CN212915711U - 一种用于玻璃基微流控芯片的激光键合设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于玻璃基微流控芯片的激光键合设备，机架采用大理石防震平台，飞秒激光器放置在所述大理石防震平台顶层一侧，在所述飞秒激光器出光口后顺序安装各级反射镜，扩束镜置于第二、三所述反射镜之间；聚焦镜通过连接件安装在所述大理石防震平台的正面的Z轴上，使得激光束通过各级所述反射镜改变路径垂直聚焦于工作平面，CCD相机垂直安装在Z轴位置；直线电机运动系统安装在所述大理石防震平台第二平面，其上安装真空吸附治具。

Description

一种用于玻璃基微流控芯片的激光键合设备

技术领域

本实用新型属于生物医疗、激光加工技术领域，具体涉及一种用于玻璃基微流控芯片的激光键合设备。

背景技术

微流控芯片是一种由微通道形成的网络，集成了生物检测和化学分析领域中各种基本操作单元的微型实验室分析平台，可代替常规生物化学实验室，实现采样、分离、反应、检测、筛选、细胞培养等功能，结合一定的外部设备快速自动完成化学分析或生化分析全过程，具有集约化、微型化、自动化、高通量和速度快的特点。

玻璃作为微流控芯片的重要基材，由于玻璃具有非常好的透明性、化学稳定性、大范围的光谱穿透性、良好的绝热性以及绝缘性、较低的光吸收系数以及较好的生物兼容性、具有较好的可修饰性的表面。在生物、化学和医学等领域具有极大的潜力，如疾病诊断、分析检测、工业检测、药物发现、石油开采等方面具有广泛应用前景和很大的市场。

玻璃基微流控芯片实验室的成品率普遍较低，其中密封键合技术是芯片制造过程的关键步骤，也是难点之一。目前，传统的方法有高温热压键合、粘接剂键合等。粘接剂键合的方法由于附加的中间介质层在酸碱性、温度、电场等复杂的检测环境下降解、反应，键合强度很容易下降，造成芯片失效；热压键合过程中，温度压力控制稍有不当，很容易造成产品内微流道塌陷等缺陷失效，高温带来的较大热应力容易使玻璃开裂损坏，同时生产一片往往需要几小时，效率低下，成本太高。

发明内容

本实用新型的目的在于克服以上存在的技术问题，提供一种用于玻璃基微流控芯片的激光键合设备。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种用于玻璃基微流控芯片的激光键合设备，机架采用大理石防震平台，飞秒激光器放置在所述大理石防震平台顶层一侧，在所述飞秒激光器出光口后顺序安装各级反射镜，扩束镜置于第二、三所述反射镜之间；聚焦镜通过连接件安装在所述大理石防震平台的正面的Z轴上，使得激光束通过各级所述反射镜改变路径垂直聚焦于工作平面，CCD相机垂直安装在Z轴位置；直线电机运动系统安装在所述大理石防震平台第二平面，其上安装真空吸附治具。

一种用于玻璃基微流控芯片的激光键合方法，包括以下步骤：

S1:超声波清洗

采用全自动超声波清洗机，清洗掉前端玻璃基片刻蚀、切割、钻孔等工序产生的加工碎屑、表面附着有机物以及其他表面脏污；

S2：表面活化

配置体积比为3∶1的浓H₂SO₄(96％)和H₂O₂(30％)，及NH₄OH(70％):H₂O₂(30％):H₂O＝1∶1∶5的两种混合溶液，将玻璃基片置于其中，设置合适的温度浸泡一定时间，使其表面产生极佳的亲水性表面；

S3：清洗

采用洁净去离子水冲洗玻璃，去除玻璃表面及微流道内残余活化液，并用高纯氮气将其吹干；

S4：预贴合

采用适合产品尺寸的治具，将玻璃基板与盖板对齐贴合，达到光学接触；

S5：激光键合

使用激光键合设备进行激光键合。

进一步地，所述步骤S5激光键合的具体方法是：

首先，将预贴合的芯片放在真空吸附治具上，直角边靠齐定位柱，打开真空泵，将芯片平整的吸附在真空吸附治具；

然后，打开飞秒激光器，调节激光输出光束与45°反射镜3的相对位置，使得激光束照射在每个反射镜的中心，最后两个反射镜底座带有X、Y方向调节，目的是将光束垂直的入射到聚焦镜的中心，调节扩束镜将光束准直放大，使得光束镜聚焦镜聚焦之后焦点尺寸更小；

最后，将激光焦点设置在玻璃芯片交界面附近，按微流道路径设置程序运行轨迹，程序开始后，视觉系统CCD相机抓拍芯片上左右Mark点，纠正位置误差，随后在直线电机的运动下激光准确的在流道两侧进行键合。

进一步地，所述步骤S2表面活化中，设置的温度为70℃，浸泡时间为10-20min。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提高了玻璃基微流控芯片的键合效率，避免了传统键合方法制作复杂、成品率低下、成本高的缺点，省去了中间的介质层使得产品的应用场景更加广阔。

附图说明

图1：本实用新型用于玻璃基微流控芯片的激光键合设备的结构示意图。

图2：本实用新型系统原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

实施例一：

如图1所示，一种用于玻璃基微流控芯片的激光键合设备，机架采用大理石防震平台2，飞秒激光器1放置在所述大理石防震平台2顶层一侧，在所述飞秒激光器1出光口后顺序安装各级反射镜4，扩束镜3置于第二、三所述反射镜4之间；聚焦镜5通过连接件安装在所述大理石防震平台2的正面的Z轴上，使得激光束通过各级所述反射镜4改变路径垂直聚焦于工作平面，CCD相机6垂直安装在Z轴位置；直线电机运动系统7安装在所述大理石防震平台2第二平面，其上安装真空吸附治具8。

实施例二：

采用某毛细管电泳芯片作为实施对象，材质为硼铝硅酸盐玻璃，厚度0.5毫米,表面粗糙度小于2纳米，经过刻蚀出深度50微米,宽度180微米的微流道，流道布局超过整体尺寸的80％，流道形式为直线和曲线结合。

一种用于玻璃基微流控芯片的激光键合方法，通过以下步骤实施方案：

1.超声波清洗：采用全自动超声波清洗机，清洗掉前端玻璃基片刻蚀、切割、钻孔等工序产生的加工碎屑、表面附着有机物以及其他表面脏污。

2.表面活化：(1)配置体积比为3∶1的浓H₂SO₄(96％)和H₂O₂(30％)的混合溶液，将含微流道的玻璃基片和对应的盖板玻璃至于其中，设置温度为120℃，浸泡20min；(2)配置NH₄OH(70％):H₂O₂(30％):H2O＝1∶1∶5的混合溶液，设置温度70℃，活化10-20min；

3.清洗：采用洁净去离子水冲洗玻璃，去除玻璃表面及微流道内残余活化液，并用高纯氮气将其吹干；

4.预贴合：采用相应治具(根据产品尺寸而定)，将两片玻璃对位贴合，用盖板玻璃盖住含微流道玻璃，上层置放同尺寸柔性压块，施加2公斤左右压力，持续10秒左右；

5.激光键合：如图2所示，首先，将预贴合的芯片放在真空吸附治具8上，直角边靠齐定位柱，打开真空泵，将芯片平整的吸附在真空吸附治具8；然后，打开飞秒激光器1，调节激光输出光束与45°反射镜3的相对位置，使得激光束照射在每个反射镜的中心，最后两个反射镜底座带有X、Y方向调节，目的是将光束垂直的入射到聚焦镜5的中心，调节扩束镜4将光束准直放大，使得光束镜聚焦镜5聚焦之后焦点尺寸更小；最后，将激光焦点设置在玻璃芯片交界面附近，按微流道路径设置程序运行轨迹，程序开始后，视觉系统CCD相机6抓拍芯片上左右Mark点，纠正位置误差，随后在直线电机7的运动下激光准确的在流道两侧进行键合。

激光键合的原理是将高强度的飞秒激光聚焦在两块透明玻璃材料的分界面处，超高的能量密度诱导玻璃的非线性吸收效应，界面处的玻璃在高重复频率的脉冲下热累计下温度达到熔点后再凝结，最终使得两块玻璃牢固的结合在一起。

由于非线性吸收效应仅仅限制在焦区附近，同时，激光脉冲作用于玻璃材料的时间极短，为飞秒量级，因而在加工过程中热效应得到显著减小，避免了玻璃材料因受热膨胀而产生裂纹导致产品失效。同时，无接触的加工方式使得过程及其简单，加工速度快，加工一片往往只需要几十秒到两分钟。

本实施例键合的玻璃具有优异的耐化学性，这是键合完全是源于基材的局部熔化，没有任何表面处理或中间层。焊缝的宽度一般为几十微米，使焊缝在微米尺度内尽可能接近微流体通道，从而扩展了基板的有效空间。由于飞秒加工带来的热输入量极小，使得芯片几乎没有热应力。同时，无接触的加工方式使得过程及其简单，加工速度快，加工一片往往只需要几十秒到两分钟。经应用机构检测，芯片键合的强度高，密封性好，能够得到完整无异常的电泳结果，并可以多次重复使用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (1)

1.一种用于玻璃基微流控芯片的激光键合设备，其特征在于：机架采用大理石防震平台(2)，飞秒激光器(1)放置在所述大理石防震平台(2)顶层一侧，在所述飞秒激光器(1)出光口后顺序安装各级反射镜(4)，扩束镜(3)置于第二、三所述反射镜(4)之间；聚焦镜(5)通过连接件安装在所述大理石防震平台(2)的正面的Z轴上，使得激光束通过各级所述反射镜(4)改变路径垂直聚焦于工作平面，CCD相机(6)垂直安装在Z轴位置；直线电机运动系统(7)安装在所述大理石防震平台(2)第二平面，其上安装真空吸附治具(8)。

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