CN112973814A - 一种用于多层微流控芯片的层间自动对准键合装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多层微流控芯片的层间自动对准键合装置及方法，该层间自动对准键合装置包括可调平热板平台、自动对准机构、自动对焦机构以及控制系统；自动对准机构用于调节上层芯片的位置和角度，实现上层芯片与下层芯片之间的平行和对准；自动对焦机构用于识别上层芯片和下层芯片的对准标记以及调平标记，并获取调平标记的位置信息、以及对准标记的位置信息和角度信息；控制系统用于根据自动对焦机构获取的位置信息和角度信息控制自动对准机构动作，并在上层芯片与下层芯片之间平行且对准后将上层芯片压紧于下层芯片。上述层间自动对准键合装置使多层微流控芯片的组装过程更加简便、快捷、高效。

Description

一种用于多层微流控芯片的层间自动对准键合装置及方法

技术领域

本发明涉及微流控芯片制造技术领域，具体涉及一种用于多层微流控芯片的层间自动对准键合装置及方法。

背景技术

近年来，微流控芯片作为一种前沿的“片上实验室”，已在工业、生物医学等领域成为重要的实验平台与分析工具。在封闭、透明的单层微流控芯片中，微流体及其中微小目标的行为与相互作用能被实时精确控制与观察，因此其被广泛应用于细胞操作与分析、生化反应与分析以及疾病症断等方面。软光刻技术能够制造出单层微流控芯片微结构模型，经过聚二甲硅氧烷(PDMS)材料在微结构模型上的覆膜、固化、拔模以及与玻璃等透明基底表面键合等工艺，具有一定功能的单层微流控芯片能够被快速制造。然而随着微流体以及微小目标控制、操作与分析的复杂度与集成度的日益升高，单层、二维的微通道已无法满足需求，因此，设计与制造具有多层、三维、复杂、集成微通道网络的微流控芯片已成为主要趋势。于是，针对多层微流控芯片的组装与制造，迫切需要一种层间结构对准与原位键合的装置和方法。

目前，多层微流控芯片的层间结构对准方法主要分为基于层间特殊结构的自主对准方法和基于视觉与对准装置的辅助对准方法。基于层间结构的自主对准指的是仅利用两层上加工出的正、负配合结构或者内置的磁引导装置，通过层间润滑实现两层微流控芯片的自主对准，该方法虽然操作简单，不需要人工的辅助对准，但是由于对准精度较低，其只适用于微结构尺寸较大的芯片层间对准，已无法满足尺寸小集成度高的微流控芯片的组装与制造。基于视觉与对准装置的辅助对准方法主要是根据显微镜下观察两层透明芯片上对准标记的相对位置，通过手动调节上下层芯片夹持装置来实现微结构的人工辅助对准。虽然该方法的对准精度较高，但由于人工观察与操作过程比较费时，导致表面改性后的芯片暴露于空气过久而容易失效，使得后期的层间永久键合效果不佳，容易造成层间的微通道泄露等多种问题。另外，该方法无法实现层间平行度的有效调节，两个非平行接触面的部分接触会导致对准后的微结构发生偏移，从而降低对准精度。此外，为了通过提高两层芯片的整体温度来提高层间永久键合能力与强度，已对准却未粘连的两层微流控芯片在被移动至热板或热箱的过程中，会因层间表面活性稳定剂的润滑与外部的扰动而发生偏移，也导致了对准精度的降低。

因此，急需提供一种自动化键合装置来实现多层微流控芯片精确、快速的对准以及稳定、高效的原位键合。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于多层微流控芯片的层间自动对准键合装置及方法，该层间自动对准键合装置使多层微流控芯片的组装过程更加简便、快捷、高效，以解决人工组装多层微流控芯片过程中组装时间长、对准精度低、键合强度不稳定等问题。

本发明采用以下具体技术方案：

一种用于多层微流控芯片的层间自动对准键合装置，包括可调平热板平台、自动对准机构、自动对焦机构以及控制系统；多层微流控芯片包括上层芯片和下层芯片，所述上层芯片和所述下层芯片均设置有一个对准标记和三个调平标记；

所述可调平热板平台包括用于支承下层芯片和加热的热板；

所述自动对准机构包括用于夹持所述上层芯片的芯片夹持器，用于调节所述上层芯片的位置和角度，实现所述上层芯片与所述下层芯片之间的平行和对准；

所述自动对焦机构用于识别所述上层芯片和所述下层芯片的对准标记以及调平标记，并获取所述调平标记的位置信息、以及所述对准标记的位置信息和角度信息；

所述控制系统与所述热板、所述自动对准机构以及所述自动对焦机构信号连接，用于根据所述自动对焦机构获取的位置信息和角度信息控制所述自动对准机构动作，并在所述上层芯片与所述下层芯片之间平行且对准后将所述上层芯片压紧于所述下层芯片。

更进一步地，所述自动对准机构还包括与所述控制系统连接的三轴自动化移动平台、自动化旋转平台以及3-PRS并联调平机构；

所述三轴自动化移动平台位于所述可调平热板平台的一侧，用于调节所述上层芯片在X、Y、Z方向的位置；

所述自动化旋转平台安装于所述三轴自动化移动平台，用于调节所述上层芯片在水平面内的角度；

所述3-PRS并联调平机构的顶部安装于所述自动化旋转平台，底部安装有所述芯片夹持器，用于调节所述上层芯片的水平度。

更进一步地，所述三轴自动化移动平台、所述自动化旋转平台以及所述3-PRS并联调平机构均包括驱动电机。

更进一步地，所述自动对焦机构包括能够沿竖直方向往复移动的Z轴移动平台、固定安装于所述Z轴移动平台的显微镜以及固定安装于所述显微镜的出光侧的高清相机；

所述显微镜位于所述可调平热板平台的顶部，并与所述控制系统连接，用于放大所述对准标记和所述调平标记，并能够自动确定所述对准标记和所述调平标记的轮廓；

所述高清相机用于采集经所述显微镜放大的图像，并将采集的图像发送到所述控制系统；

根据采集所述对准标记和所述调平标记的轮廓图像，所述控制系统计算所述对准标记和所述调平标记的位置与转角，并生成用于控制所述自动对准机构动作的控制信号。

更进一步地，所述显微镜通过支架安装于所述Z轴移动平台。

更进一步地，所述可调平热板平台还包括用于支承所述热板的可调热板底座，所述可调热板底座用于调节所述热板的水平度。

更进一步地，述可调平热板平台、所述自动对准机构以及所述自动对焦机构均设置有磁吸底座。

一种多层微流控芯片的自动对准键合方法，采用上述技术方案提供的任意一种层间自动对准键合装置，该自动对准键合方法包括以下步骤：

制作微流控芯片的上层芯片和下层芯片，并对上层芯片和下层芯片的表面进行等离子处理；

将下层芯片放置于调平的热板上，将上层芯片固定安装于芯片夹持器，并在上层芯片和下层芯片的表面添加表面活性稳定剂以维持表面活性；

采用自动对焦机构对上层芯片和下层芯片的三个调平标记进行自动对焦、识别和位置获取，通过控制系统控制所述自动对准机构运动，实现上层芯片的自动调平，使上层芯片平行于下层芯片；

采用自动对焦机构识别上层芯片和下层芯片的对准标记的轮廓、中心点和旋转角度，通过控制系统控制所述自动对准机构运动，实现上层芯片和下层芯片之间的位置、角度自动对准；

通过控制系统控制所述自动对准机构下降，直至调平对准后的上层芯片和下层芯片之间平面接触，继续控制所述自动对准机构下降预定尺寸，在上层芯片和下层芯片之间提供压紧力；

通过控制系统控制热板直接在原位对上层芯片和下层芯片进行加热来进行稳定的层间永久键合。

有益效果：

本发明的用于多层微流控芯片的层间自动对准键合装置，包括可调平热板平台、自动对准机构、自动对焦机构以及控制系统，通过自动对焦机构识别上、下层芯片的对准标记和调平标记，并获取标记的位置信息和角度信息，控制系统根据获取的位置信息和角度信息控制自动对准机构在多个方向上进行运动以调节上层芯片的位置和角度，从而使上层芯片平行且对于下层芯片；在可调平热板平台上实现上层芯片和下层芯片的原位永久键合。上述层间自动对准键合装置利用高效稳定的计算机视觉算法与运动控制算法实现大部分人工组装操作的自动化，使得多层微流控芯片的组装与制造更快捷高效，通过原位键合有效地避免了因人为操作导致的已对准芯片的错位，保证较高对准精度的同时，也提高了键合的能力和强度。

附图说明

图1为本发明的用于多层微流控芯片的层间自动对准键合装置的结构示意图；

图2为多层微流控芯片的上层芯片的结构示意图；

图3为本发明的用于多层微流控芯片的层间自动对准键合装置的控制原理图；

图4为本发明的多层微流控芯片的自动对准键合方法的工艺流程图。

其中，1-可调平热板平台，2-自动对准机构，3-自动对焦机构，4-控制系统，5-上层芯片，6-下层芯片，11-热板，12-可调热板底座，21-芯片夹持器，22-三轴自动化移动平台，23-自动化旋转平台，24-3-PRS并联调平机构，25-移动平台驱动电机，26-旋转平台驱动电机，31-Z轴移动平台，32-显微镜，33-高清相机，34-支架，35-Z轴驱动电机，36-滑轨，51-微通道，52-对准标记，53-调平标记

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

实施例一

本发明实施例提供了一种用于多层微流控芯片的层间自动对准键合装置，该层间自动对准键合装置用于多层微流控芯片的上层芯片5与下层芯片6之间的对准、调平和键合，为了方便说明，在本实施例中仅以双层结构的微流控芯片为例进行说明，即，以上层芯片5和下层芯片6为例，对于多层微流控芯片的组装和制造，通过重复双层结构的微流控芯片即可实现。

如图1结构所示，该层间自动对准键合装置包括可调平热板平台1、自动对准机构2、自动对焦机构3以及控制系统4；多层微流控芯片包括上层芯片5和下层芯片6，上层芯片5和下层芯片6均设置有一个对准标记52和三个调平标记53；如图2所示的上层芯片5，上层芯片5设置有微通道51，在上层芯片5的表面设置有一个“十”字形对准标记52，同时在上层芯片5的表面还设置有三个调平标记53；可以如2中所示，对准标记52的尺寸大于调平标记53的尺寸，三个调平标记53分散设置在上层芯片5的表面；

可调平热板平台1包括用于支承下层芯片6和加热的热板11；如图1所示，可调平热板平台1还可以包括用于支承热板11的可调热板底座12，可调热板底座12用于调节热板11的水平度；下层芯片6放置于热板11的顶面，热板11在支承下层芯片6的同时，还用于在上层芯片5和下层芯片6键合时对上层芯片5和下层芯片6进行加热；热板11直接用作调平和对准等操作的平台，可以通过旋钮来调整热板11以及放置其上的微流控芯片的水平度；

自动对准机构2包括用于夹持上层芯片5的芯片夹持器21，用于调节上层芯片5的位置和角度，实现上层芯片5与下层芯片6之间的平行和对准；如图1结构所示，芯片夹持器21用于夹持上层芯片5，并使上层芯片5位于下层芯片6的顶部；通过自动对准机构2在空间内的移动或转动实现上层芯片5的调平和对准；自动对准机构2还可以包括与控制系统4连接的三轴自动化移动平台22、自动化旋转平台23以及3-PRS并联调平机构24；三轴自动化移动平台22位于可调平热板平台1的一侧，用于调节上层芯片5在X、Y、Z方向的位置；X、Y、Z分别代表笛卡尔坐标系中的X轴、Y轴和Z轴，X方向为水平面内的横向，Y方向为水平面内的纵向，Z方向为垂直于水平面的竖直方向；三轴自动化移动平台22可以通过移动平台驱动电机25实现在X、Y、Z方向的位置移动，从而带动上层芯片5在三维空间内的位置移动；自动化旋转平台23安装于三轴自动化移动平台22，用于调节上层芯片5在水平面内的角度；如图1结构所示，自动化旋转平台23安装于三轴自动化移动平台22，能够相对于三轴自动化移动平台22转动，从而实现上层芯片5在水平面内的角度调节；自动化旋转平台23可以通过旋转平台驱动电机26进行驱动；3-PRS并联调平机构24的顶部可以通过导轨(图中未示出)和限位装置(图中未示出)安装于自动化旋转平台23，底部安装有芯片夹持器21，用于调节上层芯片5的水平度；如图1结构所示，由于3-PRS并联调平机构24安装于自动化旋转平台23，自动化旋转平台23安装于三轴自动化移动平台22，因此，3-PRS并联调平机构24能够在三轴自动化移动平台22的带动下能够实现三维空间内的位置移动，同时还能在自动化旋转平台23的带动下实现在水平面内的转动，并且自身具有三个转动自由度，使得上层芯片5能够在3-PRS并联调平机构24的带动下实现在三维空间内的全方位调节，从而使得上层芯片5能够与下层芯片6平行；3-PRS并联调平机构24同样可以采用驱动电机进行驱动；

自动对焦机构3用于识别上层芯片5和下层芯片6的对准标记52以及调平标记53，并获取调平标记53的位置信息、以及对准标记52的位置信息和角度信息；如图1结构所示，自动对焦机构3可以包括能够沿竖直方向往复移动的Z轴移动平台31、固定安装于Z轴移动平台31的显微镜32以及固定安装于显微镜32的出光侧的高清相机33；Z轴移动平台31可以包括滑轨36、安装于滑轨36顶部的Z轴驱动电机35和支架34，Z轴移动平台31具有大行程、高精度和位置反馈功能；显微镜32通过支架34安装于Z轴移动平台31；支架34与滑轨36之间滑动配合；通过Z轴驱动电机35能够带动支架34沿滑轨36往复移动，从而实现显微镜32在竖直方向上的位置调节；显微镜32位于可调平热板平台1的顶部，并与控制系统4连接，用于放大对准标记52和调平标记53，并能够自动确定对准标记52和调平标记53的轮廓，显微镜32能够通过上下移动实现芯片上标记的对焦调整；高清相机33用于采集经显微镜32放大的图像，并将采集的图像发送到控制系统4；根据采集对准标记52和调平标记53的轮廓图像，控制系统4计算对准标记52和调平标记53的位置与转角，并生成用于控制自动对准机构2动作的控制信号；

如图3所示，控制系统4与热板11、自动对准机构2以及自动对焦机构3信号连接，用于根据自动对焦机构3获取的位置信息和角度信息控制自动对准机构2动作，并在上层芯片5与下层芯片6之间平行且对准后将上层芯片5压紧于下层芯片6。控制系统4对每个自由度上的驱动电机进行驱动控制，若已知每个标记的相对位置，通过计算每个驱动电机的执行量则能够实现调平与对准操作的自动化。

上述层间自动对准键合装置包括可调平热板平台1、自动对准机构2、自动对焦机构3以及控制系统4，通过自动对焦机构3识别上、下层芯片6的对准标记52和调平标记53，并获取标记的位置信息和角度信息，控制系统4根据获取的位置信息和角度信息控制自动对准机构2在多个方向上进行运动以调节上层芯片5的位置和角度，从而使上层芯片5平行且对于下层芯片6；在可调平热板平台1上实现上层芯片5和下层芯片6的原位永久键合。上述层间自动对准键合装置利用高效稳定的计算机视觉算法与运动控制算法实现大部分人工组装操作的自动化，使得多层微流控芯片的组装与制造更快捷高效，通过原位键合有效地避免了因人为操作导致的已对准芯片的错位，保证较高对准精度的同时，也提高了键合的能力和强度。

为了方便移动和安装，可调平热板平台1、自动对准机构2以及自动对焦机构3均设置有磁吸底座(图中未示出)。

为了上述层间自动对准键合装置实现自动对焦与自动调平功能，可采用自动对焦算法，使Z轴移动平台31上的显微镜32能够自动确定视野范围内标记的清晰轮廓及其位置，芯片上三个已知的调平标记53位置信息用于3-PRS并联调平机构24实现自动调平。对于自动对准功能，可以采用标记识别算法，通过显微镜32和高清相机33获得清晰标记的轮廓后，通过计算得出标记的位置与转角，上层芯片5和下层芯片6上对准标记52的相对位置与相对转角等信息用于自动对准机构2实现自动对准。因此，利用高效稳定的计算机视觉算法与运动控制算法实现人工组装操作的自动化，使得多层微流控芯片的组装与制造更快捷高效；通过3-PRS并联调平机构24有效地解决了两芯片非平行接触带来的对准误差，进一步提高了对准精度；同时，微流控芯片通过原位键合有效地避免了因人为操作导致的已对准芯片的错位，保证较高对准精度的同时，也提高了键合的能力和强度。

实施例二

本发明实施例还提供了一种多层微流控芯片的自动对准键合方法，采用上述实施例提供的层间自动对准键合装置进行，参考图4，该自动对准键合方法包括以下步骤：

步骤S10，制作微流控芯片的上层芯片5和下层芯片6，并对上层芯片5和下层芯片6的表面进行等离子处理；在制作微流控芯片的上层芯片5和下层芯片6时，可以按照典型的单层微流控芯片的加工方法进行制作加工；通过对微流控芯片的表面进行等离子处理，使两表面发生功能化，便于两表面对准后的永久键合；

步骤S20，将下层芯片6放置于调平的热板11上，将上层芯片5固定安装于芯片夹持器21，并在上层芯片5和下层芯片6的表面添加表面活性稳定剂以维持表面活性；此时，上层芯片5和下层芯片6之间具有间隙；

步骤S30，采用自动对焦机构3对上层芯片5和下层芯片6的三个调平标记53进行自动对焦、识别和位置获取，通过控制系统4控制自动对准机构2运动，实现上层芯片5的自动调平，使上层芯片5平行于下层芯片6；Z轴移动平台31带动显微镜32沿竖直方向移动，三轴自动化移动平台22带动固定于芯片夹持器21的上层芯片5，利用计算机视觉技术，实现上层芯片5上的三个调平标记53的自动对焦、识别和位置获取；在得知三个处于不同高度的调平标记53点位后，三点能够确定上层芯片5贴合面所处的唯一平面，控制系统4控制3-PRS并联调平机构24实现上层芯片5的自动调平；

步骤S40，采用自动对焦机构3识别上层芯片5和下层芯片6的对准标记52的轮廓、中心点和旋转角度，通过控制系统4控制自动对准机构2运动，实现上层芯片5和下层芯片6之间的位置、角度自动对准；利用计算机视觉算法，上层芯片5和下两层芯片上对准标记52的轮廓、中心点和旋转角度能够分别被清晰识别，同时两个对准标记52所处的位置和旋转角度也被计算和记录，控制系统4根据计算结果控制三轴自动化移动平台22以及自动化旋转平台23运动，分别实现上层芯片5和下层芯片6之间的位置自动对准和角度自动对准；

步骤S50，通过控制系统4控制自动对准机构2下降，直至调平对准后的上层芯片5和下层芯片6之间平面接触，继续控制自动对准机构2下降预定尺寸，在上层芯片5和下层芯片6之间提供压紧力；

步骤S60，通过控制系统4控制热板11直接在原位对上层芯片5和下层芯片6进行加热来进行稳定的层间永久键合，从而实现两层微流控芯片的精确、快速、稳定组装。

在本发明的实施例中，微流控芯片可以为PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)微流控芯片。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于多层微流控芯片的层间自动对准键合装置，其特征在于，包括可调平热板平台、自动对准机构、自动对焦机构以及控制系统；多层微流控芯片包括上层芯片和下层芯片，所述上层芯片和所述下层芯片均设置有一个对准标记和三个调平标记；

所述可调平热板平台包括用于支承下层芯片和加热的热板；

所述自动对准机构包括用于夹持所述上层芯片的芯片夹持器，用于调节所述上层芯片的位置和角度，实现所述上层芯片与所述下层芯片之间的平行和对准；

所述自动对焦机构用于识别所述上层芯片和所述下层芯片的对准标记以及调平标记，并获取所述调平标记的位置信息、以及所述对准标记的位置信息和角度信息；

所述控制系统与所述热板、所述自动对准机构以及所述自动对焦机构信号连接，用于根据所述自动对焦机构获取的位置信息和角度信息控制所述自动对准机构动作，并在所述上层芯片与所述下层芯片之间平行且对准后将所述上层芯片压紧于所述下层芯片。

2.如权利要求1所述的层间自动对准键合装置，其特征在于，所述自动对准机构还包括与所述控制系统连接的三轴自动化移动平台、自动化旋转平台以及3-PRS并联调平机构；

所述三轴自动化移动平台位于所述可调平热板平台的一侧，用于调节所述上层芯片在X、Y、Z方向的位置；

所述自动化旋转平台安装于所述三轴自动化移动平台，用于调节所述上层芯片在水平面内的角度；

所述3-PRS并联调平机构的顶部安装于所述自动化旋转平台，底部安装有所述芯片夹持器，用于调节所述上层芯片的水平度。

3.如权利要求2所述的层间自动对准键合装置，其特征在于，所述三轴自动化移动平台、所述自动化旋转平台以及所述3-PRS并联调平机构均包括驱动电机。

4.如权利要求3所述的层间自动对准键合装置，其特征在于，所述自动对焦机构包括能够沿竖直方向往复移动的Z轴移动平台、固定安装于所述Z轴移动平台的显微镜以及固定安装于所述显微镜的出光侧的高清相机；

所述显微镜位于所述可调平热板平台的顶部，并与所述控制系统连接，用于放大所述对准标记和所述调平标记，并能够自动确定所述对准标记和所述调平标记的轮廓；

所述高清相机用于采集经所述显微镜放大的图像，并将采集的图像发送到所述控制系统；

根据采集所述对准标记和所述调平标记的轮廓图像，所述控制系统计算所述对准标记和所述调平标记的位置与转角，并生成用于控制所述自动对准机构动作的控制信号。

5.如权利要求4所述的层间自动对准键合装置，其特征在于，所述显微镜通过支架安装于所述Z轴移动平台。

6.如权利要求1-5任一项所述的层间自动对准键合装置，其特征在于，所述可调平热板平台还包括用于支承所述热板的可调热板底座，所述可调热板底座用于调节所述热板的水平度。

7.如权利要求6所述的层间自动对准键合装置，其特征在于，所述可调平热板平台、所述自动对准机构以及所述自动对焦机构均设置有磁吸底座。

8.一种多层微流控芯片的自动对准键合方法，采用如权利要求1-7中任意一项所述的层间自动对准键合装置，其特征在于，自动对准键合方法包括以下步骤：

制作微流控芯片的上层芯片和下层芯片，对上层芯片和下层芯片的表面进行等离子处理；

将下层芯片放置于调平的热板上，将上层芯片固定安装于芯片夹持器，并在上层芯片和下层芯片的表面添加表面活性稳定剂以维持表面活性；

采用自动对焦机构对上层芯片和下层芯片的三个调平标记进行自动对焦、识别和位置获取，通过控制系统控制所述自动对准机构运动，实现上层芯片的自动调平，使上层芯片平行于下层芯片；

采用自动对焦机构识别上层芯片和下层芯片的对准标记的轮廓、中心点和旋转角度，通过控制系统控制所述自动对准机构运动，实现上层芯片和下层芯片之间的位置、角度自动对准；

通过控制系统控制所述自动对准机构下降，直至调平对准后的上层芯片和下层芯片之间平面接触，继续控制所述自动对准机构下降预定尺寸，在上层芯片和下层芯片之间提供压紧力；

通过控制系统控制热板直接在原位对上层芯片和下层芯片进行加热来进行稳定的层间永久键合。

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