本發(fā)明涉及一種利用數(shù)控雕刻技術(shù)制作玻璃微流控芯片的方法，可應(yīng)用于芯片實(shí)驗(yàn)室。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，微流控芯片作為一種新的技術(shù)平臺(tái)，在生物和化學(xué)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，是當(dāng)前發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。目前制作微流控芯片的基質(zhì)材料主要有硅、玻璃和聚合物三大類。其中玻璃材質(zhì)芯片具有良好的力學(xué)、光學(xué)、傳熱和電絕緣性能以及生物相容性，同時(shí)能夠耐受高溫、高壓和各種有機(jī)溶劑等苛刻的生化反應(yīng)條件，因此在微流控技術(shù)的應(yīng)用研究中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但是傳統(tǒng)的基于玻璃材質(zhì)的微流控芯片制作工藝，通常是采用微電子加工工藝結(jié)合濕法腐蝕來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體流程包括掩模版的制作、光刻圖形化(光刻工藝包括涂膠、烘膠、曝光、顯影、后烘等步驟)、氫氟酸腐蝕、鍵合，且此工藝方法往往需要待加工玻璃基片表面預(yù)先濺射一層金屬層或多晶硅/氮化硅層作為刻蝕掩膜層，整個(gè)制作過(guò)程周期長(zhǎng)、成本高，大大限制了玻璃微流控芯片的實(shí)際應(yīng)用。因此，迫切需要發(fā)展一種快速簡(jiǎn)潔、成本低廉的玻璃微流控芯片的制作方法，促進(jìn)玻璃微流控芯片的廣泛應(yīng)用，加速微流控技術(shù)的研究和實(shí)際應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種利用數(shù)控雕刻技術(shù)制作玻璃微流控芯片的方法，所述的方法利用數(shù)控雕刻技術(shù)直接將CAD設(shè)計(jì)圖形刻劃在玻璃基片上，形成微管道和/或微腔體，用于制備玻璃材質(zhì)的微流控芯片。該方法無(wú)需昂貴的掩模版制作，避免了繁瑣的、昂貴的光刻工藝以及危險(xiǎn)的濕法腐蝕工藝，可快速、簡(jiǎn)捷地實(shí)現(xiàn)玻璃微流控芯片的低成本制作，有望促進(jìn)玻璃微流控芯片的實(shí)際應(yīng)用和相關(guān)微流控技術(shù)的快速發(fā)展。

鑒于此，為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明的目的，具體提供了如下技術(shù)方案：

一種利用數(shù)控雕刻技術(shù)制作玻璃微流控芯片的方法，是利用數(shù)控雕刻機(jī)直接將AutoCAD軟件繪制的微流控芯片圖形刻劃在玻璃基片上，形成微管道和/或微腔體結(jié)構(gòu)，用于制備玻璃微流控芯片；所述微流控芯片是開放型的或封閉型的。

制作開放型的玻璃微流控芯片，包括如下步驟：

1)通過(guò)表面涂層或表面處理方法，制作具有疏水特性表面的玻璃基片；

2)利用AutoCAD軟件進(jìn)行微流控芯片圖形設(shè)計(jì)，然后將該設(shè)計(jì)圖形導(dǎo)入到數(shù)控軟件中，并對(duì)刀具類型、刀具直徑、刀具轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、進(jìn)給深度進(jìn)行設(shè)置，最后通過(guò)軟件生成數(shù)控加工代碼；

3)將經(jīng)步驟(1)處理的玻璃基片固定于帶水槽的數(shù)控雕刻機(jī)加工平臺(tái)上，并向水槽中加水至完全浸沒玻璃基片；

4)將第(2)步生成的數(shù)控加工代碼導(dǎo)入到數(shù)控雕刻機(jī)的控制軟件中，控制刀具運(yùn)行軌跡，使其在玻璃基片上雕刻加工所設(shè)計(jì)的圖形；

5)將經(jīng)步驟(4)處理完成的玻璃基片沖洗干凈，制得開放型的玻璃微流控芯片；

優(yōu)選的，步驟(2)中，所述刀具類型為立銑刀；所述刀具直徑為0.05mm～5mm；所述刀具轉(zhuǎn)速為8000rpm～10000rpm；所述進(jìn)給速度為0.2mm/min～5mm/min；所述進(jìn)給深度為0.01mm～0.1mm。采用高轉(zhuǎn)速和低進(jìn)給速度目的是確保所加工管道和腔體表面的光滑度以及延長(zhǎng)刀具使用壽命。

優(yōu)選的，步驟(3)中，經(jīng)步驟(1)處理的玻璃基片通過(guò)雙面膠帶、石蠟或焦糖固定于加工平臺(tái)上。

優(yōu)選的，步驟(3)中，加入數(shù)控雕刻機(jī)水槽的水的溫度在0℃～25℃；所述水槽中水面高度高于玻璃基片上表面1mm～5mm。通過(guò)冷水浸沒待加工玻璃基片可防止加工過(guò)程中刀具切削溫度過(guò)高，影響管道表面粗糙度以及刀具壽命，同時(shí)也使得切削產(chǎn)生的殘屑更易清除。

制作封閉型的玻璃微流控芯片，包括如下步驟：

1)利用AutoCAD軟件進(jìn)行微流控芯片圖形設(shè)計(jì)，然后將該設(shè)計(jì)圖形導(dǎo)入到數(shù)控軟件中，并對(duì)刀具類型、刀具直徑、刀具轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、進(jìn)給深度進(jìn)行設(shè)置，最后通過(guò)軟件生成數(shù)控加工代碼；

2)將清洗后的玻璃基片固定于帶水槽的數(shù)控雕刻機(jī)的加工平臺(tái)上，并在水槽中加入水，完全浸沒玻璃基片；

3)將第(1)步生成的數(shù)控加工代碼導(dǎo)入到數(shù)控雕刻機(jī)的控制軟件中，控制刀具運(yùn)行軌跡，使其在玻璃基片上雕刻加工所設(shè)計(jì)圖形及打孔；

4)將經(jīng)步驟(3)處理完成的玻璃基片清洗干凈，并將其與另一干凈、平整玻璃基片鍵合，制得封閉型的玻璃微流控芯片

優(yōu)選的，步驟(1)中，設(shè)置加工參數(shù)時(shí)，若加工微管道和/或微腔體，所述刀具類型為立銑刀，刀具直徑為0.05mm～5mm，刀具轉(zhuǎn)速為8000rpm～10000rpm，進(jìn)給速度為0.2mm/min～5mm/min，進(jìn)給深度為0.01mm～0.5mm；若打孔，所述刀具類型為立銑刀或鉆頭，刀具直徑為0.1mm～5mm，刀具轉(zhuǎn)速為8000rpm～10000rpm，進(jìn)給速度為0.2mm/min～5mm/min，進(jìn)給深度為0.01mm～1mm。采用高轉(zhuǎn)速和低進(jìn)給速度目的是確保所加工管道和腔體表面的光滑度以及延長(zhǎng)刀具使用壽命。

優(yōu)選的，步驟(3)中，經(jīng)步驟(1)處理的玻璃基片通過(guò)夾具、雙面膠帶、石蠟或焦糖固定于加工平臺(tái)上。

優(yōu)選的，步驟(2)中，加入數(shù)控雕刻機(jī)水槽的水的溫度在0℃～25℃；所述水槽中水面高度高于玻璃基片上表面1mm～5mm。通過(guò)冷水浸沒待加工玻璃基片可防止加工過(guò)程中刀具切削溫度過(guò)高，影響管道表面粗糙度以及刀具壽命，同時(shí)也使得切削產(chǎn)生的殘屑更易清除。

優(yōu)選的，步驟(4)中，玻璃基片鍵合時(shí)，鍵合方法采用高溫熔融鍵合，或者采用乙酸鈣輔助的低溫鍵合。其中鍵合方法可以采用高溫熔融鍵合，即將兩片緊密貼合的玻璃基片，置于600℃馬弗爐中，加熱6hr，實(shí)現(xiàn)鍵合；或者采用鈣離子輔助的低溫鍵合，即利用乙酸鈣和去污劑的混合液清洗待鍵合玻璃表面，之后緊密貼合，置于115℃烘箱中加熱2hr，實(shí)現(xiàn)鍵合。

本發(fā)明提供的一種利用數(shù)控雕刻技術(shù)制作玻璃微流控芯片的方法，避免了傳統(tǒng)玻璃微流控芯片制作工藝周期長(zhǎng)、成本高、污染環(huán)境、靈活性差等缺陷，可快速、簡(jiǎn)捷、低成本地實(shí)現(xiàn)玻璃材質(zhì)微流控器件的制作，有望進(jìn)一步促進(jìn)微流控技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說(shuō)明：

圖1為本發(fā)明方法流程示意圖。

圖2為本發(fā)明方法制作的玻璃材質(zhì)混合微流控芯片實(shí)物照片。

圖3為本發(fā)明方法制作的玻璃材質(zhì)液滴微流控芯片實(shí)物照片。

圖4為本發(fā)明方法制作的玻璃材質(zhì)開放型微流控芯片實(shí)物照片。

圖5為本發(fā)明方法制作的玻璃材質(zhì)微陣列芯片實(shí)物照片。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。

實(shí)施例1

圖1為本發(fā)明方法流程示意圖。

如圖2所示，為基于本發(fā)明方法加工的Y字型混合微流控芯片，其通道寬度為300μm，深度為50μm。具體步驟是：

1)首先利用AutoCAD軟件繪制Y字型混合微流控芯片管道圖形，然后將該設(shè)計(jì)圖形導(dǎo)入到數(shù)控軟件中，并設(shè)置刀具類型為立銑刀，設(shè)置刀具直徑為0.3mm，刀具轉(zhuǎn)速設(shè)置為8000rpm，進(jìn)給速度為1mm/min，進(jìn)給深度為0.05mm，生成數(shù)控代碼；

2)通過(guò)夾具將待加工玻璃基片固定于加工平臺(tái)上，然后在水槽中加入冷水，直至水面淹沒玻璃基片；

3)在主軸刀具夾頭上固定直徑300μm的玉米型立銑刀，并利用對(duì)刀器確定刀具加工的z軸零平面；

4)將第(1)步生成的數(shù)控代碼導(dǎo)入到數(shù)控雕刻機(jī)的控制軟件中，啟動(dòng)雕刻機(jī)，控制刀具運(yùn)行軌跡，對(duì)玻璃基片進(jìn)行雕刻加工；

5)完成管道雕刻后，更換主軸上刀具為直徑1.5mm的鉆頭，并在管道網(wǎng)絡(luò)三個(gè)末端各打一個(gè)通孔；

6)完成打孔后，將所加工的玻璃基片從平臺(tái)上取下，超聲清洗干凈，并與另一片干凈的平整玻璃基片一起浸入0.5％(w/v)乙酸鈣溶液與0.5％(w/v)去污劑的混合液中，然后取出，用去離子水沖洗30s左右，將兩者貼合，放置于115℃烘箱中，加熱2hr，實(shí)現(xiàn)鍵合，即可完成Y字型混合微流控芯片的制作。

實(shí)施例2

如圖3所示，為基于本發(fā)明方法加工的T字型液滴微流控芯片，該芯片網(wǎng)絡(luò)為雙層立體結(jié)構(gòu)，第一層為淺而窄的管道，第二層為深而寬的管道，兩層通道寬度分別為300μm和700μm，通道深度分別為50μm和100μm。

制作工藝與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于：所述步驟(1)分別針對(duì)兩層管道繪制圖形，并分別設(shè)置刀具直徑為0.3mm和0.7mm，進(jìn)給深度為0.05mm和0.1mm，刀具轉(zhuǎn)速均設(shè)置為8000rpm，進(jìn)給速度均設(shè)置為1mm/min，然后分別生成對(duì)應(yīng)數(shù)控代碼文件；所述步驟(4)中，完成第一層淺管道雕刻后，更換主軸上刀具為直徑0.7mm的立銑刀，并利用對(duì)刀器確定刀具加工的z軸零表面，導(dǎo)入第二層深管道圖形生成的數(shù)控代碼，控制刀具運(yùn)行軌跡，雕刻第二層深且寬的管道。

實(shí)施例3

如圖4所示，為基于本發(fā)明方法加工的單通道開放型微流控芯片，其通道寬度為300μm，深度為100μm。具體步驟是：

1)首先利用表面涂層方法制作超疏水表面的玻璃基片，即將納米二氧化硅超疏水涂層溶液均勻涂布于干凈的玻璃基片表面，自然晾干，制得具有超疏水表面特性的玻璃基片；

2)利用AutoCAD軟件繪制微流控芯片管道圖形，然后將該設(shè)計(jì)圖形導(dǎo)入到數(shù)控軟件中，并設(shè)置刀具類型為立銑刀，設(shè)置刀具直徑為0.3mm，刀具轉(zhuǎn)速設(shè)置為8000rpm，進(jìn)給速度為1mm/min，進(jìn)給深度為0.1mm，生成數(shù)控代碼；

3)通過(guò)雙面膠帶將第(1)步制作的超疏水玻璃基片固定于加工平臺(tái)上，然后在水槽中加入冷水，直至水面淹沒玻璃基片；

4)在主軸刀具夾頭上固定直徑300μm的玉米型立銑刀，并利用對(duì)刀器確定刀具加工的z軸零平面；

5)將第(2)步生成的數(shù)控代碼導(dǎo)入到數(shù)控雕刻機(jī)的控制軟件中，啟動(dòng)雕刻機(jī)，控制刀具運(yùn)行軌跡，對(duì)玻璃基片進(jìn)行雕刻加工；

6)完成雕刻后，將所加工的玻璃基片從平臺(tái)上取下，沖洗干凈，即完成單通道開放型微流控芯片的制作。

實(shí)施例4

如圖5所示，為基于本發(fā)明方法加工的微陣列點(diǎn)陣芯片，其單點(diǎn)直徑為500μm，深度為50μm。

制作工藝與實(shí)施例3基本相同，不同之處在于：所述步驟(2)中，利用AutoCAD軟件繪制微陣列點(diǎn)陣圖形，然后將該設(shè)計(jì)圖形導(dǎo)入到數(shù)控軟件中，并設(shè)置刀具類型為立銑刀，設(shè)置刀具直徑為0.5mm，刀具轉(zhuǎn)速設(shè)置為8000rpm，進(jìn)給速度為1mm/min，進(jìn)給深度為0.05mm，生成數(shù)控代碼。

最后說(shuō)明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。