CN201506706U - 一种聚合物微流控芯片热压封装装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种聚合物微流控芯片热压封装装置，由蝴蝶螺母、上夹板、压力弹簧、弹簧推动夹板、塑胶弹性体凸形上压头、塑胶弹性体凸形下压头、下夹板和螺栓组成。压力弹簧位于上夹板和弹簧推动夹板的U型槽中，螺栓依次插入下夹板、塑胶弹性体下压头、塑胶弹性体上压头、弹簧推动夹板和上夹板两侧小孔内，顶部由蝴蝶螺母固定，塑胶弹性体上压头和塑胶弹性体下压头两侧小孔略小于螺栓直径。使用时待封装的微流控芯片盖片和带微通道的微流控芯片基片夹于上、下玻璃压板间，置于塑胶弹性体凸形上压头和塑胶弹性体凸形下压头间，经过一定步骤，即可完成热压封装。本装置结构简单、操作简便和封装成功率高，可用于微流控芯片的批量低成本热压封装。

Description

一种聚合物微流控芯片热压封装装置

技术领域

本实用新型属生物芯片技术领域，具体涉及一种聚合物微流控芯片热压封装装置。

背景技术

作为微型全分析系统的重要组成部分，微流控芯片以分析化学和分析生物化学为基础，以微机电加工技术为依托，以微管道网络为结构特征，把整个化验室的功能，包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在微芯片上，且可多次使用，因此具有广泛的适用性。自从1990年Manz和Widmer[1]首次提出以来[1]，该技术以其高效、快速、试剂用量少、低耗及集成度高等优点引起了国内外分析和生命科学界有关专家的广泛关注，在环境监测、药物分析、法医、临床诊断和军事等领域显示了良好的应用前景，已成为微型全分析系统当前的发展前沿，微流控分析芯片正开始从基础与应用基础研究阶段进入产业化及市场开发阶段。

微流控芯片主要使用玻璃和聚合物芯片[2]，玻璃芯片加工技术要求高，需专用的设备，难以采用模具大批量生产，价格比较昂贵，限制了其应用。于是聚合物被芯片得到了发展，其制作主要采用注塑、印模、浇铸和单体注模原位聚合等技术，因为价格低廉和容易大批量生产，具有良好产业化前景[3]。通常聚合物微流控芯片在高于聚合物玻璃化温度的条件下，通过施加一定压力使带微流结构的微流控芯片基片和盖片粘合成芯片。目前使用的封装装置主要由粉末压片机改装而成，采用油压驱动和平板压头，芯片封装时容易产生气泡，每次只能封装一张芯片，且设备体积较大[4]。聚合物微流控芯片的封装已成为制约其批量低成本加工的瓶颈，于是研制聚合物微流控芯片高质量快速封装的新型装置有重要意义。

如能将聚合物微流控芯片封装装置小型化，可将几十乃至数百个封装装置放入普通烘箱中进行微流控芯片的批量封装。此外，如果使用凸形压头，就可以将气泡从待封装的聚合物微流控芯片基片和盖片间压出，从而提高封装成功率。基于这些考虑，本实用新型巧妙的利用了压力弹簧和弹性体凸形压头，使用了12个部件研制成功了新型聚合物微流控芯片热压封装装置，典型装置的外形尺寸为100×100×35mm。该微流控芯片热压封装装置体积小巧，具有结构简单、操作简便和封装成功率高的特点，可用于聚合物微流控芯片的批量低成本热压封装。

参考文献

[1]Manz A，Graber N，Widmer HM.Sens.Actuators B 1990，1，244.

[2]Verpoorte E.Electrophoesis 2002，23，677-712.

[3]Becker H，Locascio，LE.Talanta 2002，56，267-287.

[4]杜晓光，关艳霞，王福仁，方肇伦，高等学校化学学报，2003，24，1962-1966.

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种体积小巧、结构简单、操作简便且封装成功率高的聚合物微流控芯片热压封装装置。

本实用新型提出的聚合物微流控芯片热压封闭装置，由蝴蝶螺母1、上夹板2、压力弹簧3、弹簧推动夹板4、塑胶弹性体凸形上压头5、塑胶弹性体凸形下压头6、下夹板7和螺栓8组成，其结构如图1所示。其中，上夹板2、弹簧推动夹板4均开有U型槽，压力弹簧3位于上夹板2和弹簧推动夹板4的U型槽中，上夹板2、弹簧推动夹板4、塑胶弹性体上压头5、塑胶弹性体下压头6和下夹板7的两侧均开有小孔，螺栓8从下至上依次插入下夹板7、塑胶弹性体下压头6、塑胶弹性体上压头5、弹簧推动夹板4和上夹板2两侧的小孔内，顶部通过蝴蝶螺母1固定，塑胶弹性体上压头5和塑胶弹性体下压头6两侧的小孔略小于螺栓8直径，从而对弹簧推动夹板4和下夹板7起一定的固定作用，弹簧推动夹板4在上夹板2和压力弹簧3推动下可向下移动。

本实用新型中，下夹板7开有U型槽，下夹板7可使用镀锌钢板或不锈钢板加工，其厚度为0.8-2毫米，长度和宽度根据待封装的芯片而定，下夹板7常用尺寸为30-40mm×70-150mm，在其中部通过锻压加工U形槽，U形槽的内宽度为15-30mm，略大于压力弹簧3的外径。U形槽的外宽度为18-33mm。U形槽的深度为3-8mm。

本实用新型中，上夹板2的U型槽口朝下，弹簧推动夹板4的U型槽口朝上，压力弹簧3卡于上夹板2和弹簧推动夹板4的U型槽口中。上夹板2和弹簧推动夹板4使用镀锌钢板或不锈钢板加工，厚度为0.8-2毫米，长度和宽度根据待封装的芯片而定，上夹板2和弹簧推动夹板4常用尺寸为30-40mm×70-150mm，在其中部通过锻压加工U形槽，U形槽的内宽度为15-30mm，略大于压力弹簧3的外径。U形槽的外宽度为18-33mm。U形槽的深度为3-8mm。

本实用新型中，塑胶弹性体上压头5和塑胶弹性体下压头6可以采用半圆形或半椭圆形胶条。长宽与上夹板4和下平板7的U形槽的外宽度一致，为18-33mm×70-150mm，塑胶弹性体上压头5、塑胶弹性体下压头6的常用高度为5-20mm。

本实用新型中，压力弹簧3的外径为14-29mm，高度为30-60mm，根据压力需要，使用2-5个压力弹簧，每个弹簧的压力为1-50公斤。组装的时候，要求上夹板2的U型槽口向下而弹簧推动夹板4的U型槽口朝上，压力弹簧3可卡在上夹板2和弹簧推动夹板4的U型槽中。上夹板2、弹簧推动夹板4、塑胶弹性体上压头5、塑胶弹性体下压头6和下夹板7的两侧需加工直径为5-9mm的小孔，以便螺栓8穿过。螺栓8的常用直径为4-8mm，使用与之配套的蝴蝶螺母1。上夹板4或下夹板7的小孔通过钻头加工而成，上压头5和下压头6两侧的小孔用打孔器加工。凸形压头的加工材料可以使用硅橡胶、普通工业橡胶和聚氨酯弹性体等加工，可以为半圆形或半椭圆形胶条。长宽与上夹板4和下夹板7的U形槽的外宽度一直，为18-33mm×70-150mm，塑胶弹性体凸形上压头5和塑胶弹性体凸形下压头6的常用高度为5-20mm。两螺栓8的间距为40-130mm，略大于待封装的聚合物微流控芯片的长度。

本装置建立的聚合物微流控芯片热压封装方法，具体步骤为：待封装的聚合物微流控芯片盖片10和带微通道的聚合物微流控芯片基片11先用两片等长的玻璃上压板9和玻璃下压板12夹好，然后置于微流控芯片热压封装装置的塑胶弹性体凸形上压头5和塑胶弹性体凸形下压头6之间。旋紧蝴蝶螺母1后，其推动上夹板2向下移动，从而压缩弹簧8产生压力(3-150公斤)。该压力通过弹簧推动夹板4、塑胶弹性体上压头6和玻璃压板9施加在微流控芯片盖片10和微流控芯片基片11上，置于一定温度的烘箱中一段时间，完成热压封装。本装置可用于由有机玻璃、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、聚丙烯等热塑性聚合物加工的微流控芯片的热压封装。

待封装的聚合物微流控芯片盖片10和带微通道的聚合物微流控芯片基片11外形尺寸相同(40-120mm×15-20mm×0.1-2mm)，夹于两片等长的薄玻璃压板9和12(外形尺寸为40-120mm×20-30mm×0.5-2mm)间后，置于微流控芯片热压封装装置中的凸形上压头5和凸形下压头6之间，要求凸形压头5和6压在两片薄玻璃压板9和2的中线位置。其中玻璃压板9和12的长度等于或略长于微流控芯片的长度，但小于两个螺栓的间距。旋紧蝴蝶螺母1后，其推动上夹板4向下移动，从而压缩压力弹簧8产生压力(常用压力3-150公斤)，通过弹簧8推动夹板4、塑胶弹性体上压头6和玻璃上压板9施加在微流控芯片盖片10和微流控芯片基片11上，置于一定温度(50-120℃)的烘箱中一段时间(5-30分钟)，完成热压封装。本装置可用于由有机玻璃、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、聚丙烯等热塑性聚合物加工的微流控芯片的热压封装。由于凸形压头弧形表面接触到薄玻璃压板9和12后，使其产生微小变形，其中薄玻璃压板9和12施加在聚合物微流控芯片盖片10和带微通道的聚合物微流控芯片基片11中线位置的压力最大，从中线到两侧压力递减，构成压力梯度，可将盖片10与基片11间的气体压出，以获得良好的封装效果。

本装置具有结构简单、操作简便和封装成功率高的特点，可用于微流控芯片的批量低成本热压封装。

附图说明

图1为本实用新型的立体结构图。其中：图1A为分解图，图1B为组装图，图1C为夹于上压头5和下压头6间的微流控芯片盖片10和带微通道的微流控芯片基片11以及薄玻璃压板9和12。

图2A为本实用新型的正视图，图2B为侧视图，图2C为将夹于上压头5和下压头6间的微流控芯片盖片10和微流控芯片基片11以及薄玻璃压板9和12完全暴露的侧视图。

图3为单十字交叉微流控芯片设计图。

图4为紫外线引发表面本体聚合法制备有机玻璃微流控芯片流程图。其中：图4A为甲基丙烯酸甲酯铸模溶液20浇铸；图4B为盖有机玻璃板22；图4C为紫外线23引发铸模溶液20本体聚合；图4D为脱模；图4E为盖片10和基片11热压键合获得的成品芯片的端面示意图。

图中标号：1为蝴蝶螺母，2为上夹板，3为压力弹簧，4为弹簧推动夹板，5为弹性体凸形上压头，6为弹性体凸形下压头，7为下夹板，8为螺栓，9为玻璃上压板，10为聚合物微流控芯片盖片，11为带微通道的聚合物微流控芯片基片，12为玻璃下压板，13为样品溶液孔，14为分离微流通道，15为微流控芯片，16、17和18均为缓冲溶液孔，19为进样微流通道，20为铸模溶液，21为硅阳模，22为有机玻璃片，23为紫外线，24为微流通道的出口，25为微流控芯片的横截面。

具体实施方式

下面通过实施例和附图进一步描述本实用新型：

(1)聚合物微流控芯片热压封装装置的加工和装配

如附图1所示，本实用新型由蝴蝶螺母1、上夹板2、压力弹簧3、弹簧推动夹板4、塑胶弹性体凸形上压头5、塑胶弹性体凸形下压头6、下夹板7和螺栓8组成。本实施例中上夹板2、弹簧推动夹板4和下夹板7几何尺寸相同，采用厚度为1.2mm镀锌钢板加工。夹板尺寸为35mm×100mm，中部加工成U形槽的导轨形状，U形槽的内宽度为23mm，略大于压力弹簧3的外径。U形槽的外宽度为25mm，U形槽的深度为5mm。组装的时候，要求上夹板2的U型槽向下而弹簧推动夹板4的U型槽口朝上，压力弹簧3可卡在上夹板2和弹簧推动夹板4的U型槽中。本实施例使用3个外径为22mm压力弹簧，压力弹簧的高度为56mm，单枚弹簧的弹簧常数为1.1kgf/mm。本实施例塑胶弹性体凸形上压头5和塑胶弹性体凸形下压头6采用硅橡胶加工，为半圆形胶条。长宽与上夹板4和下夹板7的U形槽的外宽度一直，为25mm×100mm，塑胶弹性体凸形上压头5和塑胶弹性体凸形下压头6的高度为12.5mm。上夹板2、弹簧推动夹板4、塑胶弹性体凸形上压头5、塑胶弹性体凸形下压头6和下夹板7的两侧需打有小孔，以便螺栓8穿过。上夹板2、下夹板7和弹簧推动夹板4两侧的小孔通过钻头加工而成，内径约为7mm。塑胶弹性体凸形上压头5两侧的小孔用打孔器加工，内径为5mm，小于螺栓8直径，从而对弹簧推动夹板4和下夹板7起一定的固定作用。螺栓8的直径为6mm，长度为100mm，使用与之配套的6mm内径蝴蝶螺母1。两螺栓8的间距为80mm，略大于待封装的有机玻璃微流控芯片的长度(75mm)和玻璃压板的长度(76mm)。所有部件采购和加工完成后按图1所示进行装配得聚合物微流控芯片热压封装装置，其外形尺寸为100×100×35mm。

(2)聚合物微流控芯片热压封装装置用于有机玻璃微流控芯片的封装

(A)微流控芯片的设计

采用Adobe Illustrator 10.0软件设计芯片的微流通道和溶液连接孔，采用高分辨率(3600dpi)激光照排系统在聚酯透明薄膜上打印成掩膜正片，掩膜上的微流通道宽度为40μm，溶液连接孔为直径2mm的圆孔，其中微流通道(分离微流通道14和进样微流通道19)和溶液孔13、16、17和18(图3)为黑色，剩余部分为透明，微流控芯片的设计见图3。分离微流通道14长65mm，进样微流通道19长5mm，其中微流通道14和19交叉点到最近的三个溶液连接孔的距离均为5mm。

(B)硅阳模的制作

在经氧化处理的硅片(p型，厚500μm，直径4英寸，晶向<100>，表面二氧化硅氧化层厚800nm)通过旋转涂膜技术涂覆一层正性光刻胶(ShipleyS1813光刻胶，Shipley，Marlborough，MA，美国)，旋涂条件为3000rpm，时间为60秒。然后在110℃烘烤处理60秒以提高光刻胶的附着并除出残留的溶剂(暴光前烘)，然后盖上掩膜(含设计的微流控芯片微流结构)，使用KarlSussMA6/BA6光刻机(KarlSuss，Germany)进行接触式紫外线曝光40秒后，浸入20％Microposit351显影剂(Shipley)80秒，以洗去暴光部分的光刻胶层，然后于150℃烘箱中烘30分钟使微流通道和溶液连接孔部分未曝光的光刻胶硬化，然后以光刻胶和SiO₂层为掩膜材料用60℃的40％KOH水溶液刻蚀裸露的硅片至深度为40微米(约2小时)，除去光刻胶后即制成硅片阳模21。

(C)原位聚合制微流控芯片基片11和盖片10

在甲基丙烯酸甲酯单体中加入少量热引发剂偶氮二异丁腈(甲基丙烯酸甲酯单体质量的0.15％)和少量光引发剂安息香(甲基丙烯酸甲酯单体质量的0.15％)，在50℃水浴加热并摇动使其溶解，然后于85℃水浴中加热15分钟，每5分钟摇动混合溶液一次，使单体溶该预聚成甘油状清亮铸模溶液。铸模前预聚溶液经真空脱气处理，取2毫升该溶液20沿微流控芯片阳模21凸出的分离通道直接浇在阳模上并成条状，将一片厚1毫米的有机玻璃片22(75mm×16mm×1mm)直接盖在预聚溶液21上并压紧，使预聚溶液20充满有机玻璃片22与阳模21间的缝隙，要求微流通道结构全部在有机玻璃片22的下方，然后将工件水平放置于波长为365nm的紫外灯下20cm处，通过紫外线23照射引发本体聚合。在25℃时，预聚溶液在30分钟内聚合完全，将阳模上的凸出的微结构高保真的复制到微流控芯片基片11上。微流控芯片基片11与模具21键合的十分牢固，可先将工件在40℃水浴中超声2分钟，然后于80℃水浴中加热15秒，置于20一25的冷水中1-2分钟后基片11与模具21自动分离完成脱模。将1毫升铸模溶液8浇在一片玻璃板上并成约70mm长的条状，将一片厚1mm的有机玻璃片(75mm×16mm×1mm)直接盖在预聚溶液8上并压紧，置波长为于365nm紫外灯下20cm处聚合30min后脱模得有机玻璃微流控芯片盖片10。

(D)有机玻璃微流控芯片的封装

将脱模后的微流控芯片盖片10与微流控芯片基片11通道末端对应位置钻孔(如图3的溶液连接孔13、16、17和18，孔径2mm)用于连接溶液。将微流控芯片基片11和钻孔后的微流控芯片盖片10依次用水和异丙醇冲洗，吹干后立即将基片11和盖片10的原位合成的表面面对面合上。夹于两片等长的玻璃上压板9和玻璃下压板12(外形尺寸为76mm×25.4mm×1mm)间，置于微流控芯片热压封装装置的塑胶弹性体上压头5和塑胶弹性体上压头6间，要求凸形压头5和6压在两片薄玻璃压板9和2的中线位置。其中玻璃压板9和12的长度等于或略长于微流控芯片的长度，但小于两个螺栓的间距。旋紧蝴蝶螺母1，当塑胶弹性体凸形上压头5表面接触到玻璃上压板9后，继续旋紧蝴蝶螺母1，使其推动上夹板2向下移动，使压力弹簧3被压缩20mm。本实施例使用的压力弹簧3弹簧常数为1.1kgf/mm，三个弹簧产生的约66公斤压力通过弹簧推动夹板4、塑胶弹性体上压头6和玻璃上压板9施加在微流控芯片盖片10和微流控芯片基片11上。然后将夹有待封装芯片的封装装置置于90℃的烘箱中10分钟，完成热压封装。冷却到室温后，取出封装好的有机玻璃微流控芯片并进修边得成品。

采用本实用新型封装的有机玻璃微流控结构完整，表面无裂纹，内部无气泡。其中芯片内部的微流通道横断面通过扫描电子显微镜图片可见微流通道结构完整无裂缝，微流控芯片基片和盖片已完全融合，封装效果令人满意。由于本实用新型具有结构简单、体积小巧和操作简便的优点，且造价低廉，在聚合物微流控芯片的批量低成本加工方面显示了良好的应用前景。

Claims (4)

1.一种聚合物微流控芯片热压封闭装置，由蝴蝶螺母(1)、上夹板(2)、压力弹簧(3)、弹簧推动夹板(4)、塑胶弹性体凸形上压头(5)、塑胶弹性体凸形下压头(6)、下夹板(7)和螺栓(8)组成，其特征在于上夹板(2)、弹簧推动夹板(4)均开有U型槽，压力弹簧(3)位于上夹板(2)和弹簧推动夹板(4)的U型槽中，上夹板(2)、弹簧推动夹板(4)、塑胶弹性体上压头(5)、塑胶弹性体下压头(6)和下夹板(7)的两侧均开有小孔，螺栓(8)从下至上依次插入下夹板(7)、塑胶弹性体下压头(6)、塑胶弹性体上压头(5)、弹簧推动夹板(4)和上夹板(2)两侧的小孔内，顶部通过蝴蝶螺母(1)固定，塑胶弹性体上压头(5)和塑胶弹性体下压头(6)两侧的小孔略小于螺栓(8)直径。

2.根据权利要求1所述的聚合物微流控芯片热压封闭装置，其特征在于下夹板(7)开有U型槽，其厚度为0.8-2毫米，尺寸为30-40mm×70-150mm，U形槽的内宽度为15-30mm，U形槽的外宽度为18-33mm。U形槽的深度为3-8mm。

3.根据权利要求1所述的聚合物微流控芯片热压封闭装置，其特征在于上夹板(2)的U型槽口朝下，弹簧推动夹板(4)的U型槽口朝上，压力弹簧(3)卡于上夹板(2)和弹簧推动夹板(4)的U型槽口中，上夹板(2)和弹簧推动夹板(4)的厚度均为0.8-2毫米，尺寸为30-40mm×70-150mm，U形槽的内宽度为15-30mm，U形槽的外宽度为18-33mm，U形槽的深度为3-8mm。

4.根据权利要求1所述的聚合物微流控芯片热压封闭装置，其特征在于塑胶弹性体上压头(5)和塑胶弹性体下压头(6)均采用半圆形或半椭圆形胶条。

Images