CN108031498A - 基于熔体直写工艺制作微流道芯片的加工系统及加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于熔体直写工艺制作微流道芯片的加工系统，包括熔体直写沉积装置、固化剂加液装置和控制装置，控制装置包括微处理器，熔体直写沉积装置包括加热模组、注射器、金属针头、运动平台、收集板和高压电源，注射器包括内设有聚合物材料的储液仓，储液仓的下端与金属针头相连，上端与气压泵相连，气压泵与微处理器相连，加热模组设于储液仓外侧，金属针头设于收集板的上方，且金属针头所在平面与收集板所在平面垂直相交，金属针头与高压电源的高压输出端子相连，收集板具有零电势。本发明利用熔体直写技术制作微流道的主模，降低了主模宽度，提高了主模的深度，进而提升了固化剂复制并固化后的微流道芯片的深宽比。

Description

基于熔体直写工艺制作微流道芯片的加工系统及加工方法
技术领域
本发明涉及一种微流控器件加工系统，具体涉及一种基于熔体直写工艺制作微流道芯片的加工系统及加工方法。
背景技术
在过去的20年中，微流道加工技术已经在如环境、药物学、生物医药工程，特别是生物医学微系统等领域产生了推动作用，并吸引了众多不同领域的学者对此展开研究和改进。现在的微流道系统已经发展的越来越具有高性能、高系统集成度并具有自动化和控制的潜力，而且随着加工技术的进步，微流体芯片与常规尺寸的芯片相比，更加凸显小体积、安全、高分析效率、高灵敏度、短分析时间的优势。在90年代的时候，利用光刻对硅片基地进行的微流道方法是最受欢迎的加工技术，制作出了一批又一批的具有高集成度的微流道芯片，应用在生物和医药领域，如脱氧核糖核酸阵列[Weston M C,Gerner M D,FritschI.Magnetic fields for fluid motion[J].2010.等]，细胞、蛋白质的临床诊断和研究(Jebrail M J,Yang H,Mudrik J M,et al.A digital microfluidic method for driedblood spot analysis[J].Lab on a Chip,2011,11(19):3218-3224.)，利用基于玻璃和硅基底的微流道方法可以提供更加高的流道精度，但是该制造方法复杂、耗时和成本昂贵。针对该问题，有研究人员利用3D打印的方法来制作主模，并利用固化剂如二甲基硅氧烷(PDMS等)进行翻模复制，但是现有微流控芯片的加工方法不可避免地需要采用光刻和蚀刻等常规工艺，以及模塑法、软光刻、激光切蚀法和LIGA技术等特殊工艺，对于高分子聚合物材料还需要表面改性和键合等工艺，因此，现有加工工艺具有步骤繁琐、污染和设备昂贵等缺点。
针对上述问题，中国发明专利CN102411060A中公开了一种具有高深宽比微流道的微流控芯片及其制作方法，该方法通过设置多层基片的叠合实现高深宽比的微流控芯片的加工制造，尽管该发明所描述的方法工艺要求不高，但是该方法步骤复杂，需要实现多次间合，另外，基于光刻加工的微流控芯片的线宽受到限制，在实现窄线宽的流道加工的时候存在困难。因此，需要提出一种新的微流道芯片的加工系统，以解决上述问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于熔体直写工艺制作微流道芯片的加工系统，通过熔体直写技术制作微流道的主模，降低了主模宽度，提高了主模深度，进而提升了固化剂复制并固化后的微流道芯片的深宽比。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种基于熔体直写工艺制作微流道芯片的加工系统，包括熔体直写沉积装置、固化剂加液装置和控制装置，其中，
所述控制装置包括控制箱，所述控制箱内设有微处理器，所述控制箱的箱体上设有显示屏、采集开关和功能按键，所述功能按键与微处理器的信号输入端相连，所述显示屏与微处理器的信号输出端相连；
所述熔体直写沉积装置设于控制箱的上方，包括加热模组、注射器、金属针头、运动平台、收集板和高压电源，所述运动平台滑移于控制箱的上端，所述收集板的下端与运动平台固定连接，所述注射器包括内设有聚合物材料的储液仓，所述储液仓的下端与金属针头相连，上端通过气管与气压泵相连，所述气压泵与微处理器相连，所述加热模组设于储液仓的外侧，所述金属针头设于收集板的上方，且所述金属针头所在平面与收集板所在平面垂直相交，所述金属针头的下端设有射流口，所述金属针头与高压电源的高压输出端子相连，所述收集板具有零电势；
所述固化剂加液装置设于控制箱的上方，包括依次相连的输液泵、导管和压电挤出头，所述压电挤出头空间垂设于收集板的上方，所述输液泵与微处理器相连。
其中，所述运动平台沿左右和前后两个方向往复滑移。所述运动平台为单独模组，控制箱内主要存放驱动器、控制器，通过信号线、电源线与运动平台连接，是常规运动平台布局方式。
本发明实施例还提供一种基于熔体直写工艺制作微流道芯片的加工方法，包括如下步骤：
(1)聚合物材料收容于注射器的储液仓内，在加热模组的作用下，将聚合物材料高温融化形成粘流态；
(2)利用气压泵及其所连接的气管将惰性气体输送到注射器的储液仓，通过控制装置的微处理器调节气压泵的送气压力，使得粘流台的聚合物材料进入金属针头；
(3)金属针头与高压电源的高压输出端子相连，高压电源设定好合适电压并开起，流经金属针头的粘流态聚合物材料在高压电源提供的高电压激发下形成射流；
(4)由于位于金属针头处的射流与固定于运动平台上的收集板之间存在电势差，射流往收集板的方向作定向沉积运动，在这个沉积过程中，高压电源持续供给高压，能够在射流口处形成连续的射流，射流经过蒸发、牵引细化进而在收集板上形成纤维，沉积的纤维形成聚合物主模；
(5)形成主模后运动平台将收集板运送至固化剂挤出头的正下方，预处理好的固化剂装填到输液泵中，输液泵的输液段与导管相连，在控制装置的微处理器设定的参数下，输液泵将固化剂通过导管输送到压电挤出头处，然后涂覆于聚合物主模上，最终在收集板上形成主模-固化剂组合体。
其中，步骤(4)中，所述金属针头与控制板之间施加有高压电场，收集板上沉积的纤维对后来的射流有吸附作用，通过控制装置的路径规划，使熔体直写的纤维进行连续、重复沉积，进而形成单线、多层的墙体形态的聚合物主模。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：本发明利用熔体直写技术制作微流道的主模，降低了主模宽度，提高了主模的深度，进而提升了固化剂复制并固化后的微流道芯片的深宽比。另外，利用熔体直写工艺加工出来的聚合物主模属于微结构，其抗冲击能力不强的特点，本发明通过固化剂加液装置及控制装置，在主模成型后直接加液，通过对加液量及加液路径的规划性调控，实现均匀涂覆，降低涂覆时的流动冲击力，保护主模，提高复制精度，最终成型可以直接用于加热固化的主模-固化剂组合体，提高成型精度及成型效率。
附图说明
图1为本发明实施例一的结构示意图；
图2为实施例一的主视图；
图3为实施例一中单线、多层的墙体形态的聚合物主模的示意图。
附图标记说明：
1、加热模组；2、注射器；3、收集板；4、金属针头；5、运动平台；6、输液泵；7、导管；8、压电挤出头；9、控制装置；91、显示屏；92、功能按键；93、采集开关；10、纤维墙；11、固化剂。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
如图1、图2所示，一种基于熔体直写工艺制作微流道芯片的加工系统，包括熔体直写沉积装置、固化剂加液装置和控制装置，其中，
所述控制装置包括控制箱9，所述控制箱9内设有微处理器，所述控制箱9的箱体上设有显示屏91、采集开关93和功能按键92，所述功能按键92与微处理器的信号输入端相连，所述显示屏91与微处理器(FPGA处理器)的信号输出端相连。
所述熔体直写沉积装置设于控制箱9的上方，包括加热模组1、注射器2、金属针头4、运动平台5、收集板3和高压电源，所述运动平台5滑移于控制箱9的上端，所述收集板3的下端与运动平台5固定连接。本实施例中，所述运动平台5沿左右和前后两个方向往复滑移。所述运动平台为单独模组，控制箱内主要存放驱动器、控制器，通过信号线、电源线与运动平台连接，是常规运动平台布局方式，此处不再赘述。
所述注射器2包括内设有聚合物材料的储液仓，所述加热模组1设于储液仓的外侧，将聚合物材料高温融化形成粘流态。所述储液仓的下端与金属针头4相连，上端通过气管与气压泵相连，利用气压泵及其所连接的气管将惰性气体输送到注射器2的储液仓。所述气压泵与微处理器相连，通过微处理器调节合适的送气压力，使得粘流台的聚合物材料进入金属针头4。
所述金属针头4设于收集板3的上方，且所述金属针头4所在平面与收集板3所在平面垂直相交，所述金属针头4的下端设有射流口，所述金属针头4与高压电源的高压输出端子相连，所述收集板3具有零电势。当高压电源设定好合适电压并开起，流经金属针头4的粘流态聚合物材料在高压电源高压端所提供的高电压激发下形成射流，金属针头4与收集板3之间存在电势差，聚合物纤维存在大量的自由电子和正离子，且自由电子同时做热运动和由电场强度引起的定向运动，即：射流往收集板3的方向作定向沉积运动。在这个沉积过程中，通过控制高压电源持续供给高压，能够在射流口处形成连续的射流，射流经过蒸发、牵引细化进而在收集板3处形成纤维，通过控制装置9的参数设定，确定最终沉积的主模高度和宽度，并解析出路径代码，由控制装置9内置的微处理器进行数据传输及控制各组件运动，如果连续在同一条线上作往复运动，通过重复堆叠沉积，最终形成宽度仅为单纤维直径、高度取决于沉积层数的具有大深宽比的墙状流道主模。
所述固化剂加液装置设于控制箱9的上方，包括依次相连的输液泵6、导管7和压电挤出头8，所述压电挤出头8空间垂设于收集板3的上方，所述输液泵6与微处理器相连，固化剂压电挤出头8在加工过程中的数据显示在显示屏91上。
本实施例的加工系统工作时，所述的运动平台、金属针头、固化剂压电挤出头的实时运动数据通过控制装置内的嵌入式微处理器采集，以进行动态采集和处理，并在显示屏上显示动态信息，使得操作人员可以直接对显示屏91上显示的信息进行记录和分析。
利用上述的加工系统加工微流道芯片的方法包括如下步骤：
(1)聚合物材料收容于注射器的储液仓内，在加热模组的作用下，将聚合物材料高温融化形成粘流态；
(2)利用气压泵及其所连接的气管将惰性气体输送到注射器的储液仓，通过控制装置的微处理器调节气压泵的送气压力，使得粘流台的聚合物材料进入金属针头；
(3)金属针头与高压电源的高压输出端子相连(高压电源的高压输出端是一个夹，能够夹住针头的金属端)，高压电源设定好合适电压并开起，流经金属针头的粘流态聚合物材料在高压电源提供的高电压激发下形成射流；
(4)由于位于金属针头处的射流与固定于运动平台上的收集板之间存在电势差，射流往收集板的方向作定向沉积运动，在这个沉积过程中，高压电源持续供给高压，能够在射流口处形成连续的射流，射流经过蒸发、牵引细化进而在收集板上形成纤维，沉积的纤维形成聚合物主模；
其中，所述金属针头与控制板之间施加有高压电场，收集板上沉积的纤维对后来的射流有吸附作用，进而形成单线、多层的墙体形态的聚合物主模(熔体直写技术本身能够支持制作单线多层纤维墙，并在基板冷凝成为整体，线径约5～70微米，堆叠层数达240层，如图3所示)。
(5)形成主模后运动平台将收集板运送至固化剂挤出头的正下方，预处理好的固化剂装填到输液泵中，输液泵的输液段与导管相连，在控制装置的微处理器设定的参数下，输液泵将固化剂通过导管输送到压电挤出头处，然后涂覆于聚合物主模上(涂覆过程中针对加工好的主模结构的输液流量进行调节，只要固化剂浸没聚合物就可以，细微结构PDMS固化剂能够利用其流体特性自动填充)，最终在收集板上形成主模-固化剂组合体。
本发明解决了传统微流道芯片加工过程中存在的如下问题：
a、主模的深宽比受到限制；
b、主模加工成型后还需要人手进行固化剂涂覆，导致涂布不均，影响复制精度，甚至破坏主模。
本发明的加工系统可以直接利用熔体直写喷头在运动平台上沉积出聚合物主模，并利用固化剂加液挤出头在已沉积聚合物主模的基础上实现固化剂的涂覆，最终成型可以直接用于加热固化的主模-固化剂组合体，提高成型精度及成型效率。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于熔体直写工艺制作微流道芯片的加工系统，其特征在于，包括熔体直写沉积装置、固化剂加液装置和控制装置，其中，
所述控制装置包括控制箱，所述控制箱内设有微处理器，所述控制箱的箱体上设有显示屏、采集开关和功能按键，所述功能按键与微处理器的信号输入端相连，所述显示屏与微处理器的信号输出端相连；
所述熔体直写沉积装置设于控制箱的上方，包括加热模组、注射器、金属针头、运动平台、收集板和高压电源，所述运动平台滑移于控制箱的上端，所述收集板的下端与运动平台固定连接，所述注射器包括内设有聚合物材料的储液仓，所述储液仓的下端与金属针头相连，上端通过气管与气压泵相连，所述气压泵与微处理器相连，所述加热模组设于储液仓的外侧，所述金属针头设于收集板的上方，且所述金属针头所在平面与收集板所在平面垂直相交，所述金属针头的下端设有射流口，所述金属针头与高压电源的高压输出端子相连，所述收集板具有零电势；
所述固化剂加液装置设于控制箱的上方，包括依次相连的输液泵、导管和压电挤出头，所述压电挤出头空间垂设于收集板的上方，所述输液泵与微处理器相连。
2.根据权利要求1所述的基于熔体直写工艺制作微流道芯片的加工系统，其特征在于，所述运动平台沿左右和前后两个方向往复滑移。
3.一种基于熔体直写工艺制作微流道芯片的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)聚合物材料收容于注射器的储液仓内，在加热模组的作用下，将聚合物材料高温融化形成粘流态；
(2)利用气压泵及其所连接的气管将惰性气体输送到注射器的储液仓，通过控制装置的微处理器调节气压泵的送气压力，使得粘流台的聚合物材料进入金属针头；
(3)金属针头与高压电源的高压输出端子相连，高压电源设定好合适电压并开起，流经金属针头的粘流态聚合物材料在高压电源提供的高电压激发下形成射流；
(4)由于位于金属针头处的射流与固定于运动平台上的收集板之间存在电势差，射流往收集板的方向作定向沉积运动，在这个沉积过程中，高压电源持续供给高压，能够在射流口处形成连续的射流，射流经过蒸发、牵引细化进而在收集板上形成纤维，沉积的纤维形成聚合物主模；
(5)形成主模后运动平台将收集板运送至固化剂挤出头的正下方，预处理好的固化剂装填到输液泵中，输液泵的输液段与导管相连，在控制装置的微处理器设定的参数下，输液泵将固化剂通过导管输送到压电挤出头处，然后涂覆于聚合物主模上，最终在收集板上形成主模-固化剂组合体。
4.根据权利要求3所述的基于熔体直写工艺制作微流道芯片的加工方法，其特征在于，步骤(4)中，所述金属针头与控制板之间施加有高压电场，收集板上沉积的纤维对后来的射流有吸附作用，进而形成单线、多层的墙体形态的聚合物主模。
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