專利名稱：聚合物微流控芯片鍵合裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種微流控芯片鍵合裝備，尤其涉及一種微流控芯片的精密、可控鍵合裝備。
背景技術(shù)：
微流控芯片，又稱微全分析系統(tǒng)或芯片實驗室，是一項將化學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域所涉及的樣品制備、生物與化學(xué)反應(yīng)、分離和檢測等過程，縮微或基本縮微到一塊幾平方厘米的芯片上，并對其結(jié)果進行檢測與分析的技術(shù)。相對傳統(tǒng)分析技術(shù)，微流控芯片是一 “微”而“全”的分析技術(shù)平臺，也是當(dāng)前微全分析系統(tǒng)發(fā)展的重點。近年來，隨著聚合物材料的廣泛應(yīng)用，一些具有生化兼容特性和易于通過精密注塑及熱壓等手段大批量生產(chǎn)的塑料成為制造微流控芯片的主要材料(如PMMA、PC、PVC、PDMS、PETG、PE等)。這就克服了以硅或玻璃材料為主的加工工藝生產(chǎn)生物微系統(tǒng)的高成本低產(chǎn)量的局限性。但是，隨著聚合物微器件制造成本的逐漸降低，封裝成本所占的比重不斷上升，據(jù)國外多項統(tǒng)計表明聚合物微器件封裝成本占其產(chǎn)品的50% 90%，而產(chǎn)品的問題80 %左右是由于封裝造成的。目前其封裝技術(shù)仍是通過改善微電子封裝工藝實現(xiàn)的，沒有通用性，也未形成統(tǒng)一的標(biāo)準。因此，與聚合物MEMS技術(shù)的快速發(fā)展相比，其鍵合和封裝技術(shù)已大為落后，成為制造過程中的瓶頸問題。發(fā)展低成本、高可靠性的鍵合封裝工藝及裝備已成為實現(xiàn)聚合物MEMS器件實用化和產(chǎn)業(yè)化亟待解決的關(guān)鍵問題。針對聚合物材料的特性，人們開發(fā)出的聚合物微流控芯片的鍵合方法主要有溶劑鍵法、膠粘接鍵合法、微波鍵合法、直接鍵合法、超聲波鍵合法及激光鍵合法。溶劑鍵合法是通過特殊的有機溶劑溶解聚合物器件的接觸面實現(xiàn)器件聯(lián)接，該方法無法避免微流控芯片微溝道材料被有機溶劑溶解后，微溝道形貌會受到影響，且溶劑的流延很難得到控制，鍵合質(zhì)量一致性一般較差，同時該方法不利于進行大規(guī)模批量生產(chǎn)制作。膠粘接鍵合法是在基片與蓋片之間引入粘結(jié)劑實現(xiàn)上下器件的聯(lián)接。由于膠粘接過程中膠體很容易堵塞芯片微通道，且膠粘劑多數(shù)具有揮發(fā)性氣味，影響后續(xù)微流控芯片使用中的生物兼容性，因此，該方法在微流控芯片鍵合領(lǐng)域很少應(yīng)用。直接熱鍵合將芯片溫度加至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或熔融溫度左右，通過對芯片施加一定的外界壓力，使軟化潤濕的鍵合表面緊密接觸，分子間形成作用力，實現(xiàn)基片與蓋片的直接鍵合。一般壓力和溫度較大的情況下，鍵合芯片才能獲得一定的鍵合強度，但是溫度、壓力過高容易導(dǎo)致芯片微溝道和基片整體的變形，嚴重影響鍵合質(zhì)量。超聲波焊接法是一種振動摩擦鍵合方法，由于聲場因素的制約，且焊區(qū)封閉，使得對鍵合過程的參數(shù)檢測變得非常困難。上述塑料的鍵合方法或需要振動摩擦，或需要介質(zhì)與產(chǎn)品直接接觸。振動易于振壞微器件，而直接接觸容易使得污染物進入微流控芯片的微通道、微泵及微閥等功能區(qū)域，從而對其造成污染。同時，這些塑料焊接方法的熱影響區(qū)難以控制、易引起熱畸變以及溢料過多，這些都容易造成微結(jié)構(gòu)或微通道的變形，嚴重的將會導(dǎo)致微通道的堵塞。因此，這些鍵合方法在聚合物微流控芯片的鍵合方面均存在較大的不足。[0006]激光透射鍵合微流控芯片方法，是讓激光(波長一般為800 - 1050nm)透過透明蓋片，在蓋片與基片的結(jié)合面激光被蓋片吸收并產(chǎn)生熱量，在熱集中區(qū)域，塑料被熔化，熱熔融狀態(tài)下的塑料大分子在焊接壓力的作用下相互擴散和纏結(jié)，產(chǎn)生范德華力(分子間作用力)，在蓋片和基片之間形成強的鍵合。將激光掩模焊接方法應(yīng)用到厚度為0. 1-2. 5mm的PMMA微流控芯片的鍵合上，可以獲得175 焊縫寬度的不滲漏微芯片，表明激光透射焊接在聚合物微流控芯片鍵合領(lǐng)域有一定的優(yōu)勢，但掩模的通用性差、制造工藝復(fù)雜且成本高，不同結(jié)構(gòu)的微流控芯片就要配有不同的掩模以適應(yīng)微芯片內(nèi)微通道的變化。由于目前各種聚合物微流控芯片的鍵合方法都存在一定的局限性，如何獲得比激光掩膜鍵合寬度更窄、熱影響區(qū)更小、強度更高的焊縫，是本領(lǐng)域所要解決的技術(shù)問題。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的實用新型目的是提供一種可以獲得比激光掩膜鍵合寬度更窄、熱影響區(qū)更小、強度更高的焊縫的激光透射聚合物微流控芯片鍵合裝置。為達到上述實用新型目的，本實用新型采用的技術(shù)方案是一種聚合物微流控芯片鍵合裝置，包括激光發(fā)生器、可控光學(xué)系統(tǒng)、圖像識別與處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、位移控制平臺，所述可控光學(xué)系統(tǒng)中，設(shè)有二元光學(xué)元件，激光束經(jīng)二元光學(xué)元件的衍射在位移控制平臺上的待鍵合芯片處，形成的光斑大小和強度可控；設(shè)有圖像識別與處理系統(tǒng)，所述圖像識別與處理系統(tǒng)包括CXD和計算機，通過計算機對CXD采集衍射圖像的處理，靈活控制光斑的大小和強度。上述技術(shù)方案中，所述激光發(fā)生器可以采用現(xiàn)有技術(shù)，例如，激光發(fā)生器系統(tǒng)包括半導(dǎo)體激光器、可調(diào)電流源、制冷器及激光輸出耦合光纖等，將相應(yīng)的激光二極管、制冷片、給二極管供電的可調(diào)電流源以及制冷溫控電路模塊封裝在一個模塊中。所述二元光學(xué)元件為液晶模式控制的純相位型微光學(xué)元件，通過改變光波的波陣面以改變相位，用來對激光束的相位進行實時調(diào)制，通過衍射作用后，激光光束到達聚合物微流控芯片基片和蓋片鍵合面處的光斑形狀與預(yù)定的焊縫形狀相同。所述可控光學(xué)系統(tǒng)中，在常規(guī)激光準直鏡、聚焦鏡、分光鏡等組成光學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入液晶模式的二元光學(xué)元件，將微光學(xué)技術(shù)引入鍵合設(shè)備中。其基本的技術(shù)原理為根據(jù)微光學(xué)原理，二元光學(xué)元件(衍射光學(xué)元件)是一個純相位型的光學(xué)元件，通過改變光波的波陣面以改變相位，借助二元光學(xué)元件可以對激光束的相位進行實時調(diào)制，通過衍射作用后，激光光束到達聚合物微流控芯片基片和蓋片鍵合面處的光斑形狀與預(yù)定的焊縫形狀相同，更為關(guān)鍵的是光強由高斯分布變?yōu)閺姸染坏钠巾敺植?，實現(xiàn)鍵合性能的均一性。所述圖像識別與處理系統(tǒng)采用CXD顯微成像系統(tǒng)拍攝聚合物微流控芯片的微通道結(jié)構(gòu)，通過計算機對圖像識別與處理，設(shè)計出最優(yōu)的鍵合位置的目標(biāo)圖像，通過數(shù)值模擬計算獲取目標(biāo)圖像編碼，利用圖像中的像素點的值來動態(tài)控制液晶模式二元光學(xué)元件的衍射，靈活控制激光光場。進一步的技術(shù)方案，設(shè)有溫度在線實時監(jiān)測與控制系統(tǒng)，所述溫度在線實時監(jiān)測與控制系統(tǒng)包括一臺波長為7. 5 13 y m的紅外攝像機。紅外熱成像技術(shù)作為一種對鍵合過程的實時監(jiān)測方法，紅外熱成像具有無損、對熱分布的實時監(jiān)測等特點。溫度場的變化通過紅外攝像機記錄下來，一般地，紅外攝像機的熱靈敏度在0. 08 30度，頻率為60Hz，攝像頭具有分辨率為100 u m的微距測量功能。熱像儀監(jiān)測熔池及其附近的溫度分布形成對應(yīng)熱圖視頻信號，經(jīng)視頻采集卡采集后通過PC機的USB 口輸入，通過熱像儀攝取的熱成像圖片由CAM軟件進行分析，分析處理熱圖溫度信息，給出激光器的電流調(diào)節(jié)控制指令，使焊池溫度達到合適的溫度。上述技術(shù)方案中，所述位移控制平臺采用伺服控制系統(tǒng)控制，包括氣動軸承和由伺服電機驅(qū)動的滾珠絲杠結(jié)構(gòu)。采用精密的氣動軸承及伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠組成的三維移動平臺，其定位精度可達5微米，重復(fù)定位精度±0. 5微米。由于上述技術(shù)方案運用，本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點1.本實用新型將液晶模式二元光學(xué)元件引入到激光透射鍵合設(shè)備，提出基于液晶模式二元光學(xué)元件激光鍵合聚合物微流控芯片新方法，能實現(xiàn)依據(jù)性能設(shè)計激光光場，并實現(xiàn)激光光場(強度與形狀)的動態(tài)調(diào)控技術(shù)。2.通過圖像采集與處理系統(tǒng)，真正意義上實現(xiàn)對聚合物微流控芯片鍵合質(zhì)量的在線控制技術(shù)。3.精密位移控制平臺及伺服控制系統(tǒng)，實現(xiàn)鍵合過程的精確定位，并實現(xiàn)自動自鎖夾緊。4.創(chuàng)新的溫度在線實時監(jiān)測與控制系統(tǒng)，對傳統(tǒng)的傳感器溫度控制模式進行徹底的革新，實現(xiàn)無接觸、無損傷、高精度溫度監(jiān)測與控制，真正意義上達到依據(jù)預(yù)先設(shè)定鍵合質(zhì)量設(shè)定鍵合參數(shù)。

圖1是實施例中聚合物微流控芯片鍵合系統(tǒng)裝置圖。圖2是實施例中聚合物微流控芯片鍵合系統(tǒng)流程框圖。其中1、激光發(fā)生器；2、二元光學(xué)元件；3、CXD電荷耦合元件；4、紅外攝像機；5、控制系統(tǒng)；6、伺服電機；7、位移控制平臺；8、滾珠絲杠。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進一步描述實施例一一種聚合物微流控芯片鍵合裝置，包括激光發(fā)生器、含有液晶模式微光學(xué)器件的可控光學(xué)系統(tǒng)、圖像識別與處理系統(tǒng)、溫度在線實時監(jiān)測與控制系統(tǒng)以及精密位移控制平臺、伺服驅(qū)動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。參見附圖1所示，所述可控光學(xué)系統(tǒng)中，設(shè)有液晶模式的二元光學(xué)元件2，激光束經(jīng)二元光學(xué)元件2衍射在位移控制平臺7上的待鍵合芯片處；所述圖像識別與處理系統(tǒng)包括CCD3和計算機，通過計算機對CCD3采集衍射圖像的處理，靈活控制光斑的大小和強度。所述溫度在線實時監(jiān)測與控制系統(tǒng)包括一臺波長為7. 5 13 ii m的紅外攝像機4。所述位移控制平臺7采用伺服控制系統(tǒng)控制，包括氣動軸承和由伺服電機6驅(qū)動的滾珠絲杠8結(jié)構(gòu)。參見附圖2所示，當(dāng)聚合物微流控芯片置于位移控制平臺I上時，CXD顯微成像系統(tǒng)拍攝聚合物微流控芯片的微通道結(jié)構(gòu)，通過計算機對圖像識別與處理，設(shè)計出最優(yōu)的鍵合位置的目標(biāo)圖像，通過數(shù)值模擬計算獲取目標(biāo)圖像編碼，利用圖像中的像素點的值來動態(tài)控制液晶模式二元光學(xué)元件2的衍射，靈活控制激光光場，實現(xiàn)對聚合物微流控芯片鍵合質(zhì)量的在線控制。鍵合過程中，溫度場的變化通過溫度在線實時監(jiān)測與控制系統(tǒng)中的一臺波長為7. 5 13 的紅外攝像機記錄下來，熱像儀監(jiān)測熔池及附近的溫度分布形成對應(yīng)熱圖視頻信號，經(jīng)視頻采集卡采集后通過PC機的USB 口輸入，通過熱像儀攝取的熱成像圖片由CAM軟件進行分析，分析處理熱圖溫度信息，給出激光器的電流調(diào)節(jié)控制指令，使焊池溫度達到合適的溫度，實現(xiàn)依據(jù)預(yù)先設(shè)定鍵合質(zhì)量設(shè)定鍵合參數(shù)。同時精密位移控制平臺及伺服控制系統(tǒng)采用精密的氣動軸承及伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠組成的三維移動平臺，實現(xiàn)鍵合過程的精確定位，并實現(xiàn)自動自鎖夾緊。
權(quán)利要求1.一種聚合物微流控芯片鍵合裝置，包括激光發(fā)生器、可控光學(xué)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、位移控制平臺，其特征在于所述可控光學(xué)系統(tǒng)中，設(shè)有二元光學(xué)元件，激光束經(jīng)二元光學(xué)元件衍射在位移控制平臺上的待鍵合芯片處，形成的光斑大小和強度可控；設(shè)有圖像識別與處理系統(tǒng)，所述圖像識別與處理系統(tǒng)包括CXD和計算機，通過計算機對CXD采集衍射圖像的處理，控制光斑的大小和強度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物微流控芯片鍵合裝置，其特征在于所述二元光學(xué)元 件為液晶模式控制的純相位型微光學(xué)元件，通過改變光波的波陣面以改變相位，用來對激光束的相位進行實時調(diào)制，通過衍射作用后，激光光束到達聚合物微流控芯片基片和蓋片鍵合面處的光斑形狀與預(yù)定的焊縫形狀相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物微流控芯片鍵合裝置，其特征在于設(shè)有溫度在線實時監(jiān)測與控制系統(tǒng)，所述溫度在線實時監(jiān)測與控制系統(tǒng)包括一臺波長為7. 5 13 μ m的紅外攝像機。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物微流控芯片鍵合裝置，其特征在于所述位移控制平臺采用伺服控制系統(tǒng)控制，包括氣動軸承和由伺服電機驅(qū)動的滾珠絲杠結(jié)構(gòu)。
專利摘要本實用新型公開了一種聚合物微流控芯片鍵合裝置，包括激光發(fā)生器、可控光學(xué)系統(tǒng)、圖像識別與處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、位移控制平臺，其特征在于所述可控光學(xué)系統(tǒng)中，設(shè)有二元光學(xué)元件，激光束經(jīng)二元光學(xué)元件衍射在位移控制平臺上的待鍵合芯片處，形成的光斑大小和強度可控；設(shè)有圖像識別與處理系統(tǒng)，所述圖像識別與處理系統(tǒng)包括CCD和計算機，通過計算機對CCD采集衍射圖像的處理，控制光斑的大小和強度。本實用新型將二元光學(xué)技術(shù)、激光透射焊接聚合物技術(shù)以及溫度、圖像實時在線測量技術(shù)結(jié)合在一起，利用二元光學(xué)元件對激光的衍射作用，可以獲得比激光掩膜鍵合寬度更窄、熱影響區(qū)更小、強度更高的焊縫。
文檔編號B29C65/16GK202862594SQ201220367388
公開日2013年4月10日 申請日期2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月27日
發(fā)明者王傳洋 申請人:蘇州大學(xué)