專(zhuān)利名稱(chēng)：一種膜片鉗芯片微孔加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光微孔加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種膜片鉗芯片微孔加工方法。
背景技術(shù)：
膜片鉗技術(shù)是離子通道研究中的重要技術(shù)。經(jīng)典膜片鉗雖然具有技術(shù)信息含量大、分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，但是通量低、操作煩瑣、實(shí)驗(yàn)條件要求高等缺點(diǎn)限制了它在細(xì)胞生理和藥物發(fā)現(xiàn)等研究中的應(yīng)用。因此膜片鉗芯片技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。膜片鉗芯片技術(shù)能夠進(jìn)行高通量的電生理測(cè)量、自動(dòng)形成高阻抗封接，并能與光學(xué)測(cè)量手段相結(jié)合，它促進(jìn)了離子通道和高通量藥物篩選的研究。膜片鉗芯片技術(shù)采用帶有微米級(jí)孔洞的平面結(jié)構(gòu)代替玻璃微電極(如圖1所示)與細(xì)胞形成封接，只需將細(xì)胞懸液滴在孔洞上，施加一個(gè)負(fù)壓或是一個(gè)靜電場(chǎng)，將細(xì)胞引導(dǎo)到孔洞上，再施加一個(gè)負(fù)壓即可使細(xì)胞與芯片間形成高阻抗封接。這樣操作更加方便、快捷。并且可將芯片制作為電極陣列對(duì)多個(gè)細(xì)胞同時(shí)進(jìn)行記錄。上述膜片嵌芯片的微孔呈漏洞狀(如圖2所示)，微孔的入口孔徑大于出口孔徑，微孔入口孔徑的范圍為2 10 μ m，微孔出口孔徑的范圍為1 2μπι，這種結(jié)構(gòu)有利于細(xì)胞懸液的灌注。目前，已經(jīng)采用的制作膜片鉗芯片的材料有硅、石英晶體或玻璃和有機(jī)聚合體。采用基于硅材料基底制作的膜片鉗芯片，在打孔實(shí)驗(yàn)中存在一系列的問(wèn)題，難以形成上述漏洞狀微孔；利用石英晶體良好的絕緣性質(zhì)制作的膜片鉗芯片，可以用標(biāo)準(zhǔn)的平面加工技術(shù)， 得到微米到亞微米級(jí)的孔洞，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)這種膜片鉗芯片的性能參數(shù)很好，但是打出的孔洞的形狀總是三角形，使得細(xì)胞與芯片間很難形成高阻抗的封接；玻璃和有機(jī)聚合體也是很好的絕緣材料，而且還具有透明，方便觀察以及可與其他光學(xué)檢測(cè)手段如熒光檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)，玻璃膜片鉗芯片與細(xì)胞能較好地形成高阻抗封接。另外，玻璃具有很好的電和機(jī)械性質(zhì)、表面具有親水性，是比較理想的膜片嵌芯片材料。目前在玻璃上加工微孔的方法通常采用單個(gè)離子追蹤刻蝕技術(shù)，在芯片上加工的孔洞直徑可達(dá)1 μ m，甚至更小，且孔洞圓潤(rùn)、光滑。但是該方法效率比較低，推廣難度較大。 因此如何在玻璃上加工出1 10 μ m孔徑的漏洞狀微孔是大規(guī)模應(yīng)用膜片鉗芯片技術(shù)的關(guān)鍵。眾所周知，激光打孔加工是激光加工技術(shù)的重要組成部分，激光打孔與其他打孔方法相比，最大區(qū)別是它具有高速、高精度和高適應(yīng)性的特點(diǎn)。除此之外，它還具有打孔均勻、熱影響區(qū)小、加工時(shí)無(wú)噪聲、切縫邊緣垂直度好、切邊光滑、加工過(guò)程容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)，但是目前的激光打孔技術(shù)最小加工的孔徑在100 μ m左右，且難以打出漏洞狀微孔。另外，傳統(tǒng)的YAG激光和(X)2激光很難作用于玻璃材料，加工的效果差，而且所加工的玻璃很容易產(chǎn)生裂紋和崩邊，不能滿(mǎn)足膜片嵌芯片加工的要求。因此如何將激光打孔技術(shù)應(yīng)用到膜片嵌芯片的加工是本發(fā)明要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題，提供一種能實(shí)現(xiàn)在玻璃上加工微米級(jí)孔洞的
3膜片鉗芯片微孔加工方法，使其能適用于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。為實(shí)現(xiàn)此目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一種膜片鉗芯片微孔加工方法，其特征在于，它包括如下步驟步驟1)將紫外激光器發(fā)出的功率為1 7瓦的紫外高斯激光束，通過(guò)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束；步驟2)將擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后的紫外高斯激光束通過(guò)調(diào)節(jié)光圈取出光束直徑范圍為 1. 2 1. 8mm的紫外高斯激光束的中心光斑；步驟；3)將所述紫外高斯激光束的中心光斑通過(guò)聚焦鏡聚焦到玻璃膜片鉗芯片表面進(jìn)行打孔，打孔過(guò)程中通過(guò)控制步驟1)中紫外激光器發(fā)出的紫外高斯激光束功率的大小和步驟2、中調(diào)節(jié)光圈的中心直徑，來(lái)使玻璃膜片鉗芯片上形成漏斗狀微孔。在上述步驟；3)中，所述紫外高斯激光束的中心光斑可以先通過(guò)反射鏡反射后再進(jìn)入所述聚焦鏡。在上述方案中，還可以采用紫外高斯激光束不動(dòng)，通過(guò)水平移動(dòng)玻璃膜片鉗芯片的方法，完成整個(gè)玻璃膜片鉗芯片上陣列式排列微孔的加工。優(yōu)選地，所述玻璃膜片鉗芯片置于運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)上，運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)控制水平移動(dòng)，并帶動(dòng)玻璃膜片鉗芯片水平移動(dòng)；計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)還控制紫外激光器的工作狀態(tài)。優(yōu)選地，所述紫外激光器發(fā)出的紫外高斯激光束的波長(zhǎng)范圍為266 355nm，頻率范圍為10 ΙΟΟΚΗζ，脈寬范圍為15 50ns ；所述調(diào)節(jié)光圈的光圈直徑可調(diào)范圍為1. 2 1. 8mm ；所述擴(kuò)束鏡將紫外高斯激光束進(jìn)行8 10倍的擴(kuò)束。優(yōu)選地，所述微孔的入口孔徑大于出口孔徑，微孔入口孔徑的范圍為2 10 μ m， 微孔出口孔徑的范圍為1 2μπι。優(yōu)選地，所述玻璃膜片鉗芯片厚度為0. Imm 0. 15mm ；所述聚焦鏡為遠(yuǎn)心透鏡，紫外高斯激光束經(jīng)過(guò)該透鏡聚焦后的最小光斑直徑為0. 7 μ m。下面介紹本發(fā)明的激光微孔加工原理。1)紫外激光與玻璃無(wú)機(jī)材料的相互作用機(jī)理激光微孔加工中依據(jù)被加工材料的不同特性及對(duì)不同波長(zhǎng)的激光的吸收程度不同，往往選擇某一特定波長(zhǎng)的激光對(duì)材料進(jìn)行加工，以期達(dá)到最好的加工效果?？紤]到玻璃材料的特性，申請(qǐng)人選擇輸出波長(zhǎng)范圍為266nm 355nm的紫外激光器來(lái)對(duì)玻璃膜片鉗芯片的微孔進(jìn)行加工。該波長(zhǎng)的激光非常適合于無(wú)機(jī)材料。由于光束的衍射現(xiàn)象是限制加工部件最小尺寸的主要因素，激光可達(dá)到的聚焦點(diǎn)的最小光斑直徑隨著波長(zhǎng)的增加而線性增加，因此較短波長(zhǎng)的激光能夠加工出更小的部件。另外，紫外激光微處理過(guò)程從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)不是“熱”處理過(guò)程，紫外激光高能量的光子可以直接破壞玻璃材料的化學(xué)鍵，這一加工過(guò)程稱(chēng)為“光蝕”效應(yīng)，紫外激光加工是實(shí)質(zhì)上是冷處理過(guò)程，熱影響微乎其微，高能量的紫外光直接破壞玻璃材料的化學(xué)鍵，使得這種“冷”加工出來(lái)的孔徑直徑可控并具有光滑均勻的邊緣。2)微孔成型機(jī)理激光器發(fā)出的激光理論上是高斯光束，理想的高斯光束有利于圖2所示的漏洞狀微孔的成型，但是實(shí)際上激光不可能達(dá)到這種理想狀態(tài)。為了能夠使激光盡可能的接近理想高斯光束模式，本發(fā)明將擴(kuò)束鏡和調(diào)節(jié)光圈組合起來(lái)起到篩選光束的作用(如圖3所示)。首先，紫外激光器發(fā)出的紫外高斯激光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束，擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后的光束比較粗， 該光束到達(dá)調(diào)節(jié)光圈后只有光軸中間部分可以通過(guò)調(diào)節(jié)光圈。如圖4所示，通過(guò)控制調(diào)節(jié)光圈中心孔直徑的大小可以起到選擇光束的作用，光圈中心孔直徑越小透過(guò)去的激光越接近高斯光束，也確保了得到更小的聚焦光斑，從調(diào)節(jié)光圈出來(lái)的激光束經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)心透鏡聚焦后焦點(diǎn)的激光功率密度分布也是高斯分布，靠近紫外高斯激光束光軸的激光經(jīng)過(guò)聚焦后功率密度更高，在極短的時(shí)間內(nèi)破壞玻璃材料的分子結(jié)構(gòu)形成微孔，遠(yuǎn)離紫外高斯激光束光軸的激光功率密度要小很多，所以在短時(shí)間內(nèi)難以穿透玻璃材料，遠(yuǎn)離紫外高斯激光束光軸的激光打在玻璃膜片鉗芯片上形成微孔的錐面。通過(guò)控制調(diào)節(jié)光圈的中心直徑，可使玻璃膜片鉗芯片上形成漏斗狀微孔。本發(fā)明采用紫外激光加工玻璃膜片鉗芯片，紫外高斯激光束通過(guò)擴(kuò)束、調(diào)節(jié)光圈、 反射、聚焦后作用于玻璃膜片鉗芯片上，直接破壞玻璃材料的化學(xué)鍵，來(lái)形成入口孔徑的范圍為2 10 μ m、出口孔徑的范圍為1 2 μ m的微孔，通過(guò)調(diào)節(jié)光圈的直徑大小間接可以調(diào)節(jié)所加工微孔的直徑大小，通過(guò)調(diào)節(jié)紫外高斯激光束的功率和調(diào)節(jié)光圈的中心直徑來(lái)調(diào)節(jié)玻璃膜片鉗芯片上形成的微孔的錐度。通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)玻璃膜片鉗芯片的大批量工業(yè)化加工。本發(fā)明為在玻璃膜片鉗上加工出微米級(jí)的孔洞以及使芯片進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)開(kāi)辟了一條新途徑。


圖1為單個(gè)膜片鉗芯片的工作原理圖；圖2為膜片鉗芯片微孔的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的膜片鉗芯片微孔加工裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為高斯光束調(diào)節(jié)的原理圖；其中，1-紫外激光器、2-擴(kuò)束鏡、3-調(diào)節(jié)光圈、4-反射鏡、5-聚焦鏡、6_膜片鉗芯片夾具、7-運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)、8-計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例所述的一種膜片鉗芯片微孔加工方法，采用如圖3所示的一種膜片鉗芯片微孔加工裝置，該裝置包括紫外激光器1、擴(kuò)束鏡2、調(diào)節(jié)光圈3、反射鏡4、聚焦鏡5、玻璃膜片鉗芯片夾具6、計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)8和運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)7，其中，紫外激光器1的輸出光路上設(shè)置擴(kuò)束鏡2，擴(kuò)束鏡2的輸出光路上設(shè)置調(diào)節(jié)光圈3，調(diào)節(jié)光圈3的輸出光路上設(shè)置反射鏡4，反射鏡4的反射輸出光路上設(shè)置聚焦鏡5，聚焦鏡5的輸出光路上設(shè)置玻璃膜片鉗芯片夾具6。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)8的激光控制信號(hào)輸出端連接紫外激光器1的控制接口，計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)8的位置控制信號(hào)輸出端連接運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)7的控制接口，玻璃膜片鉗芯片夾具 6置于運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)7上。本裝置的擴(kuò)束鏡2的激光擴(kuò)束倍數(shù)為8 10倍；調(diào)節(jié)光圈3的光圈直徑可調(diào)范圍為1. 2mm 1. 8mm ；紫外激光器1發(fā)出的紫外高斯激光束的波長(zhǎng)為 355nm ；紫外激光器1發(fā)出的紫外高斯激光束的頻率為IOKHz ΙΟΟΚΗζ，紫外激光器1發(fā)出的紫外高斯激光束的功率為1 7瓦。本發(fā)明的工作過(guò)程為將待加工的玻璃膜片嵌芯片放置在運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)上，通過(guò)紅光指示找到第一個(gè)待加工孔的位置，打開(kāi)紫外激光器1，設(shè)置紫外激光器1相應(yīng)的工作參數(shù)(包括電流20A、頻率為15-20KHZ)，使激光器工作在額定電流和溫度下，紫外激光器1的模式設(shè)置為M0DE_1 (首脈沖抑制模式)，使輸出的激光能量處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。紫外高斯激光束通過(guò)擴(kuò)束鏡2擴(kuò)束后再由調(diào)節(jié)光圈3取出孔徑范圍為1. 2 1. 8mm的紫外高斯激光束的中心光斑，然后由反射鏡4改變紫外高斯激光束的角度，最后通過(guò)聚焦鏡5對(duì)紫外激光聚焦，聚焦后到達(dá)玻璃膜片鉗鉗芯片夾具6夾住的玻璃材料上的光功率為1 7W之間，并在玻璃材料上鉆出微孔洞，調(diào)節(jié)聚焦鏡5將使紫外高斯激光束的焦點(diǎn)剛好落在待加工玻璃膜片嵌芯片的上表面。通過(guò)控制調(diào)節(jié)光圈的中心直徑，來(lái)使玻璃膜片鉗芯片上形成入口孔徑范圍為2 10 μ m，微孔出口孔徑范圍為1 2μπι的漏斗狀微孔。另外，在加工過(guò)程中， 采用激光束不動(dòng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)8控制運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)7，進(jìn)行水平移動(dòng)玻璃膜片鉗芯片的方法，完成整個(gè)玻璃膜片鉗芯片上陣列式排列微孔的加工，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)加工流程的自動(dòng)化。另外，本實(shí)施例實(shí)施時(shí)，調(diào)節(jié)光圈直徑大小為1. 5mm，開(kāi)激光并延時(shí)1秒鐘后，取下玻璃膜片鉗芯片夾具6在光學(xué)顯微鏡下測(cè)量孔徑大小；如果玻璃材料沒(méi)有被打穿，則無(wú)法測(cè)量其大小，表明激光能量還不夠，需要將激光能量適度調(diào)大直到剛好能打穿為止，反之， 如果出光孔孔徑大于了 2 μ m，則需要將激光能量適度調(diào)小直到滿(mǎn)足要求為止；如果入光孔孔徑偏大則將調(diào)節(jié)光圈的直徑調(diào)小，反之亦然。通過(guò)反復(fù)的調(diào)節(jié)測(cè)試最終確保加工的孔徑達(dá)到所要求的值為止。根據(jù)第一個(gè)孔的加工參數(shù)，通過(guò)數(shù)控軟件完成批量加工。本發(fā)明采用紫外激光加工玻璃材料的膜片鉗芯片，高峰值功率的紫外激光在極短時(shí)間內(nèi)破壞材料的微觀結(jié)構(gòu)形成大小均勻孔洞，為在玻璃上加工出微米級(jí)的孔洞以及使芯片進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)開(kāi)辟了一條新途徑。本說(shuō)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種膜片鉗芯片微孔加工方法，其特征在于，它包括如下步驟步驟1)將紫外激光器發(fā)出的功率為1 7瓦的紫外高斯激光束，通過(guò)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束；步驟2、將擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后的紫外高斯激光束通過(guò)調(diào)節(jié)光圈取出光束直徑范圍為1. 2 1. 8mm的紫外高斯激光束的中心光斑；步驟幻將所述紫外高斯激光束的中心光斑通過(guò)聚焦鏡聚焦到玻璃膜片鉗芯片表面進(jìn)行打孔，打孔過(guò)程中通過(guò)控制步驟1)中紫外激光器發(fā)出的紫外高斯激光束功率的大小和步驟2、中調(diào)節(jié)光圈的中心直徑，來(lái)使玻璃膜片鉗芯片上形成漏斗狀微孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜片鉗芯片微孔加工方法，其特征在于所述步驟3)中，紫外高斯激光束的中心光斑先通過(guò)反射鏡反射后再進(jìn)入所述聚焦鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的膜片鉗芯片微孔加工方法，其特征在于在步驟幻中， 采用紫外高斯激光束不動(dòng)，通過(guò)水平移動(dòng)玻璃膜片鉗芯片的方法，完成整個(gè)玻璃膜片鉗芯片上陣列式排列微孔的加工。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的膜片鉗芯片微孔加工方法，其特征在于所述玻璃膜片鉗芯片置于運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)上，運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)控制水平移動(dòng)，并帶動(dòng)玻璃膜片鉗芯片水平移動(dòng)；計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)還控制紫外激光器的工作狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的膜片鉗芯片微孔加工方法，其特征在于所述紫外激光器發(fā)出的紫外高斯激光束的波長(zhǎng)范圍為266nm 355nm，頻率范圍為10 ΙΟΟΚΗζ，脈寬范圍為15 50ns ；所述調(diào)節(jié)光圈的光圈直徑可調(diào)范圍為1. 2mm 1. 8mm ；所述擴(kuò)束鏡將紫外高斯激光束進(jìn)行8 10倍的擴(kuò)束。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的膜片鉗芯片微孔加工方法，其特征在于所述微孔的入口孔徑大于出口孔徑，微孔入口孔徑的范圍為2 10 μ m，微孔出口孔徑的范圍為1 2 μ m0
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的膜片鉗芯片微孔加工方法，其特征在于玻璃膜片鉗芯片厚度為0. Imm 0. 15mm;所述聚焦鏡為遠(yuǎn)心透鏡，紫外高斯激光束經(jīng)過(guò)該透鏡聚焦后的最小光斑直徑為0. 7 μ m。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種膜片鉗芯片激光微孔加工方法，包括1)將紫外激光器發(fā)出的功率為1～7瓦的紫外高斯激光束，通過(guò)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束；2)將擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后的紫外高斯激光束通過(guò)調(diào)節(jié)光圈取出孔徑范圍為1.2～1.8mm的紫外高斯激光束的中心光斑；3)將所述紫外高斯激光束的中心光斑通過(guò)聚焦鏡聚焦到玻璃膜片鉗芯片表面進(jìn)行打孔，打孔過(guò)程中通過(guò)控制步驟2)中調(diào)節(jié)光圈的中心直徑，來(lái)使玻璃膜片鉗芯片上形成漏斗狀微孔。本發(fā)明使得聚焦后的紫外激光的高能量在極端的時(shí)間內(nèi)能破壞鉗芯片夾具上玻璃材料的分子結(jié)構(gòu)，并在玻璃材料上形成均勻的孔洞。
文檔編號(hào)B23K26/36GK102151997SQ20111003474
公開(kāi)日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月31日
發(fā)明者劉斌波, 吳浩, 應(yīng)花山, 徐駿平, 胡兵 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)