CN111468199A - 一种微纳流控芯片的夹持吸附装置及其自动对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种对准微纳流控芯片的夹持吸附装置及其自动对准方法，其包括夹持微米芯片的夹持模块和吸附旋转纳米芯片的吸附模块以及芯片自动对准的方法。其吸附模块包括步进电机、电磁推杆、换挡箱等，用来实现芯片的吸附并旋转。夹持模块包括齿条、步进电机、贴片式压力传感器等，用来夹持并平行移动芯片。两个模块通过固定板相对平行装配，保证夹持和吸附的两块芯片尽量平行。自动对准方法运用霍夫变换直线检测原理，对微纳流控芯片的直线沟道进行检测，并结合计算微米纳米沟道所成的角度，当达到设定的角度后，就可以判定自动对准成功。本发明所设计的微纳流控芯片自动操纵系统具有体积小、自动化程度高、对准精度高的优点，适用于分别具有微米结构或纳米结构的两块芯片的自动对准。

Description

一种微纳流控芯片的夹持吸附装置及其自动对准方法

技术领域

本发明涉及微纳流控芯片的装配领域，具体为一种微纳流控芯片的夹持吸附装置及其自动对准方法，属于微装配和微操作技术领域。

背景技术

微流控芯片是指在一块几平方厘米的芯片上采用微加工技术制作微沟道、微泵、微阀、微混合腔室和微反应分析腔室等单元集成的微器件。自然杂志称它为一项新的“本世纪的技术”，并且从多方面的阐述了微纳流控芯片的应用前景和发展过程，虽然只有几十年的时间，但是微纳流控芯片的应用领域已经从最开始简单的样本分析延伸到了现如今的临床诊断核酸分析、蛋白质分析、细胞筛选等方面，在生物医学等领域有广阔的应用前景。

微装配与微操作是指将多个微尺度零件或具有微尺度结构的零部件通过准确地操纵、定位、组装等方式进行装配作业，使之成为复杂微系统的技术。微装配与微操作是与宏装配相对应的，宏装配是对较大零件的装配，微装配与微操作的对象较为微小，是与宏装配完全不同的装配方法。目前，国内外学者主要从微装配与微操作系统的结构，自由度，以及装配精度进行研究设计，逐渐开发了一系列用于微装配领域的超精密装配系统，研究表明，微装配系统的结构以及选用何种辅助装置对微纳流控芯片的组装成型有十分重要的影响，尤其是在芯片对准的过程中，需要精准定位，那么微装配系统的装配精度对于微纳流控芯片能否对准成功起着十分重要的作用，因此，如何设计一套体积小、可操作性强、装配精度高的微纳流控芯片对准装置，在能够保证其具有多自由度操作、体积小的前提下，保证其高装配精度，是实现微纳流控芯片对准的关键所在。

基于以上技术问题，本发明提供了一种微纳流控芯片的夹持吸附装置及其自动对准方法，设计了一套微纳流控芯片的对准装置，其包括夹持微米芯片的夹持模块和吸附旋转纳米芯片的吸附旋转模块，两个模块通过固定板相对平行装配，保证夹持和吸附的两块芯片尽量平行，为芯片的初步对准提供保证。同时，夹持模块和吸附旋转模块这两个模块的末端都连接在移动装置上，保证这两个部分能够精准的上下左右移动，为芯片的下一步精准对准提供保障。此外，在夹持芯片的部分安装了贴片式压力传感器，实时观察夹持力的大小，避免夹坏微纳流控芯片。

发明内容

本发明的目的是提供一套微纳流控芯片自动操纵系统，该系统具有体积小、可操作性强、对准精度高的优点，可用于有纳米尺度结构的分离式微纳流控芯片的一种对准微纳流控芯片的夹持吸附装置。

为实现上述目的，本发明采用如下方案：一种微纳流控芯片的夹持吸附装置及其自动对准方法，其包括夹持微米芯片的夹持模块和吸附旋转纳米芯片的吸附模块。其吸附模块包括步进电机1、电磁推杆2、换挡箱3、移动滑块4、换挡齿轮8、换挡拨叉7、吸盘11、螺杆10、吸盘滑轨9等，其特征在于，实现芯片的吸附并旋转。夹持模块包括齿条6、步进电机、电磁推杆、换挡齿轮8、夹手片13、夹手垫12、贴片式压力传感器等，其特征在于，可以夹持并平行移动芯片。其吸附模块和夹持模块由固定板5平行连接，此装置零件所用材料均采用轻质铝钛合金。

所述吸附旋转部分换挡箱里面有换挡齿轮101，靠电磁推杆102的作用，实现主动齿轮分别与两个从动齿轮挂合与脱开，当带动丝杠103转动时，移动滑块104作用使得整体上下运动，当带动齿轮箱内的旋转齿轮时，其旋转力由轴传递给旋转部分实现旋转运动，其吸附旋转部分的圆柱齿轮两侧上装有滑道105，滑道片106前端装有螺杆107，螺杆下端装有吸盘108。

所述夹持部分其步进电机201主轴和换挡齿轮202连接，当换档到左侧的齿轮时，它与齿条203啮合，可带动整个夹紧钳移动，当换挡至右侧齿轮时，右侧齿轮通过多齿轮联动带动夹紧钳动作，使两卡爪同步的夹紧工件，且夹持部分的夹手片204上贴有夹手垫205，其材料为耐热橡胶，夹手垫上贴有很薄的压力传感器。

自动对准方法用到的霍夫变换基本原理为：将图像空间中直线上的离散像素点通过参数方程映射为霍夫空间中的曲线，并将霍夫空间中多条曲线的交点作为直线方程中的参数，映射为图像空间中的直线，所以给定直线的参数方程，可以利用霍夫变换来检测图像中的直线。

一种微纳流控芯片的夹持吸附装置及其自动对准方法，其特征在于，其对准方法包括下列步骤。

第一步：吸附纳米芯片。根据芯片的大小调节两吸盘的间距后，打开真空泵，促使真空吸盘内产生真空，当吸附力大于芯片本身的重力时可将纳米芯片吸附起来。芯片的重量M，吸附力如下：

其中，M为吸盘吸附力(N)，S为吸盘面积(cm²)，D为吸盘直径(cm)，n为吸盘个数，μ为摩擦系数，t为安全系数。

第二步：夹持微米芯片。通过控制机械手的夹持部分的步进电机，将芯片夹持起来，通过压力传感器反馈的信息实时观测夹持力的大小，避免夹持力过大破坏芯片。夹持力如下：

其中：m为被夹持芯片的质量，g为重力加速度，μ为夹片与芯片之间的摩擦系数，a为安全系数。

第三步：自动调节两块芯片的角度位置。将夹持和吸附好的微米和纳米芯片移动到指定观测区，运用霍夫变换直线检测原理，对微纳流控芯片的直线沟道进行检测，并结合计算微米纳米沟道所成的角度，当达到设定角度后，就可以判定自动对准成功。其中霍夫变换直线检测中直线的公式采用极坐标系来表示如下：

r＝L₁cosθ+L₂sinθ

其中，在微米沟道直线中建立平面直角坐标系，r为原点到直线的垂直距离，L₁为直线与x轴的截距，L₂为直线与y轴的截距，θ为r与x轴的夹角。

第四步：放置纳米芯片。达到设定角度，通过调节吸附部分的上下移动降低纳米芯片Z轴方向上的位置，使其与微米芯片调整贴合，此时关闭真空阀，纳米芯片与真空吸盘脱离，即纳米芯片与微米芯片的对准操作完成。

本发明的有益效果。

本发明所设计的微纳流控芯片自动操纵系统具有体积小、可操作性强、对准精度高的优点，适用于分别具有微米结构或纳米结构的两块芯片的对准。具体为，可以实现对芯片的吸附旋转并且可以精确的控制此部分的上升或下降动作，也可以实现对芯片的夹持并且通过步进电机精准控制此部分的左右移动。

附图说明

图1是本发明的一种对准微纳流控芯片的夹持吸附装置结构示意图。

图2是吸附模块的结构示意图。

图3是夹持模块的结构示意图。

图4是微米芯片及其芯片上微米沟道的示意图。

其中，步进电机1、电磁推杆2、换挡箱3、移动滑块4、固定板5、齿条6、换挡拨叉7、换挡齿轮8、吸盘滑轨9、螺杆10、吸盘11、夹手垫12、夹手片13、换挡齿轮101、电磁推杆102、丝杆103、移动滑块104、滑道105、滑道片106、螺杆107、吸盘108、步进电机201、换挡齿轮202、齿条203、夹手片204、夹手垫205、换挡拨叉206、电磁推杆207。

具体实施方式

本发明包括吸附模块和夹持模块，如图2所示是吸附旋转纳米芯片的吸附模块，图3所示是夹持微米芯片的夹持模块。其吸附模块包括步进电机1、电磁推杆2、换挡箱3、换挡拨叉7、吸盘11、螺杆10、吸盘滑轨9等，其特征在于，实现芯片的吸附并旋转。夹持模块包括齿条6、步进电机、电磁推杆、换挡齿轮8、夹手片13、夹手垫12、贴片式压力传感器等，其特征在于，可以夹持并平行移动芯片。其吸附模块和夹持模块由固定板平行连接，此装置零件所用材料均采用轻质铝钛合金。

所述吸附旋转部分换挡箱里面有换挡齿轮101，靠电磁推杆102的作用，实现主动齿轮分别与两个从动齿轮挂合与脱开，当带动丝杠103转动时，移动滑块104作用使得整体上下运动，当带动齿轮箱内的旋转齿轮时，其旋转力由轴传递给旋转部分实现旋转运动，其吸附旋转部分的圆柱齿轮两侧上装有滑道105，滑道片106前端装有螺杆107，螺杆下端装有吸盘108。

所述夹持部分其步进电机201主轴和换挡齿轮202连接，当换档到左侧的齿轮时，它与齿条203啮合，可带动整个夹紧钳移动，当换挡至右侧齿轮时，右侧齿轮通过多齿轮联动带动夹紧钳动作，使两卡爪同步的夹紧工件，且夹持部分的夹手片204上贴有夹手垫205，其材料为耐热橡胶，夹手垫上贴有很薄的压力传感器。

动对准方法用到的霍夫变换基本原理为：将图像空间中直线上的离散像素点通过参数方程映射为霍夫空间中的曲线，并将霍夫空间中多条曲线的交点作为直线方程中的参数，映射为图像空间中的直线，所以给定直线的参数方程，可以利用霍夫变换来检测图像中的直线。

一种对准微纳流控芯片的夹持吸附装置的对准方法，其特征在于包括下列步骤。

第一步：吸附纳米芯片。根据芯片的大小调节两吸盘的间距后，打开真空泵，促使真空吸盘内产生真空，当吸附力大于芯片本身的重力时可将纳米芯片吸附起来。芯片的重量M，吸附力如下：

其中，M为吸盘吸附力(N)，S为吸盘面积(cm²)，D为吸盘直径(cm)，n为吸盘个数，μ为摩擦系数，t为安全系数。

第二步：夹持微米芯片。通过控制机械手的夹持部分的步进电机，将芯片夹持起来，通过压力传感器反馈的信息实时观测夹持力的大小，避免夹持力过大破坏芯片。夹持力如下：

因为所用的是膜式压力传感器，当一表面承受压力而弯曲时，另一表面的径向应变和环向应变分别为：

其中：P一膜片承受的压力、μ一材料的泊松比、E一材料的扬氏模量、h一膜片的厚度、a一膜片的半径、γ一应变计算点到膜片中心的距离。

第三步：自动调节两块芯片的角度位置。将夹持和吸附好的微米和纳米芯片移动到指定观测区，运用霍夫变换直线检测原理，对微纳流控芯片的直线沟道进行检测，并结合计算微米纳米沟道所成的角度，当达到设定角度后，就可以判定自动对准成功。其中霍夫变换直线检测中直线的公式采用极坐标系来表示如下：

r＝L₁cosθ+L₂sinθ

其中，在微米沟道直线中建立平面直角坐标系，r为原点到直线的垂直距离，L₁为直线与x轴的截距，L₂为直线与y轴的截距，θ为r与X轴的夹角。

第四步：放置纳米芯片。达到设定角度，通过调节吸附部分的上下移动降低纳米芯片Z轴方向上的位置，使其与微米芯片调整贴合，此时关闭真空阀，纳米芯片与真空吸盘脱离，即纳米芯片与微米芯片的对准操作完成。

Claims (4)

1.一种微纳流控芯片的夹持吸附装置及其自动对准方法，其包括夹持微米芯片的夹持模块和吸附旋转纳米芯片的吸附模块，其所述的吸附模块包括步进电机、电磁推杆、换挡箱、换挡齿轮、换挡拨叉、旋转齿轮、丝杠齿轮、移动滑块、吸盘、螺杆、吸盘滑轨等，其特征在于，实现芯片的吸附并旋转；其所述的夹持模块包括齿条、步进电机、电磁推杆、换挡齿轮、夹手片、夹手垫、贴片式压力传感器等，其特征在于，可以夹持并平行移动芯片；另外，其吸附模块和夹持模块由固定板平行连接，此装置的零件材质为轻质铝钛合金。

2.根据权利要求1所述的一种对准微纳流控芯片的吸附模块，其特征在于，所述吸附旋转部分换挡箱里面有换挡齿轮，靠电磁推杆的作用，实现主动齿轮分别与两个从动齿轮挂合与脱开，当带动丝杠转动时，移动滑块作用使得整体上下运动，当带动齿轮箱内的旋转齿轮时，其旋转力由轴传递给旋转部分实现旋转运动，其吸附旋转部分的圆柱齿轮两侧上装有滑道，滑道片前端装有螺杆，螺杆下端装有吸盘。

3.根据权利要求1所述的一种对准微纳流控芯片的夹持模块，其特征在于，所述夹持模块的步进电机主轴和换挡齿轮连接，当换档到左侧的齿轮时，它与齿条啮合，可带动整个夹紧钳移动；当换挡至右侧齿轮时，右侧齿轮通过多齿轮联动带动夹紧钳动作，使两卡爪同步的夹紧工件，且夹持部分的夹手片上贴有天然橡胶的夹手垫，在夹手垫内侧上贴有很薄的压力传感器。

4.一种微纳流控芯片的夹持吸附装置及其自动对准方法，其特征在于，其对准方法包括下列步骤：

第一步：吸附纳米芯片，根据芯片的大小调节两吸盘的间距后，打开真空泵，促使真空吸盘内产生真空，当吸附力大于芯片本身的重力时可将纳米芯片吸附起来，芯片的重量M，吸附力如下：

其中，M为吸盘吸附力(N)，S为吸盘面积(cm²)，D为吸盘直径(cm)，n为吸盘个数,μ为摩擦系数，t为安全系数

第二步：夹持微米芯片，通过控制机械手的夹持部分的步进电机，将芯片夹持起来，通过压力传感器反馈的信息实时观测夹持力的大小，避免夹持力过大破坏芯片，夹持力如下：

其中：m为被夹持芯片的质量，g为重力加速度，μ为夹片与芯片之间的摩擦系数，a为安全系数

第三步：自动调节两块芯片的角度位置，将夹持和吸附好的微米和纳米芯片移动到指定观测区，运用霍夫变换直线检测原理，对微纳流控芯片的直线沟道进行检测，并结合计算微米纳米沟道所成的角度，当达到设定角度后，就可以判定自动对准成功，其中霍夫变换直线检测中直线的公式采用极坐标系来表示如下：

r＝L₁cosθ+L₂sinθ

其中，在微米沟道直线中建立平面直角坐标系，r为原点到直线的垂直距离，L₁为直线与x轴的截距，L₂为直线与y轴的截距，θ为r与x轴的夹角

第四步：放置纳米芯片，达到设定角度，通过调节吸附部分的上下移动降低纳米芯片Z轴方向上的位置，使其与微米芯片调整贴合，此时关闭真空阀，纳米芯片与真空吸盘脱离，即纳米芯片与微米芯片的对准操作完成。

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