求1所述的一种用于微流控芯片PDMS材料的打孔装置，其特征在于：，该打孔器工作过程如下，打孔作业时，将电源插头插入插座，打开LED强光灯(1)开关，LED强光灯(1)发出强光，这时将底板(13)滑槽内的硬质滑动底板(4)沿着滑槽移动到LED强光灯(1)的一侧，此时硬质滑动底板(4)上的通光孔(2)刚好处于LED强光灯(3)的正上方，通光孔(2)的中心轴线和上方打孔针头(6)的轴线处于同一中轴线上，以保证LED强光灯(1)发出的光透过通光孔(2)产生一个与打孔针头(6)同轴且竖直向上的定位光束，当把需要打孔的微流控芯片(3)放在通光孔(2)上方时，从通光孔(2)发出的强光会在微流控芯片(3)的下表面形成光斑；在打孔过程中，将需要打孔的软质透明的微流控芯片(3)放在硬质滑动底板(4)上，然后将活动底板移动到LED强光灯(1)的上方，使其通光孔(2)刚好与打孔针管(7)同轴，然后手动移动微流控芯片(3)，将需要打孔的位置移动移动到通光孔(2)上方的光斑处，完成定位工序；然后手动下压打孔机构中的按压旋钮(12)，按压旋钮(12)向下移动，带动打孔针管(7)向下移动，打孔针管(7)带动打孔针头(6)向下运动，此时固定在机架(13)上的排屑活塞(9)随着打孔针管(7)的向下运动，打孔针管(7)内部空间逐步扩大内部形成负压，然后外部空气从活塞上的单向气阀(8)进气，完成打孔针管(7)吸气的过程；随着打孔针管(7)继续向下运动打孔针头扎入微流控芯片(3)中，当打孔针头(6)扎入微流控芯片(3)中间位置时，停止下压，然后移动软质滑动底板(5)，将软质滑动底板(5)移动到微流控芯片(3)下方继续下压打孔针头(6)，使打孔针头(6)完全打透微流控芯片(3)，并将打孔针头(6)完全压入软质滑动底板(5)内，保证完全打通微流控芯片(3)，此时打孔切除的碎屑残留在打孔针头(6)内；打孔完成后，打孔针管(7)会在压缩弹簧(10)的弹力下回弹并向上移动，进而带动打孔针头(6)向上移动，由于打孔针管(7)内部的排气活塞杆与机架(11)相连，并且固定不动，随着打孔针管(7)的向上运动，打孔针管(7)内部空间逐步压缩，内部形成高压，由于排屑活塞(9)上的单向气阀(8)只能进气不能向外排气，所以内部高压气体只能从堵塞排屑的打孔针头(6)排出，当打孔针管(7)内部压强增加到一定值时，便将堵塞在针头内的碎屑排出，完成碎屑清理作业。
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