CN212396768U - 热压键合夹具和热压键合系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种热压键合夹具和热压键合系统，该热压键合夹具用于微流控芯片，所述微流控芯片包括盖片及层叠于所述盖片上的基片，所述基片的顶面设有蓄液池，所述热压键合夹具包括：底板，所述底板用于承载所述微流控芯片；加压板，所述加压板用于压接在所述基片的顶面，所述加压板上设有供所述蓄液池穿置的通孔；以及加压垫，所述加压垫压接于所述加压板的顶面及所述蓄液池的端面，所述加压垫用于承接外界施加的键合压力。本方案的热压键合夹具能够有效提升微流控芯片的受力均匀性，以确保微流控芯片各部位的键合效果保持一致。

Description

热压键合夹具和热压键合系统

技术领域

本实用新型涉及微流控芯片制造技术领域，特别是涉及一种热压键合夹具和热压键合系统。

背景技术

微流控芯片技术是把生物、化学、医学等分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程的技术。微流控芯片一般包括盖片和层叠于盖片上的基片，基片和盖片之间限定出微流控通道，基片的顶面设有与微流控通道相连通的蓄液池，蓄液池呈顶部敞口的筒状，蓄液池的端面高于基片的顶面。

传统的微流控芯片在制造时，通常是先采用光刻、CNC、模塑、压印等方式分别制造出基片和盖片，然后再对基片与盖片进行封合。微流控芯片的封合也称为键合，具体是将两片表面清洁、原子级平整的同质或异质半导体材料经表面清洗和活化处理，在一定条件下直接结合，通过范德华力、分子力甚至原子力使晶片键合成为一体的技术。微流控芯片的键合方法有多种，包括热压键合、表面改性键合、超声波键合、激光键合、微波热键合、胶粘接键合、溶剂键合等。其中，热压键合是目前聚合物微流控芯片键合工艺中使用最广泛的键合方法。

目前，对硬质聚合物微流控芯片进行热压键合时，通常是将基片与盖片对位贴合后放置在热压键合设备中，通过一个平面度高的硬质板对微流控芯片的顶面(也即蓄液池的端面)进行施压。由于键合压力直接作用于蓄液池的池口，容易因为平面度不满足要求，以及受力的方向、大小不均匀，无法保证微流控芯片受力均匀，而影响微流控芯片的热压键合效果，甚至还会破坏蓄液池和微流控通道。

实用新型内容

基于此，有必要针对传统的微流控芯片进行热压键合时受力不均匀，而影响热压键合效果的问题，提供一种热压键合夹具和热压键合系统。

一种热压键合夹具，用于微流控芯片，所述微流控芯片包括盖片及层叠于所述盖片上的基片，所述基片的顶面设有蓄液池，所述热压键合夹具包括：

底板，所述底板用于承载所述微流控芯片；

加压板，所述加压板用于压接在所述基片的顶面，所述加压板上设有供所述蓄液池穿置的通孔；以及

加压垫，所述加压垫压接于所述加压板的顶面及所述蓄液池的端面，所述加压垫用于承接外界施加的键合压力。

上述热压键合夹具可用于与热压键合机配合以对微流控芯片进行热压键合。具体地，在使用时，将微流控芯片的盖片放置于底板上，再将基片层叠于盖片上，然后将加压板穿过基片上的蓄液池而压接在基片的顶面，最后将加压垫压接在加压板的顶面及蓄液池的端面，通过热压键合机对加压垫施加键合压力，从而使基片与盖片能够键合于一体。采用上述热压键合夹具后，施压过程中，键合压力通过加压垫同时传递至加压板的顶面和蓄液池的端面，如此，使得基片与盖片整体受力更为均匀，从而能够有效提升微流控芯片的受力均匀性，以确保微流控芯片各部位的键合效果保持一致；同时，还可有效避免键合压力集中于蓄液池端面而导致蓄液池及微流控通道发生损坏。

在其中一个实施例中，所述底板的顶面设有用于对所述基片及所述盖片进行限位的限位结构。

在其中一个实施例中，所述限位结构为凹设于所述底板顶面的限位槽，所述限位槽的形状与所述基片及所述盖片的外轮廓相适配。

在其中一个实施例中，所述底板上设有至少两个所述限位槽。

在其中一个实施例中，所述底板为采用导热材料制成的导热底板。

在其中一个实施例中，所述加压垫为采用柔性材质制成的柔性垫。

在其中一个实施例中，所述加压板的厚度小于所述蓄液池的高度，所述加压垫的底面设有与所述蓄液池的敞口端适配的沉孔，所述沉孔的底壁用于与所述蓄液池的端面压接配合。

一种热压键合系统，包括：

热压键合机，所述热压键合机包括工作台、施压机构和温度调节模块，所述施压机构包括施压板和与所述施压板驱动连接的升降驱动件，所述施压板位于所述工作台的上方，所述温度调节模块用于对所述工作台进行加热或冷却处理；以及

如上述的热压键合夹具，所述热压键合夹具放置于所述工作台上，所述施压板能够向下运动以对所述热压键合夹具的加压垫施加键合压力。

在其中一个实施例中，所述热压键合机还包括罩设于所述工作台及所述施压机构外围的罩体，所述热压键合系统还包括用于对所述罩体内进行抽真空的真空发生器。

在其中一个实施例中，所述工作台上能够同时放置至少两套所述热压键合夹具，所述施压板能够同时对至少两套所述热压键合夹具进行施压。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中一实施例的微流控芯片的结构示意图；

图2为本实用新型一实施例的热压键合系统的结构示意图；

图3为本实用新型另一实施例的热压键合系统的结构示意图；

图4为本实用新型一实施例的热压键合夹具与微流控芯片的装配示意图；

图5为图4中的热压键合夹具与微流控芯片的剖面结构示意图；

图6为图4中的热压键合夹具与微流控芯片的分解结构示意图；

图7为本实用新型一实施例的加压板的结构示意图；

图8为本实用新型一实施例的加压垫的结构示意图。

10、微流控芯片；11、盖片；12、基片；121、蓄液池；121a、油相蓄液池；121b、水相蓄液池；121c、微滴蓄液池；20、热压键合夹具；21、底板；211、限位槽；22、加压板；221、通孔；221a、第一通孔；221b、第二通孔；221c、第三通孔；23、加压垫；231、沉孔；231a、第一沉孔；231b、第二沉孔；231c、第三沉孔；30、热压键合机；31、工作台；32、施压板；33、升降驱动件；34、罩体。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

请参阅图1，图1示出了现有技术中微流控芯片10的结构示意图。微流控芯片10包括盖片11及层叠于盖片11上的基片12，基片12的顶面设有蓄液池121。蓄液池121呈顶部敞口的筒状，蓄液池121的底部与基片12上的微流控通道相连通。具体的，蓄液池121有多个，包括油相蓄液池121a、水相蓄液池121b和微滴蓄液池121c，在微滴生成过程中，通过微滴生成装置分别向油相蓄液池121a及水相蓄液池121b内通入惰性气体，使油相、水相汇聚，通过剪切力生成微滴，并最终汇流至微滴蓄液池121c中。例如，如图1所示，基片12的顶面设有8排蓄液池121，每一排蓄液池121均包括一个油相蓄液池121a、一个水相蓄液池121b和一个微滴蓄液池121c，每次可以生成8份微滴。微流控芯片10可采用硬质塑料材质制成，例如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PC(聚碳酸酯)或COC(环烯烃共聚物)等树脂材料；或者微流控芯片10还可采用玻璃材质制成。

请参阅图2，图2示出了本申请一实施例的热压键合系统的结构示意图。在本申请的一个实施例中，热压键合系统包括热压键合机30和热压键合夹具20，通过热压键合机30与热压键合夹具20的配合，能够对上述微流控芯片10进行热压键合，同时可保证微流控芯片10各部位热压键合效果保持一致，确保热压键合质量。

热压键合机30包括工作台31、施压机构和温度调节模块，施压机构包括施压板32和与施压板32驱动连接的升降驱动件33，施压板32位于工作台31的上方；温度调节模块用于对工作台31进行加热或冷却处理。热压键合夹具20放置于工作台31上，施压板32能够向下运动以对热压键合夹具20的加压垫23施加键合压力。其中，温度调节模块可包括加热器和冷却器，加热器将工作台31加热到一个较高的温度保持一定的时间后，再通过冷却器对工作台31进行冷却降温。

具体地，如图2所示，热压键合机30包括底座，与底座相对且间隔设置的顶板，以及连接于底座与顶板之间的侧支撑板，工作台31安装于底座的顶面，升降驱动件33固定于顶板上，施压板32固定于升降驱动件33的驱动端，升降驱动件33驱动施压板32进行升降运动，从而使得施压板32能够靠近或远离工作台31。在进行热压键合时，先将微流控芯片10装配至热压键合夹具20内，再将热压键合夹具20放置于工作台31上，通过升降驱动件33驱动施压板32向下运动，施压板32作用于热压键合夹具20的加压垫23上，从而使微流控芯片10各部位的受力均匀。其中，升降驱动件33包括但不限于气缸、液压缸或直线电机等。

此外，为了保证施压板32在下压过程中始终能够保持水平状态，可选地，热压键合机30还包括穿过施压板32的立柱，立柱的两端分别连接于底座与顶板，施压板32与立柱可滑动配合，通过立柱可对施压板32的升降运动起到一定的导向作用，从而可有效提升施压板32的升降平稳性。例如，如图2所示，施压板32呈矩形板状，施压板32的四个角部分别穿置有一根立柱。可选地，工作台31可滑动地安装于底座上，从而可方便地对工作台31的位置进行调节。

如图3所示，在另一实施例中，在上述热压键合机30的基础上，热压键合机30还包括罩设于工作台31及施压机构外围的罩体34，热压键合系统还包括用于对罩体34内进行抽真空的真空发生器。通过真空发生器对罩体34内部环境进行抽真空，从而能够使微流控芯片10在负压条件下进行热压键合。

此外，为了进一步提升工作效率，工作台31上能够同时放置至少两套热压键合夹具20，施压板32能够同时对至少两套热压键合夹具20进行施压。可选地，每套热压键合夹具20能够同时固定至少两个微流控芯片10。例如，如图2及图3所示，工作台31上可同时放置两套热压键合夹具20，每一热压键合夹具20能够同时固定四个微流控芯片10，如此，施压板32下压一次，便可实现8个微流控芯片10的同时热压键合，极大地提升了工作效率。

通过热压键合夹具20一方面可对微流控芯片10起到固定作用，另一方面还能够有效保证微流控芯片10在热压键合时受力及受热均匀。以下针对热压键合夹具20的具体实施方式进行详细说明。

请参阅图4及图5，示出了本申请一实施例的热压键合夹具20与微流控芯片10的装配示意图和剖面结构示意图。请结合图6至图8，本申请一实施例的热压键合夹具20包括底板21、加压板22和加压垫23。底板21用于承载微流控芯片10，加压板22用于压接在基片12的顶面，加压板22上设有供蓄液池121穿置的通孔221；加压垫23压接于加压板22的顶面及蓄液池121的端面，加压垫23用于承接外界施加的键合压力。

具体地，底板21一般采用平面度高的硬质材料制成，以对微流控芯片10起到稳定支撑作用，使得微流控芯片10的底面受力均匀。可选地，底板21为采用导热材料制成的导热底板，不仅可对微流控芯片10起到支撑作用，还能够起到均匀导热作用，从而使得微流控芯片10在热压键合时受力受热均匀。例如，底板21可采用铜加工而成，可保证较高的平面度和较好的导热性能。当然，在其他实施例中，底板21也可采用其他导热系数较高的金属材质制成。加压板22用于对基片12的顶面进行加压，加压板22作用于基片12的表面而非蓄液池121的端面，使得基片12的受力面积得到提升，从而加强键合效果。加压板22一般采用平面度较高的硬质材料制成，具体可采用金属材质或陶瓷材质制成，例如，可采用不锈钢材质制成。加压板22上设有供蓄液池121穿置的通孔221，通孔221与蓄液池121的数量一一对应，且大小形状相适配。例如，基片12上的蓄液池121包括油相蓄液池121a、水相蓄液池121b和微滴蓄液池121c，相应地，加压板22上的通孔221包括与油相蓄液池121a适配的第一通孔221a、与水相蓄液池121b适配的第二通孔221b，以及与微滴蓄液池121c适配的第三通孔221c。加压垫23盖设于加压板22的顶面和蓄液池121的端面，如此，当外界(如热压键合机30的施压板32)向加压垫23施加键合压力时，能够将压力同时作用于加压板22的顶面和蓄液池121的端面，从而可进一步增加受力面积，进一步加强键合效果。同时，也保证了加压板22在施加压力于微流控芯片10的基片12表面时，能达到受力均匀，避免由于平面度不满足要求导致键合受力不均匀一，而影响键合效果。加压垫23优选为采用柔性材质制成的柔性垫，例如，加压垫23可采用硅胶、橡胶或其他柔性材质制成，以保证加压板22对微流控芯片10的基片12表面施加键合压力时能受力均匀，保证微流控通道键合效果处处一致。

上述热压键合夹具20可用于与热压键合机30配合以对微流控芯片10进行热压键合。具体地，在使用时，将微流控芯片10的盖片11放置于底板21上，再将基片12层叠于盖片11上，然后将加压板22穿过基片12上的蓄液池121而压接在基片12的顶面，最后将加压垫23压接在加压板22的顶面及蓄液池121的端面，通过热压键合机30对加压垫23施加键合压力，从而使基片12与盖片11能够键合于一体。采用上述热压键合夹具20后，施压过程中，键合压力通过加压垫23同时传递至加压板22的顶面和蓄液池121的端面，如此，使得基片12与盖片11整体受力更为均匀，从而能够有效提升微流控芯片10的受力均匀性，以确保微流控芯片10各部位的键合效果保持一致；同时，还可有效避免键合压力集中于蓄液池121端面而导致蓄液池121及微流控通道发生损坏。

此外，为了避免在热压键合过程中，基片12与盖片11之间发生偏移而导致键合效果欠佳甚至失败，进一步地，底板21的顶面设有用于对基片12及盖片11进行限位的限位结构，通过限位结构的限位作用，可避免基片12与盖片11之间发生偏移错位，可有效减少基片12和盖片11的损耗，提高键合效率。

进一步地，如图6所示，限位结构为凹设于底板21顶面的限位槽211，限位槽211的形状与基片12及盖片11的外轮廓相适配。在装配时，将盖片11放置于限位槽211内，再将基片12叠合于盖片11上，通过限位槽211的周壁可对盖片11与基片12在水平方向上的运动进行限位，从而可有效避免两者发生偏移错位。例如，在本实施例中，微流控芯片10的外部轮廓大体呈矩形，相应地，限位槽211为与之适配的矩形槽。在实际应用中，限位槽211的形状和尺寸可根据其他不同的微流控芯片10的形状和尺寸进行加工，限位槽211的数量也可根据实际需要设计为一个或多个，在此不做具体限定。当然，在其他实施例中，也可采用其他形式的限位结构以对基片12与盖片11进行限位，例如，限位结构可为设于底板21顶面的限位筋，限位筋围合形成与基片12及盖片11的外轮廓相适配的环形腔。

可选地，底板21上设有至少两个限位槽211，如此，可以同时对至少两块微流控芯片10进行限位。例如，如图6所示，热压键合夹具20的底板21上设有四个限位槽211，每一限位槽211均可用于固定一块微流控芯片10，该热压键合夹具20对应每一限位槽211内的微流控芯片10均配备有一块加压板22和一块加压垫23。可选地，相邻两个限位槽211之间形成有缺口。

进一步地，请结合图5及图8，加压板22的厚度小于蓄液池121的高度，加压垫23的底面设有与蓄液池121的敞口端适配的沉孔231，沉孔231的底壁用于与蓄液池121的端面压接配合。其中，沉孔231与蓄液池121的数量一一对应，且大小形状相适配。具体地，沉孔231包括与油相蓄液池121a适配的第一沉孔231a、与水相蓄液池121b适配的第二沉孔231b，以及与微滴蓄液池121c适配的第三沉孔231c。通过将蓄液池121的端部插入至沉孔231内，可使加压垫23与微流控芯片10之间形成可靠的定位配合，避免在热压键合过程中加压垫23发生偏移，从而可进一步保证键合效果。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种热压键合夹具，用于微流控芯片，所述微流控芯片包括盖片及层叠于所述盖片上的基片，所述基片的顶面设有蓄液池，其特征在于，所述热压键合夹具包括：

底板，所述底板用于承载所述微流控芯片；

加压板，所述加压板用于压接在所述基片的顶面，所述加压板上设有供所述蓄液池穿置的通孔；以及

加压垫，所述加压垫压接于所述加压板的顶面及所述蓄液池的端面，所述加压垫用于承接外界施加的键合压力。

2.根据权利要求1所述的热压键合夹具，其特征在于，所述底板的顶面设有用于对所述基片及所述盖片进行限位的限位结构。

3.根据权利要求2所述的热压键合夹具，其特征在于，所述限位结构为凹设于所述底板顶面的限位槽，所述限位槽的形状与所述基片及所述盖片的外轮廓相适配。

4.根据权利要求3所述的热压键合夹具，其特征在于，所述底板上设有至少两个所述限位槽。

5.根据权利要求1所述的热压键合夹具，其特征在于，所述底板为采用导热材料制成的导热底板。

6.根据权利要求1所述的热压键合夹具，其特征在于，所述加压垫为采用柔性材质制成的柔性垫。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的热压键合夹具，其特征在于，所述加压板的厚度小于所述蓄液池的高度，所述加压垫的底面设有与所述蓄液池的敞口端适配的沉孔，所述沉孔的底壁用于与所述蓄液池的端面压接配合。

8.一种热压键合系统，其特征在于，包括：

热压键合机，所述热压键合机包括工作台、施压机构和温度调节模块，所述施压机构包括施压板和与所述施压板驱动连接的升降驱动件，所述施压板位于所述工作台的上方，所述温度调节模块用于对所述工作台进行加热或冷却处理；以及

如权利要求1至7任意一项所述的热压键合夹具，所述热压键合夹具放置于所述工作台上，所述施压板能够向下运动以对所述热压键合夹具的加压垫施加键合压力。

9.根据权利要求8所述的热压键合系统，其特征在于，所述热压键合机还包括罩设于所述工作台及所述施压机构外围的罩体，所述热压键合系统还包括用于对所述罩体内进行抽真空的真空发生器。

10.根据权利要求8所述的热压键合系统，其特征在于，所述工作台上能够同时放置至少两套所述热压键合夹具，所述施压板能够同时对至少两套所述热压键合夹具进行施压。

Images