CN112454914A - 一种微流控芯片焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种微流控芯片焊接方法，包括焊接夹具、激光焊接头，控制激光焊接头移动的运动平台，分别放置在焊接夹具上的微流控芯片、透光板，其焊接方法包括以下步骤：在透光板上镀一层遮光物质，激光打标将部分遮光物质去除，在透光板上形成与流道路径L1一致的透光路径L2；焊接夹具将微流控芯片和薄膜压紧，且采用线性激光照射透光板，运动平台带动激光焊接头移动，激光焊接头释放激光能量通过透光板被微流控芯片吸收转化为热能，使得微流控芯片的微流通道和薄膜之间的接触区产生融化并形成焊缝，完成微流控芯片与薄膜的激光焊接。本发明可以实现宽度为0.1mm微流通道焊接；采用线光源可以一次扫描完成焊接，大幅提高焊接效率。

Description

一种微流控芯片焊接方法
技术领域
本发明涉及一种激光焊接技术领域，具体是一种微流控芯片焊接方法。
背景技术
一般微流道的轨迹是比较复杂的，而且比较细的，在焊接时，一方面要控制激光焊接的轨迹，再加上激光轨迹精细化就很难控制，例如，若相差0.1mm或者0.2mm，就比较难控制；另一方面若焊缝很细(宽度较窄)，焊接位置也很细。那就是要求那个光斑要控制很小，然后光斑控制很小，又会导致激光的能量集中，会导致烧烧坏产品；此外，对于这个很窄的焊缝，激光发射的光束会有热效应，会影响焊缝旁边的材料，产品外观不美观。
故现有微流道塑料中，有以下问题点：
1)、存在需要控制激光轨迹与焊接筋高度吻合；
2)、极难控制光斑大小，使其既能融化焊接筋，又不堵塞流道，这是本领域的技术难点；
3)、光束的热效应会加热非焊接筋位置，影响焊缝旁边的材料，产品外观不美观；
中国专利文献号CN110077000A于2019.08.02公开一种微流道透明塑料的焊接装置和方法，其方法包括如下步骤：将第一微流道透明塑料和第二微流道透明塑料放置于仿形腔中；启动所述夹具，降低透明玻璃介质的高度，使得透明玻璃介质与第一微流道透明塑料和第二微流道透明塑料固定夹紧；启动激光器，对第一微流道透明塑料和第二微流道透明塑料的微流道进行透射焊接，该方法达到不需要涂吸光剂可实现焊接的技术效果，但该方法采用点光源轮廓焊接，点光源光斑直径相对较大，且激光头行走轨迹与微流道路径一致。
综合上述，上述焊接方法对于微流道路径复杂、路径宽度较小、产品焊接厚度薄的焊接产品下，该方法有待进一步改进。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种焊接效率高、焊接外观良好，有效实现宽度为0.1mm微流通道焊接，且采用线光源可以一次扫描完成焊接，提高焊接效率的微流控芯片焊接方法，以克服现有技术中的不足之处。
按此目的设计的一种微流控芯片焊接方法，包括焊接夹具、激光焊接头，控制激光焊接头移动的运动平台，分别放置在焊接夹具上的微流控芯片、透光板，其焊接方法包括以下步骤：
a、在透光板上镀一层遮光物质，且对覆有遮光物质的透光板进行激光打标，在激光打标中根据微流控芯片的流道路径L1，将部分遮光物质去除，以在透光板上形成与流道路径L1一致的透光路径L2；
b、微流控芯片上覆盖有薄膜，覆有薄膜的微流控芯片、透光板分别装夹在焊接夹具上，且流道路径L1、透光路径L2在焊接夹具上形成上下对齐；
c、焊接夹具将微流控芯片和薄膜压紧，且采用线性激光照射透光板，运动平台带动激光焊接头移动，激光焊接头释放激光能量通过透光板被微流控芯片吸收转化为热能，使得微流控芯片的微流通道和薄膜之间的接触区产生融化并形成焊缝，完成微流控芯片与薄膜的激光焊接。
透光板上通过真空磁控溅射法或化学气相沉积法镀一层遮光物质。
遮光物质镀层厚度为0.1-0.2mm，表面粗糙度Ra小于0.1μm。
微流控芯片焊接方法，还包括用于识别微流控芯片的图像识别设备，图像识别设备至少为计算机，微流控芯片及其流道路径L1通过计算机生成坐标点，且计算机控制程序进行读取生成的坐标点，以控制透光板激光打标的扫描轨迹，以及控制运动平台带动激光焊接头移动的运动轨迹。
激光打标的工艺参数包括激光波长、激光功率、激光扫描速度，通过控制激光打标的工艺参数确保在透光板上形成与流道路径L1一致的透光路径L2。
激光波长为360-370nm，激光功率为2.5-3W，激光扫描速度为45-50mm/s。
激光焊接的工艺参数包括激光波长、激光功率、焊接速度、线光源的大小，通过控制激光焊接的工艺参数完成微流控芯片与薄膜的激光焊接。
激光波长为900-2000nm，激光功率为30-200W，焊接速度为5-10mm/s,线光源的长度为70-80mm，线光源的宽度为1.5-2mm，线光源的大小＝线光源的长度*线光源的宽度。
通过焊接夹具上的定位组件对透光板，以及覆有薄膜的微流控芯片进行定位装夹，实现流道路径L1、透光路径L2在焊接夹具上形成上下对齐。
本发明的有益效果如下：
本发明中透光板的透光路径L2宽度最小为0.1mm，可以实现宽度为0.1mm微流通道焊接，可以实现焊接厚度较薄的产品(如薄膜)；采用线光源可以一次扫描完成焊接，大幅提高焊接效率；此外，本发明还具有外观美观、焊缝密封性好等优点。
在透光板上镀一层遮光物质，且对覆有遮光物质的透光板进行激光打标，在激光打标中根据微流控芯片的流道路径L1，将部分遮光物质去除，以在透光板上形成与流道路径L1一致的透光路径L2；在微流控芯片、薄膜激光焊接时，相当于微流控芯片上方有一层掩膜，这样不需要控制激光轨迹与焊接筋高度吻合；容易控制光斑大小，使光斑既能融化焊接筋，又不堵塞微流控芯片的流道；光束的热效应不会加热非焊接筋位置(不会影响焊缝旁边的材料，避免焊接后产品外观产生不美观的现象)。
附图说明
图1为本发明第一实施例透光板上刻有与流道路径L1一致的透光路径L2结构示意图。
图2为本发明第一实施例微流控芯片结构示意图。
图3为本发明第一实施例透光路径的扫描轨迹结构示意图。
图4为本发明第一实施例线光斑照射透光板的结构示意图。
图5为本发明第一实施例焊接夹具的结构示意图。
图6为本发明第一实施例激光焊接头部分零件结构示意图。
图7为本发明第一实施例激光焊接设备的结构示意图。
图中，1为焊接夹具，2为激光焊接头，2.1为鲍威尔镜片，3为运动平台，4为微流控芯片，4.1为底座，5为透光板，6为遮光物质，7为薄膜，8为线光斑，9为底板，10为支撑台，11为定位板，12为下压板，13为线性导轨组件，14为导向柱，15为气缸，16为圆光斑，17为操作面板。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
第一实施例
参见图1-图7，一种微流控芯片焊接方法，包括焊接夹具1、激光焊接头2，控制激光焊接头2移动的运动平台3，分别放置在焊接夹具1上的微流控芯片4、透光板5，其焊接方法包括以下步骤：
a、在透光板5上镀一层遮光物质6，且对覆有遮光物质6的透光板5进行激光打标，在激光打标中根据微流控芯片4的流道路径L1，将部分遮光物质6去除，以在透光板5上形成与流道路径L1一致的透光路径L2；
b、微流控芯片4上覆盖有薄膜7，覆有薄膜7的微流控芯片4、透光板5分别装夹在焊接夹具1上，且流道路径L1、透光路径L2在焊接夹具上形成上下对齐；
c、焊接夹具1将微流控芯片4和薄膜7压紧，且采用线性激光照射透光板5，运动平台3带动激光焊接头2移动，激光焊接头2释放激光能量通过透光板5被微流控芯片4吸收转化为热能，使得微流控芯片4的微流通道和薄膜7之间的接触区产生融化并形成焊缝，完成微流控芯片4与薄膜7的激光焊接。
参见图1，透光板5上通过真空磁控溅射法或化学气相沉积法镀一层遮光物质6。采用激光打标的方法，根据微流控芯片4的流道路径L1，将部分遮光物质去除。
在本实施例中，透光板5在800-1000nm波长激光下的透光率达到95％以上，导热系数达到1.1W/mK以上，透光板5材质为石英玻璃或蓝宝石等。
遮光物质6镀层厚度为0.1-0.2mm，表面粗糙度Ra小于0.1μm。
在本实施例中，遮光物质6材料为金属，如铝、锌或铜等。
微流控芯片焊接方法，还包括用于识别微流控芯片4的图像识别设备，图像识别设备至少为计算机，微流控芯片4及其流道路径L1通过计算机生成坐标点，且计算机控制程序进行读取生成的坐标点，以控制透光板5激光打标的扫描轨迹，以及控制运动平台3带动激光焊接头2移动的运动轨迹。
在本实施例中，由于透光板5的结构，激光焊接头2移动的运动轨迹不需要和流道路径L1轨迹一致(即二者不需要高度吻合)。
激光打标的工艺参数包括激光波长、激光功率、激光扫描速度，通过控制激光打标的工艺参数确保在透光板5上形成与流道路径L1一致的透光路径L2。
激光波长为360-370nm，激光功率为2.5-3W，激光扫描速度为45-50mm/s。
在本实施例中，激光打标的设备为紫外激光器，其激光波长为355nm，激光功率为3W，激光扫描为速度50mm/s。
激光焊接的工艺参数包括激光波长、激光功率、焊接速度、线光源的大小，通过控制激光焊接的工艺参数完成微流控芯片4与薄膜7的激光焊接。
激光波长为900-2000nm，激光功率为30-200W，焊接速度为5-10mm/s,线光源的长度为70-80mm，线光源的宽度为1.5-2mm，线光源的大小＝线光源的长度*线光源的宽度。
在本实施例中，激光焊接采用半导体激光器，其激光波长为976nm，激光功率为200W，焊接速度为10mm/s，线光源的长度*宽度为80*2mm。
通过焊接夹具1上的定位组件对透光板5，以及覆有薄膜7的微流控芯片4进行定位装夹，实现流道路径L1、透光路径L2在焊接夹具上形成上下对齐。
参见图2、图4，微流控芯片4包括底座4.1，微流控芯片4材料为PMMA、PC、PP、PS或PET；薄膜7材料为PMMA、PC、PP、PS或PET；微流控芯片4的底座4.1材料和薄膜7材料熔化后可以相融，形成焊缝。
参见图5，焊接夹具1包括底板9、支撑台10、定位板11和下压板12；定位板11设置在支撑台10上，底板9和支撑台10之间设有线性导轨组件13，定位板11用于定位焊接产品，如微流控芯片4；线性导轨组件包括定位珠，以使支撑台10带动定位板11定位滑动在底板9，下压板12上装夹有与焊接产品形状相匹配的透光板5，对应实现流道路径L1、透光路径L2在焊接夹具中上下对齐，提高精度。解决现有只采用上下夹紧，或者采用上下、水平夹紧的方式夹紧。
底板9上对应下压板12还设有导向柱14、气缸15，导向柱14一端贯穿下压板12，气缸15的活塞杆和下压板12配合连接，气缸15驱动活塞杆，活塞杆带动下压板12沿导向柱14上下运动，以实现夹具的夹紧或松脱功能。
参见图6，激光焊接头2包括鲍威尔镜片2.1，圆光斑16通过鲍威尔镜片2.1形成线光斑8。
参见图7，焊接夹具1、运动平台3均设置在激光焊接设备中。激光焊接设备上还包括操作面板17。
运动平台3为三轴直线运动平台或多关节机械手运动平台。
第二实施例
一种微流控芯片焊接方法不同于第一实施例之处在于：激光焊接采用半导体激光器，其激光波长为900-1000nm，实现透明薄膜和不透明基体的焊接。
其它未述部分均同于第一实施例，这里不再详述。
第三实施例
一种微流控芯片焊接方法不同于第一实施例之处在于：激光焊接采用半导体激光器，其激光波长为1700-2000nm，实现透明薄膜和透明基体无添加吸光剂的焊接。
其它未述部分均同于第一实施例，这里不再详述。
上述为本发明的优选方案，显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种微流控芯片焊接方法，包括焊接夹具(1)、激光焊接头(2)，控制激光焊接头(2)移动的运动平台(3)，分别放置在焊接夹具(1)上的微流控芯片(4)、透光板(5)，其焊接方法包括以下步骤：
a、在透光板(5)上镀一层遮光物质(6)，且对覆有遮光物质(6)的透光板(5)进行激光打标，在激光打标中根据微流控芯片(4)的流道路径L1，将部分遮光物质(6)去除，以在透光板(5)上形成与流道路径L1一致的透光路径L2；
b、微流控芯片(4)上覆盖有薄膜(7)，覆有薄膜(7)的微流控芯片(4)、透光板(5)分别装夹在焊接夹具(1)上，且流道路径L1、透光路径L2在焊接夹具上形成上下对齐；
c、焊接夹具(1)将微流控芯片(4)和薄膜(7)压紧，且采用线性激光照射透光板(5)，运动平台(3)带动激光焊接头(2)移动，激光焊接头(2)释放激光能量通过透光板(5)被微流控芯片(4)吸收转化为热能，使得微流控芯片(4)的微流通道和薄膜(7)之间的接触区产生融化并形成焊缝，完成微流控芯片(4)与薄膜(7)的激光焊接。
2.根据权利要求1所述微流控芯片焊接方法，其特征在于：透光板(5)上通过真空磁控溅射法或化学气相沉积法镀一层遮光物质(6)。
3.根据权利要求2所述微流控芯片焊接方法，其特征在于：遮光物质镀层厚度为0.1-0.2mm，表面粗糙度Ra小于0.1μm。
4.根据权利要求1所述微流控芯片焊接方法，其特征在于：还包括用于识别微流控芯片(4)的图像识别设备，图像识别设备至少为计算机，微流控芯片(4)及其流道路径L1通过计算机生成坐标点，且计算机控制程序进行读取生成的坐标点，以控制透光板(5)激光打标的扫描轨迹，以及控制运动平台(3)带动激光焊接头(2)移动的运动轨迹。
5.根据权利要求4所述微流控芯片焊接方法，其特征在于：激光打标的工艺参数包括激光波长、激光功率、激光扫描速度，通过控制激光打标的工艺参数确保在透光板(5)上形成与流道路径L1一致的透光路径L2。
6.根据权利要求5所述微流控芯片焊接方法，其特征在于：激光波长为360-370nm，激光功率为2.5-3W，激光扫描速度为45-50mm/s。
7.根据权利要求4所述微流控芯片焊接方法，其特征在于：激光焊接的工艺参数包括激光波长、激光功率、焊接速度、线光源的大小，通过控制激光焊接的工艺参数完成微流控芯片(4)与薄膜(7)的激光焊接。
8.根据权利要求7所述微流控芯片焊接方法，其特征在于：激光波长为900-2000nm，激光功率为30-200W，焊接速度为5-10mm/s,线光源的长度为70-80mm，线光源的宽度为1.5-2mm，线光源的大小＝线光源的长度*线光源的宽度。
9.根据权利要求8所述微流控芯片焊接方法，其特征在于：激光波长为976nm。
10.根据权利要求1所述微流控芯片焊接方法，其特征在于：通过焊接夹具(1)上的定位组件对透光板(5)，以及覆有薄膜(7)的微流控芯片(4)进行定位装夹，实现流道路径L1、透光路径L2在焊接夹具上形成上下对齐。
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