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：
本發(fā)明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(shí)驗(yàn)室，是一項(xiàng)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(cè)等過(guò)程，縮微或基本縮微到一塊幾平方厘米的芯片上，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)與分析的技術(shù)。相對(duì)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(tái)，也是當(dāng)前微全分析系統(tǒng)發(fā)展的重點(diǎn)。近年來(lái)，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(guò)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(guó)外多項(xiàng)統(tǒng)計(jì)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(wèn)題80 %左右是由于封裝造成的。目前其封裝技術(shù)仍是通過(guò)改善微電子封裝工藝實(shí)現(xiàn)的，沒(méi)有通用性，也未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。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(guò)程中的瓶頸問(wèn)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(shí)現(xiàn)聚合物MEMS器件實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。針對(duì)聚合物材料的特性，人們開(kāi)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(guò)特殊的有機(jī)溶劑溶解聚合物器件的接觸面實(shí)現(xiàn)器件聯(lián)接，該方法無(wú)法避免微流控芯片微溝道材料被有機(jī)溶劑溶解后，微溝道形貌會(huì)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(shí)該方法不利于進(jìn)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(shí)現(xiàn)上下器件的聯(lián)接。由于膠粘接過(guò)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(guò)對(duì)芯片施加一定的外界壓力，使軟化潤(rùn)濕的鍵合表面緊密接觸，分子間形成作用力，實(shí)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(qiáng)度，但是溫度、壓力過(guò)高容易導(dǎo)致芯片微溝道和基片整體的變形，嚴(yán)重影響鍵合質(zhì)量。超聲波焊接法是一種振動(dòng)摩擦鍵合方法，由于聲場(chǎng)因素的制約，且焊區(qū)封閉，使得對(duì)鍵合過(guò)程的參數(shù)檢測(cè)變得非常困難。上述塑料的鍵合方法或需要振動(dòng)摩擦，或需要介質(zhì)與產(chǎn)品直接接觸。振動(dòng)易于振壞微器件，而直接接觸容易使得污染物進(jìn)入微流控芯片的微通道、微泵及微閥等功能區(qū)域，從而對(duì)其造成污染。同時(shí)，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(guò)多，這些都容易造成微結(jié)構(gòu)或微通道的變形，嚴(yán)重的將會(huì)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。
激光透射鍵合微流控芯片方法，是讓激光(波長(zhǎng)一般為800 - 1050nm)透過(guò)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(kuò)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(qiáng)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(shì)，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(qiáng)度更高的焊縫，是本領(lǐng)域所要解決的技術(shù)問(wèn)題
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明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(qiáng)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(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(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(shí)別與圖像處理、控制系統(tǒng)、位移控制平臺(tái)，所述激光束成像系統(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(tái)上的待鍵合芯片處，形成的光斑大小和強(qiáng)度可控；設(shè)有圖像識(shí)別與處理系統(tǒng)，所述圖像識(shí)別與處理系統(tǒng)包括CXD和計(jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)CXD采集衍射圖像的處理，靈活控制光斑的大小和強(qiáng)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(gè)模塊中。所述可控光學(xué)系統(tǒng)中，在常規(guī)激光準(zhǔn)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(gè)純相位型的光學(xué)元件，通過(guò)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(duì)激光束的相位進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)制，通過(guò)衍射作用后，激光光束到達(dá)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(qiáng)由高斯分布變?yōu)閺?qiáng)度均一的平頂分布，實(shí)現(xiàn)鍵合性能的均一性。所述圖像識(shí)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(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)圖像識(shí)別與處理，設(shè)計(jì)出最優(yōu)的鍵合位置的目標(biāo)圖像，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算獲取目標(biāo)圖像編碼，利用圖像中的像素點(diǎn)的值來(lái)動(dòng)態(tài)控制液晶模式二元光學(xué)器件的衍射，靈活控制激光光場(chǎng)。進(jìn)一步的技術(shù)方案，設(shè)有溫度在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，所述溫度在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)包括一臺(tái)波長(zhǎng)為7. 5 13um的紅外攝像機(jī)。紅外熱成像技術(shù)作為一種對(duì)鍵合過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，紅外熱成像具有無(wú)損、對(duì)熱分布的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)。溫度場(chǎng)的變化通過(guò)紅外攝像機(jī)記錄下來(lái)，一般地，紅外攝像機(jī)的熱靈敏度在0. 08 30度，頻率為60HZ，攝像頭具有分辨率為IOOum的微距測(cè)量功能。熱像儀監(jiān)測(cè)熔池及其附近的溫度分布形成對(duì)應(yīng)熱圖視頻信號(hào)，經(jīng)視頻采集卡采集后通過(guò)PC機(jī)的USB 口輸入，通過(guò)熱像儀攝取的熱成像圖片由CAM軟件進(jìn)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(dá)到合適的溫度。上述技術(shù)方案中，所述位移控制平臺(tái)采用伺服控制系統(tǒng)控制，包括氣動(dòng)軸承和由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾珠絲杠結(jié)構(gòu)。采用精密的氣動(dòng)軸承及伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠組成的三維移動(dòng)平臺(tái)，其定位精度可達(dá)5微米，重復(fù)定位精度±0. 5微米。由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)
I.本發(fā)明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(shí)現(xiàn)依據(jù)性能設(shè)計(jì)激光光場(chǎng)，并實(shí)現(xiàn)激光光場(chǎng)(強(qiáng)度與形狀)的動(dòng)態(tài)調(diào)控技術(shù)。2.通過(guò)圖像采集與處理系統(tǒng)，真正意義上實(shí)現(xiàn)對(duì)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(tái)及伺服控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鍵合過(guò)程的精確定位，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)自鎖夾緊。4.創(chuàng)新的溫度在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，對(duì)傳統(tǒng)的傳感器溫度控制模式進(jìn)行徹底的革新，實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸、無(wú)損傷、高精度溫度監(jiān)測(cè)與控制，真正意義上達(dá)到依據(jù)預(yù)先設(shè)定鍵合質(zhì)量設(shè)定鍵合參數(shù)。
圖I是實(shí)施例中聚合物微流控芯片鍵合系統(tǒng)裝置圖。圖2是實(shí)施例中聚合物微流控芯片鍵合系統(tǒng)流程框圖。其中I、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(jī)；5、控制系統(tǒng)；6、伺服電機(jī)；7、位移控制平臺(tái)；8、滾珠絲杠。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述
實(shí)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(shí)別與圖像處理系統(tǒng)、溫度在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)以及精密位移控制平臺(tái)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。參見(jiàn)附圖I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(tái)7上的待鍵合芯片處；所述圖像識(shí)別與處理系統(tǒng)包括CCD3和計(jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)CCD3采集衍射圖像的處理，靈活控制光斑的大小和強(qiáng)度。所述溫度在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)包括一臺(tái)波長(zhǎng)為7. 5 13um的紅外攝像機(jī)4。所述位移控制平臺(tái)7采用伺服控制系統(tǒng)控制，包括氣動(dòng)軸承和由伺服電機(jī)6驅(qū)動(dòng)的滾珠絲杠8結(jié)構(gòu)。參見(jiàn)附圖2所示，當(dāng)聚合物微流控芯片置于位移控制平臺(tái)I上時(shí)，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(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)圖像識(shí)別與處理，設(shè)計(jì)出最優(yōu)的鍵合位置的目標(biāo)圖像，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算獲取目標(biāo)圖像編碼，利用圖像中的像素點(diǎn)的值來(lái)動(dòng)態(tài)控制液晶模式二元光學(xué)器件2的衍射，靈活控制激光光場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合物微流控芯片鍵合質(zhì)量的在線控制。鍵合過(guò)程中，溫度場(chǎng)的變化通過(guò)溫度在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)中的一臺(tái)波長(zhǎng)為7. 5 13um的紅外攝像機(jī)記錄下來(lái)，熱像儀監(jiān)測(cè)熔池及附近的溫度分布形成對(duì)應(yīng)熱圖視頻信號(hào)，經(jīng)視頻采集卡采集后通過(guò)PC機(jī)的USB 口輸入，通過(guò)熱像儀攝取的熱成像圖片由CAM軟件進(jìn)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(dá)到合適的溫度，實(shí)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(shí)精密位移控制平臺(tái)及伺服控制系統(tǒng)采用精密的氣動(dòng)軸承及伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠組成的三維移動(dòng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)鍵合過(guò)程的精確定位，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(tái)，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(tái)上的待鍵合芯片處，形成的光斑大小和強(qiáng)度可控；設(shè)有圖像識(shí)別與處理系統(tǒng)，所述圖像識(shí)別與處理系統(tǒng)包括CXD和計(jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)CXD采集衍射圖像的處理，控制光斑的大小和強(qiáng)度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I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(guò)改變光波的波陣面以改變相位，用來(lái)對(duì)激光束的相位進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)制，通過(guò)衍射作用后，激光光束到達(dá)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I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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，所述溫度在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)包括一臺(tái)波長(zhǎng)為7. 5 13um的紅外攝像機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I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(tái)采用伺服控制系統(tǒng)控制，包括氣動(dòng)軸承和由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾珠絲杠結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)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(shí)別與圖像處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、位移控制平臺(tái)，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(tái)上的待鍵合芯片處，形成的光斑大小和強(qiáng)度可控；設(shè)有圖像識(shí)別與處理系統(tǒng)，所述圖像識(shí)別與處理系統(tǒng)包括CCD和計(jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)CCD采集衍射圖像的處理，控制光斑的大小和強(qiáng)度。本發(fā)明將二元光學(xué)技術(shù)、激光透射焊接聚合物技術(shù)以及溫度、圖像實(shí)時(shí)在線測(cè)量技術(shù)結(jié)合在一起，利用二元光學(xué)元件對(duì)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(qiáng)度更高的焊縫。
文檔編號(hào)B29C65/16GK102756474SQ20121026335
公開(kāi)日2012年10月31日 申請(qǐng)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(qǐng)人:蘇州大學(xué)