CN112248491B - 一种微流控芯片的复合加工装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微流控芯片的复合加工装置，它包括：超声波打孔模块、激光刻蚀模块、热压键合模块、二维精密移动平台。其超声波打孔模块包括：丝杠及导轨副、伺服电机、超声波发生器、换能器、变幅杆以及金刚石磨粒工具头等，用于玻璃基片储液池的加工；其激光刻蚀模块包括：CO2激光器、散热装置、聚焦透镜、激光补偿透镜组等，能够在聚合物基片上刻蚀微通道；其热压键合模块包括：固定伺服电机、定位套筒、螺旋升降机构、热压板等，能够实现聚合物基片与玻璃盖片的键合。该装置将三种微流控芯片的制作工艺集成于一体，实现了微流控芯片的刻蚀、打孔、键合的一体化、自动化加工。
Description
技术领域
本发明涉及微纳流控芯片的加工及装配领域，具体为一个复合多种加工方式的微流控芯片加工机构，属于微加工和微装配技术领域。
背景技术
微流控芯片又称为芯片实验室，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。微流控芯片作为一种较为新颖的分析技术平台，由于其独有的特性，它们被广泛应用于化学，生物学，工程学和医学等各个领域。
目前可以制作微流控芯片的材料比较多，不同材质的微流控芯片所采用的加工工艺也不尽相同，近几年，聚合物材料在微流控领域得到了越来越多的关注和应用，其主要原因是聚合物材料有着诸多的优点，如易加工、成本低、透性好等。聚合物制成的基片常与玻璃材质的盖片键合，但是由于涉及到不同材质和不同工艺，一种设备通常无法完成整个制作过程。现有的加工技术或需要昂贵的设备，操作成本高，技术不易掌握；或操作冗长复杂，不易快速制作，因此，如何设计一套自动化、功能集成化的微流控芯片加工装置是关键。
基于以上技术问题，本发明提供了一种微流控芯片的复合加工装置，它包括：超声波打孔模块、激光刻蚀模块、热压键合模块、二维移动平台，支撑框架。该装置将集成微通道的激光加工、超声波打孔、微流控芯片的热压机键合三种功能为一体，并且可以保证加工精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种微流控芯片的复合加工装置，该系统具有多功能、体积小、操作性强的优点，可用聚合物材料微纳流控芯片的一种复合加工装置。
为实现上述目的，本发明采用如下方案：一种微流控芯片的复合加工装置，它包括：超声波打孔模块、激光刻蚀模块、热压键合模块、二维精密移动平台。其超声波打孔模块包括：丝杠及导轨副、伺服电机、超声波发生器、换能器、变幅杆以及金刚石磨粒工具头等。其特征在于，能够实现通过数控程序控制超声波打孔的深度以及孔的位置变换。其激光刻蚀模块包括：CO2激光器、散热装置、聚焦透镜、激光补偿透镜组等，其特征在于，能够发出CO2激光束烧蚀出微流控芯片的微通道，并且通过数控程序控制激光的烧蚀路径。其热压键合模块包括：固定伺服电机、定位套筒、螺旋升降机构、热压板(内部装有电热管、热电偶)等，其特征在于，具备微流控芯片的热压键合的功能。
本装置制作微流控芯片的过程如下：
首先，将聚合物基片和玻璃盖片通过专用工装固定工作台上，启动激光刻蚀模块，二维移动平台按照预先设计好的路线移动，在基片上进行微通道刻蚀；其次，启动超声波打孔模块，二维移动平台按照编制好的数控程序钻孔和位移；最后，将加工好的基片与盖片对准放置于工作平台上进行热压键合，完成微流控芯片的制作。
本发明所设计的装置能够实现聚合物材料微流控芯片基片的微通道加工，并且可以在玻璃盖片上打孔，以及完成聚合物基片与玻璃盖片的热压键合。
本发明的优点体现在：
本发明所设计的微纳流控芯片复合加工装置将集成微通道的激光刻蚀、超声波打孔、微流控芯片的热压机键合三种功能为一体，使微流控芯片加工效率更高，并且由伺服电机、丝杠驱动的二维精密工作台保证了加工精度，实现了微流控芯片的刻蚀、打孔、键合的一体化、自动化加工。
附图说明
图1是本发明的一种微流控芯片的复合加工装置结构示意图；
图2是激光刻蚀模块的结构示意图；
图3是超声波打孔模块的结构示意图；
图4是热压键合模块的结构示意图；
图5是微流控芯片的加工工艺流程图；
图中，热压键合模块101、激光刻蚀模块102、超声波打孔模块103、激光器401、散热装置402、控制芯片403、激光补偿透镜组404-1、聚焦透镜404-2，501和502为丝杠导轨副、变幅杆503、换能器504、金刚石磨粒工具头505、超声波发生器506、为伺服电机507，热压板204、丝杠201、定位套筒203-1、圆柱导杆203-2、螺旋升降机202。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构。
本发明的总体结构如图1，包括超声波打孔模块103、激光刻蚀模块102、热压键合模块101、二维精密移动平台。
所述的超声波打孔模块(如图3)：超声波发生器506接收到伺服电机507的交流电信号后，将其转换成超声频电信号，再输入到换能器504中，换能504器会将它转成超声频机械振动，再由变幅杆503将它的振幅扩大了几十倍甚至几百倍，最后传给下方的工具头505；超声波打孔模块103的旋转由伺服电机507提供，这种旋转运动产生的撕扯力会使材料剥落地更加细小，使碎屑更利于随着悬浮液的循环而排出。这就实现了利用工具外表面的金刚石磨粒的超声频机械振动和旋转运动对工件的加工区域进行冲击、撕扯和抛磨。
所述的激光刻蚀模块(如图2)：控制电路接受来自外部控制系统的刻蚀参数和详细数据，驱使激光器401发出激光，并控制其刻蚀时间和刻蚀形状。散热装置402为激光器401散热，并加装高温断电保护装置，防止激光器401因意外的工作事故而受损。聚焦透镜404-2用来放大激光功率，激光补偿透镜组404-1受控制电路控制对激光功率进行微调，以满足更精密的刻蚀要求。
所述的热压键合模块(如图4)：当固定伺服电机后，驱动与其相连的螺旋升降机202的丝杠201升降，热压板204安装在丝杠201底部，除丝杠201之外，热压板的四个角各有一个圆柱导杆203-2。沿导杆向上是与之配合的四个定位套筒203-1，定位套筒203-1固定在支撑框架的上平面，热压板内部留有五个通孔，孔的一端插入电热管，另一端插入用于实时监测温度的热电偶，工作台内对应热压机位置安装桥式称重传感器监测热压键合时的工作压力。
使用过程(如图5)：首先，将聚合物基片和玻璃盖片通过专用工装固定工作台上，启动激光刻蚀模块，二维移动平台按照预先编制的程序路线移动，在基片上进行微通道刻蚀；其次，启动超声波打孔模块，二维移动平台按照编制好的数控程序钻孔和位移；之后，将加工好的基片与盖片对准放置于工作平台上；最后启动热压键合模块进行热压键合，完成微流控芯片的制作。
Claims (4)
1.一种微流控芯片的复合加工装置，它包括：超声波打孔模块、激光刻蚀模块、热压键合模块、二维精密移动平台；其超声波打孔模块包括：丝杠及导轨副、伺服电机、超声波发生器、换能器、变幅杆以及金刚石磨粒工具头，伺服电机设置于超声波发生器上端，其下方依次连接超声波发生器、换能器，变幅杆固定于换能器下方，金刚石磨粒工具头连接于变幅杆底部，超声波打孔模块能够实现通过数控程序控制超声波打孔的深度以及位置变换；其激光刻蚀模块包括：CO2激光器、散热装置、聚焦透镜、激光补偿透镜组，其中散热装置安装于CO2激光器侧面，聚焦透镜、激光补偿透镜组安装在CO2激光器下方，激光刻蚀模块能够发出CO2激光束烧蚀出微流控芯片的微通道，并且通过数控程序控制激光的烧蚀路径；其热压键合模块包括：固定伺服电机、定位套筒、螺旋升降机构、圆柱导杆、热压板，固定伺服电机与螺旋升降机构连接，定位套筒与圆柱导杆配合，热压板通过螺纹安装在螺旋升降机构底部，热压键合模块能够实现聚合物基片与玻璃盖片的热压键合。
2.根据权利要求1所述的一种微流控芯片的复合加工装置，其特征在于，伺服电机通电后带动下方整个钻头旋转，超声波发生器接收到伺服电机的交流电信号后，将其转换成超声频电信号，再输入到下方换能器中，换能器会将它转换成超声频机械振动，机械振动传递至变幅杆后将它的振幅扩大几十倍，最后带动焊接在变幅杆下方的金刚石磨粒工具头。
3.根据权利要求1所述的一种微流控芯片的复合加工装置，其特征在于，固定伺服电机驱动与其相连的螺旋升降机构的丝杠运动，热压板安装在丝杠底部，除丝杠之外，热压板的四个角各有一个圆柱形导杆，沿导杆向上是与之配合的四个定位套筒，限位套筒固定在支撑框架的上平面，热压板内部留有五个通孔，孔的一端插入电热管，另一端插入用于实时监测温度的热电偶，工作台内对应热压机位置安装桥式称重传感器监测热压键合时的工作压力。
4.根据权利要求1所述的一种微流控芯片的复合加工装置，其特征在于，可以完成复合材料微流控芯片的加工：首先，将聚合物基片和玻璃盖片通过专用工装固定工作台上，启动激光刻蚀模块，二维移动平台按照预先设计好的路线移动，在基片上进行微通道刻蚀；其次，启动超声波打孔模块，二维移动平台按照编制好的数控程序钻孔和位移；最后，将加工好的基片与盖片对准放置于工作平台上进行热压键合，完成微流控芯片的制作。
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