CN1264009C - 塑料微流控芯片自动对准装置 - Google Patents

Abstract

本发明的塑料微流控芯片自动对准装置是一种高精度的、主要用于塑料微流控芯片的基片、盖片间的自动对准，其对准精度高于3μm，采用显微视觉伺服的控制方式实现基片、盖片上标记间的对准，进而达到基片、盖片对准之目的，整套装置主要由减振装置、光学子系统、四轴运动平台、镜头位置调节装置、粗定位装置、盖片操作装置以及预联接装置组成，整个对准过程分为预对准、对准、预联接三个工序，对准过程中，基片保持不动，通过四轴运动平台实现盖片微小位姿的调整，为减小标记对准误差，采用了分视场的方式，即应用两个相同的可自动变焦、聚焦的显微视觉系统，而预联接采用了热熔接的原理，本发明的突出特点就是所有运动都是在以工控机为核心的计算机控制系统控制下自动实现的，另外，整套装置还具有结构紧凑、操作方便等优点，该对准台可扩展作为普通芯片的自动对准装置。

Description

塑料微流控芯片自动对准装置

技术领域

本发明涉及一种用于生物医药方面用的微流控芯片的自动对准装置。

背景技术

微流控芯片是90年代末期发展起来的一项高新技术，从它的分析性能看，其未来的应用领域将十分广泛，但目前的重点显然在生物医药方面。

微流控芯片的出现不仅可使珍贵的生物试样与试剂消耗大大降低到微升甚至纳升级，而且使分析速度成十倍百倍地提高，费用成十倍、百倍地下降，从而为分析测试技术普及到千家万户创造了条件。

目前对准芯片常规采用的是带卡盘的方法，卡盘不但结构复杂而且操作也不灵活，这就使它在运送芯片的过程中不能准确地保持芯片的对准精度，从而就会产生一定的对准误差。此外，使用卡盘来制备微流控芯片，自动化程度不高，需要很多人为的辅助工作，例如把片子放到卡盘上、片子在卡盘上的初定位以及将卡盘送到键合台都需要人来参与。所以当需要进行大批量生产微流控芯片时，其生产效率就会显得很低。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种不使用卡盘，而采用热熔接的方法来对对准好的芯片进行预联接，然后再进一步进行键合的自动对准装置。

本发明的塑料微流控芯片自动对准装置，至少应包括减振装置、光学子系统、四轴运动平台、镜头位置调节装置、粗定位装置、盖片操作装置、预联接装置，所述的减振装置由隔振橡胶垫和减振台构成，减振台安装在隔振橡胶垫上；底座安装在减振台上，运动平台支撑板与底座之间安装有四根大支柱，载物台与运动平台支撑板之间安装有四根小支柱，运动平台支撑板上设有供光学镜头通过的两个通孔，四轴运动平台安装在运动平台支撑板上，盖片操作装置通过操作臂同Z轴移动平台连接，载物台的两对边上分别安装有两个导轨气缸，两个导轨气缸上分别连接有预联接装置，两个预联接装置的中间安放有盖片操作装置；所述的光学子系统由两套自动变焦调焦的光学镜头和CCD摄像头构成，光学镜头安装在镜头支架上，镜头支架穿过底座中心的孔安装在减振台上；CCD摄像头安装在镜头座上，镜头座安装在减振台上；所述的四轴运动平台由X轴、Y轴和Z轴移动平台、绕Z轴转动平台和连接板构成，Z轴移动平台通过连接板与Z轴转动平台连接，Z轴转动平台通过连接板与Y轴移动平台连接，Y轴移动平台固连在X轴移动平台上，X轴移动平台安装在运动平台支撑板上；所述的粗定位装置由笔形气缸支架、笔形气缸、拉伸弹簧、弹簧悬挂螺钉、转轴螺钉、定位拔片、定位拔杆、定位柱、真空沟道构成，笔形气缸支架安装在载物台的侧面上，笔形气缸安装在笔形气缸支架上，定位拔片通过转轴螺钉安装在载物台上，定位拔片同笔形气缸相对处为凹槽，凹槽相对面为V形口，V形口的两端部安装有定位拔杆，定位拔片上设有供拉伸弹簧固定的螺钉；所述的盖片操作装置由操作臂、盖片吸盘、柔性柱、真空接头、调节螺母构成，盖片吸盘的上端面安装有三个柔性柱，三个柔性柱分别通过调节螺母安装在操作臂上，盖片吸盘的下端面设有真空沟道，真空接头的一端安装在盖片吸盘的真空沟道上，另一端穿过操作臂上的孔。

微流控芯片是生物医药领域的易耗品，其广泛的应用前景亟待芯片批量化生产的实现。自动对准台作为微流控芯片自动化生产线系统中的关键设备之一，它的出现给微流控芯片的制作带来了以下优点：①提高了基盖片间的对准精度。自动对准能消除人为因素影响。②改善了芯片的质量。自动化生产能保证稳定的芯片质量。③大大提高了芯片制作的效率。

附图说明

图1是本发明装置的正视图。

图2是图1的右视图。

图3是光学子系统的结构示意图。

图4是四轴运动平台的正视图。

图5是图4右视图。

图6是粗定位装置的结构示意图。

图7是盖片操作装置的正视图。

图8是图7的仰视图。

图中：1.隔振橡胶垫   2.减振台   3.底座   4.大支柱5.运动平台支撑板   6.小支柱   7.载物台   8.四轴运动平台9.盖片操作装置      10.预联接装置     10′.预联接装置     11.导轨气缸11′.导轨气缸       12.光学子系统     13.粗定位装置701.定位柱          702.真空沟道      801.X轴移动平台     802.Y轴移动平台803.Z轴移动平台     804.Z轴转动平台   805.L形连接板       806.连接板901.操作臂          902.盖片吸盘      903.真空接头        904.柔性柱A905.柔性柱B         906.柔性柱C       907.调节螺母        908.真空沟道1201.镜头座B        1202.定位块       1203.定位块挡块     1204.CCD摄像头B1205.光学镜头B      1206.镜头支架B    1207.镜头座A        1208.CCD摄像头A1209.光学镜头A      1210.镜头支架A1301.笔形气缸支架   1302.笔形气缸     1303.拉伸弹簧       1304.螺钉1305.转轴螺钉       1306.定位拔片     1307.定位拔杆

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

请参见图1～2所示，本发明的塑料微流控芯片(芯片由盖片和基片组成)自动对准装置，包括7个子系统，其中减振装置，用以降低振动对系统稳定性的影响，从而提高图像质量；光学子系统12，用以采集芯片上的标记图像，然后通过一定的图像处理算法可以得到芯片上标记间的位置偏差；四轴运动平台8，用以调整盖片对于基片的相对位置，从而使个芯片上的标记对准；镜头位置调节装置，用以调整两个镜头间的中心距，以使该对准装置适用于不同大小的芯片；粗定位装置13，用以对载物台7上的基片进行自动粗定位，使基片上标记落在镜头的视场以内；盖片操作装置9，用以吸附盖片，并由四轴运动平台8驱动对盖片的位置进行精密定位，最后再通过柔性柱A 904、柔性柱B 905、柔性柱C 906产生的弹性压力把盖片紧紧地压在基片上；预联接装置10，用以把对准好的基片和盖片预先轻轻地联接在一起。该塑料微流控芯片的基片、盖片间的自动对准，其对准精度高于3μm，采用显微视觉伺服的控制方式实现基片、盖片上标记间的对准，进而达到基片、盖片对准之目的。所述的四轴运动平台(8)中各个轴的运动是解耦运动，Z轴移动平台(803)实现盖片与基片的接近与离开；X轴移动平台(801)、Y轴移动平台(802)与Z轴转动平台(804)实现盖片的位姿的微调，其移动平台单轴的运动定位精度高于3μm，其转动平台的运动定位精度高于1μrad。

在本发明中，减振装置由隔振橡胶垫1和减振台2构成，减振台2安装在隔振橡胶垫1上。隔振橡胶垫1用以隔开外部振动源；减振台2用以减小振动对系统稳定性的影响。底座3安装在减振台2上，运动平台支撑板5与底座3之间安装有四根大支柱4，载物台7与运动平台支撑板5之间安装有四根小支柱6，运动平台支撑板5上设有供光学镜头通过的两个通孔，四轴运动平台8安装在运动平台支撑板5上，盖片操作装置9通过操作臂901同Z轴移动平台803连接，载物台7的两对边上分别安装有两个导轨气缸11、11′，两个导轨气缸11、11′上分别连接有预联接装置10、10′，两个预联接装置10、10′的中间安放有盖片操作装置9，在载物台7安放盖片操作装置9的相对位置处设有定位柱701和真空沟道702，真空沟道702同盖片操作装置9上的真空沟道908相对应。(如图1、图4、图5、图6、图8所示)

所述的光学子系统12由两套自动变焦调焦的光学镜头和CCD摄像头构成，两套光学子系统12的结构相同，安装过程为光学镜头安装在镜头支架上，镜头支架穿过底座3中心的孔安装在减振台2上；CCD摄像头安装在镜头座上，镜头座安装在减振台2上；两个光学镜头，用以将标记成像于CCD的电荷耦合芯片上；两个CCD摄像头，用以将图像的光学信号转换成电信号并存储下来。所述的镜头座B 1201上设有镜头位置调节装置，该装置由定位块1202和定位块挡块1203构成，定位块1202放在定位块挡1203块和镜头座B 1201之间的空槽内，镜头座B 1201安装在减振台2上，定位块(1202)滑动的位置范围0～7mm。镜头座B 1201，用以安装CCD摄像头B 1204和光学镜头B 1205；定位块1202，用以确定两个光学镜头1205和1209之间的中心距；定位块挡块1203，用以让镜头座B 1201沿其两边滑动，并用定位块1202定位，进而调整两个光学镜头1205和1209之间的中心距(如图1、图2、图3所示)。所述的自动变焦调焦光学镜头为0.75～5.25倍变焦；加上显微镜头后为3.6～25.3、此时视场为1100×1500um～180×250um；物距33mm；变焦及调焦驱动源均采用步进电机：15度步距角，带262:1的减速箱。所述的CCD摄像头为数字CCD：1394传输标准，32～37Mbyte/s带宽，支持100、200、400Mbits/sec，C型接口、1/2英寸(6.4×4.8mm)成像靶面、象素尺寸8.3×8.3um、帧速30f/sec。

所述的四轴运动平台8由X轴移动平台801、Y轴移动平台802和Z轴移动平台803、Z轴转动平台804和连接板A 805、连接板B 806构成，Z轴移动平台803通过L形连接板A 805与Z轴转动平台804连接，Z轴转动平台804通过连接板B 806与Y轴移动平台802连接，Y轴移动平台802固连在X轴移动平台801上，X轴移动平台801安装在运动平台支撑板5上。三个移动平台(801、802、803)，用以驱使盖片实现三个正交方向的平动；一个转动平台804，用以驱使盖片实现沿垂直方向的转动(如图4、图5所示)。在本发明中，移动平台驱动源为直流伺服电机，电机功率0.8W，编码器2048counts/rev，丝杠螺距0.4mm，分辨率0.05μm，行程5mm。转动平台驱动源为直流伺服电机，电机功率2W，编码器60counts/rev，丝杠螺距0.5mm，推杆行程10mm；转台推臂长44mm，转角距离比为22.7μrad/μm，转台分辨率1μrad，转台行程12.6°。

所述的粗定位装置13由笔形气缸支架1301、笔形气缸1302、拉伸弹簧1303、弹簧悬挂螺钉1304、转轴螺钉1305、定位拔片1306、定位拔杆1307、定位柱、真空沟道构成，笔形气缸支架1301安装在载物台7的侧面上，笔形气缸1302安装在笔形气缸支架1301上，定位拔片1306通过转轴螺钉1305安装在载物台7上，定位拔片1306同笔形气缸1302相对处为凹槽，凹槽相对面为V形口，V形口的口宽为10～50°，V形口的两端部安装有定位拔杆1307，定位拔片1306上设有供拉伸弹簧1303固定的螺钉1304。小气缸支架1301，用以安装笔形气缸1302；笔形气缸1302，用以推动定位拔片1306；拉伸弹簧1303，用以让定位拔片1306在笔形气缸1302的推杆缩回时自动回位；弹簧悬挂螺钉1304，用以悬挂拉伸弹簧1303；转轴螺钉1305，用以作为定位拔片1306的转轴；定位拔片1306，用以带动定位拔杆1307，并拨动基片使其靠在定位柱701上；定位拔杆1307，用以拨动基片使其靠在定位柱701上；定位柱701，用以让基片靠在其边缘上，起定位作用；真空沟道702，用以吸附并固定基片。(如图6所示)

所述的盖片操作装置9由操作臂901、盖片吸盘902、真空接头903、调节螺母907、三个柔性柱构成，盖片吸盘902的上端面安装有柔性柱A(904)、柔性柱B(905)、柔性柱C(906)三个柔性柱，这三个柔性柱分别通过调节螺母907安装在操作臂901上，盖片吸盘902的下端面设有真空沟道908，真空接头903的一端安装在盖片吸盘902的真空沟道908上，另一端穿过操作臂901上的孔。操作臂901用以安装盖片操作装置9的其它零件，并接受四轴运动平台8产生的运动，从而使盖片操作装置9对盖片进行各种操作；盖片吸盘902通过盖片吸盘902上的真空沟道908产生真空并吸附盖片；所述柔性柱A 904和柔性柱B 905的刚度相等，柔性柱C 906的刚度小于或等于柔性柱A 904或柔性柱B 905，这三个柔性柱，用以调整盖片吸盘902与载物台7之间的平行度和距离，并产生一定弹力将盖片压在基片上，其柔性柱选取黄铜材料制成；真空接头903用以连接真空源，让真空沟道908产生真空；调节螺母907，用以和柔性柱配合，从而调整盖片吸盘902与载物台7之间的平行度和距离。(如图7、图8所示)

本发明中采用的预联接装置10是大连理工大学MEMS中心发明的装置(专利名称：塑料微流控芯片键合前的预联接方法和装置，专利申请号：03111669.8)，用以把对准好的盖片和基片预先轻轻地联接在一起。

在本发明的微流控芯片自动对准装置中，蕴含了精密定位技术、显微视觉伺服技术、模式识别技术以及预联接技术等多项高新技术，是一台典型的光机电集成系统。该装置具有结构紧凑、适用性强、性能稳定、成本低廉、操作方便以及易于维护等诸多优点。另外，该设备还可进行应用扩展，扩展到IC工艺的对准应用中。

Claims (10)

1、一种塑料微流控芯片自动对准装置，其特征在于：至少应包括减振装置、光学子系统(12)、四轴运动平台(8)、镜头位置调节装置、粗定位装置(13)、盖片操作装置(9)、预联接装置(10)，

所述的减振装置由隔振橡胶垫(1)和减振台(2)构成，减振台(2)安装在隔振橡胶垫(1)上；

底座(3)安装在减振台(2)上，运动平台支撑板(5)与底座(3)之间安装有四根大支柱(4)，载物台(7)与运动平台支撑板(5)之间安装有四根小支柱(6)，运动平台支撑板(5)上设有供光学镜头通过的两个通孔，四轴运动平台(8)安装在运动平台支撑板(5)上，盖片操作装置(9)通过操作臂(901)同Z轴移动平台(803)连接，载物台(7)的两对边上分别安装有两个导轨气缸(11、11′)，两个导轨气缸(11、11′)上分别连接有预联接装置(10、10′)，两个预联接装置(10、10′)的中间安放有盖片操作装置(9)，在载物台(7)安放盖片操作装置(9)的相对位置处设有定位柱(701)和真空沟道(702)，真空沟道(702)同盖片操作装置(9)上的真空沟道(908)相对应；

所述的光学子系统(12)由两套自动变焦调焦的光学镜头和CCD摄像头构成，光学镜头安装在镜头支架上，镜头支架穿过底座(3)中心的孔安装在减振台(2)上；CCD摄像头安装在镜头座上，镜头座安装在减振台(2)上；

所述的四轴运动平台(8)由X轴移动平台(801)、Y轴移动平台(802)和Z轴移动平台(803)、Z轴转动平台(804)和连接板A(805)、连接板B(806)构成，Z轴移动平台(803)通过L形连接板A(805)与Z轴转动平台(804)连接，Z轴转动平台(804)通过连接板B(806)与Y轴移动平台(802)连接，Y轴移动平台(802)固连在X轴移动平台(801)上，X轴移动平台(801)安装在运动平台支撑板(5)上；

所述的粗定位装置(13)由笔形气缸支架(1301)、笔形气缸(1302)、拉伸弹簧(1303)、弹簧悬挂螺钉(1304)、转轴螺钉(1305)、定位拔片(1306)、定位拔杆(1307)、定位柱、真空沟道构成，笔形气缸支架(1301)安装在载物台(7)的侧面上，笔形气缸(1302)安装在笔形气缸支架(1301)上，定位拔片(1306)通过转轴螺钉(1305)安装在载物台(7)上，定位拔片(1306)同笔形气缸(1302)相对处为凹槽，凹槽相对面为V形口，V形口的两端部安装有定位拔杆(1307)，定位拔片(1306)上设有供拉伸弹簧(1303)固定的螺钉(1304)；

所述的盖片操作装置(9)由操作臂(901)、盖片吸盘(902)、真空接头(903)、调节螺母(907)、三个柔性柱构成，盖片吸盘(902)的上端面安装有柔性柱A(904)、柔性柱B(905)、柔性柱C(906)，这三个柔性柱分别通过调节螺母(907)安装在操作臂(901)上，盖片吸盘(902)的下端面设有真空沟道(908)，真空接头(903)的一端安装在盖片吸盘(902)的真空沟道(908)上，另一端穿过操作臂(901)上的孔。

2、根据权利要求1所述的自动对准装置，其特征在于：所述的镜头座B(1201)上设有镜头位置调节装置，该装置由定位块(1202)和定位块挡块(1203)构成，定位块(1202)放在定位块挡(1203)块和镜头座B(1201)之间的空槽内，镜头座B(1201)安装在减振台(2)上，定位块(1202)滑动的位置范围0～7mm。

3、根据权利要求1所述的自动对准装置，其特征在于：所述的四轴运动平台(8)中各个轴的运动是解耦运动，Z轴移动平台(803)实现盖片与基片的接近与离开；X轴移动平台(801)、Y轴移动平台(802)与Z轴转动平台(804)实现盖片的位姿的微调，其移动平台单轴的运动定位精度高于3μm，其转动平台的运动定位精度高于1μrad。

4、根据权利要求1所述的自动对准装置，其特征在于：所述的自动变焦调焦光学镜头为0.75～5.25倍变焦；加上显微镜头后为3.6～25.3、此时视场为1100×1500um～180×250um；物距33mm；变焦及调焦驱动源均采用步进电机：15度步距角，带262∶1的减速箱。

5、根据权利要求1所述的自动对准装置，其特征在于：所述的CCD摄像头为数字CCD：1394传输标准，32～37Mbyte/s带宽，支持100、200、400Mbits/sec，C型接口、1/2英寸(6.4×4.8mm)成像靶面、象素尺寸8.3×8.3um、帧速30f/sec。

6、根据权利要求1所述的自动对准装置，其特征在于：所述的移动平台驱动源为直流伺服电机，电机功率0.8W，编码器2048counts/rev，丝杠螺距0.4mm，分辨率0.05μm，行程5mm。

7、根据权利要求1所述的自动对准装置，其特征在于：所述的转动平台驱动源为直流伺服电机，电机功率2W，编码器60counts/rev，丝杠螺距0.5mm，推杆行程10mm；转台推臂长44mm，转角距离比为22.7μrad/μm，转台分辨率1μrad，转台行程12.6°。

8、根据权利要求1所述的自动对准装置，其特征在于：所述的粗定位装置(13)的V形口的口宽为10～50°。

9、根据权利要求1所述的自动对准装置，其特征在于：所述的盖片操作装置(9)的柔性柱选取黄铜材料制成。

10、根据权利要求9所述的自动对准装置，其特征在于：所述柔性柱A(904)和柔性柱B(905)的刚度相等，柔性柱C(906)的刚度小于或等于柔性柱A(904)或柔性柱B(905)。

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