聚合物微流控晶片鍵合系統的製作方法
2023-08-13 22:52:26 2
本發明涉及機械工程技術領域，尤其是涉及一種聚合物微流控晶片鍵合系統。
背景技術：
隨著現代生產、生活中的科技產品向智能化、微型化方向的發展，微電子機械系統(Micro Electro-Mechanical Systems-MEMS)技術作為核心技術面臨著更高要求的挑戰，MEMS產品的高集成度、高性能、低成本及生化兼容性等指標成為了新型MEMS器件的重要標誌。聚合物材料因其豐富的種類、優異的性能、低廉的成本和簡易的加工方法等特點，作為基底材料、功能材料或敏感元件材料等在MEMS器件中有著廣泛的應用空間。目前，基於聚合物微結構的微納米壓印已經成為聚合物MEMS器件加工工藝的研究熱點，在信息存儲器件、光學器件、微流控晶片、傳感器等領域有著巨大的應用潛力。微流控晶片或稱作微全分析系統(μ-TAS)、片上實驗室系統(Lab on a Chip)、生物晶片，其原理是將宏觀的生物、化學實驗室縮小集成到一個數平方釐米的基片上，將宏觀的器件、管道、檢測儀器等以微反應室、微流道和微型傳感器的形式集成在基片上。
國際上大量的研究機構，針對聚合物微流控晶片的鍵合技術展開了研究，並針對不同的應用要求提出了多種鍵合方法。這些方法大致可以分為無間質鍵合和有間質鍵合兩大類，無間間質鍵合主要包括:直接熱鍵合、表面改性熱鍵合以及局部熱鍵合，而有間質鍵合主要包括膠粘接鍵合、溶劑鍵合。
直接熱鍵合法操作簡單，而且可以保證微通道材料的均勻一致性，是目前最常用的鍵合方法，但該方法鍵合強度低、通道變形大而且鍵合效率較低；表面改性熱鍵合法雖然在鍵合強度和微通道變形方面較直接熱鍵合法有一定的改善，但是這種方法適用的材料有限，而且表面改性處理會改變微通道的表面特性，這種方法的製作效率依然較低；雷射鍵合和微波鍵合雖然鍵合速度快、強度高，然而它們對材料的要求苛刻，且鍵合精度不高；膠粘接鍵合和溶劑鍵合雖然強度較高，但是它們的操作過程複雜不適合自動化生產，而且由於中間介質的引入，微通道容易堵塞或變形，還需要對中間介質的化學兼容性和生物適應性進行評價。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明要解決的技術問題在於提供一種聚合物微流控晶片鍵合系統，本發明提供的聚合物微流控晶片鍵合系統對於晶片的鍵合強度高，鍵合後微結構變形量小。
本發明提供了一種聚合物微流控晶片鍵合系統，包括：
底座；
設置於底座上的轉動模塊；
設置於轉動模塊上的下熱壓板；
設置於下熱壓板上的下注塑模具；所述轉動模塊用於帶動下熱壓板和下注塑模具轉動；
與下注塑模具相對的上注塑模具；
設置於上注塑模具上的上熱壓板；
設置於上熱壓板上的超聲波發生器；
設置於超聲波發生器上的壓力控制器；
設置於底座上，使得下熱壓板、下注塑模具、上注塑模具、上熱壓板、超聲波發生器和壓力控制器處於真空狀態的真空系統；
與底座相連，用於固定所述鍵合系統的固定架。
優選的，所述轉動模塊上設置有轉動軸。
優選的，所述壓力控制器和超聲波發生器通過滾動軸連接；所述超聲波發生器和上熱壓板通過焊接方式連接；所述上熱壓板和上注塑模具通過螺紋連接。
優選的，所述下熱壓板和下注塑模具通過螺紋連接；所述下熱壓板和轉動模塊通過螺紋連接；所述轉動模塊和底座通過螺紋連接。
優選的，壓力控制器上還設置有與固定架連接的夾持裝置。
優選的，所述注塑模具上設置有用於注塑成型基片的凹槽和用於注塑成型蓋片的凹槽。
優選的，所述注塑模具為圓盤狀；所述注塑模具的材質為鎳；厚度為2～5mm；直徑為4～12英寸。
優選的，所述上熱壓板由半導體熱電製冷器控制溫度；所述下熱壓板由半導體熱電製冷器控制溫度；所述壓力控制器由伺服電機控制壓力；所述轉動模塊為步進電機。
本發明提供了一種採用上述技術方案所述的鍵合系統進行聚合物微流控晶片鍵合的方法，包括如下步驟：
採用上注塑模具和下注塑模具將基片和蓋片注塑成型；
啟動真空系統，保持真空度為1～4mBar，使用壓力控制器對注塑模具進行開模；啟動上熱壓板和下熱壓板控制溫度為70～90℃；
轉動模塊帶動下注塑模具轉動，實現基片和蓋片的對準；
對準後壓力系統對基片和蓋片加壓，同時超聲發生器控制頻率為60～70KHz，功率為45～60W，振幅為5～10μm，使得基片和蓋片鍵合，得到聚合物微流控晶片。
優選的，所述溫度為85～90℃；升溫速度為1～2℃/s；壓力範圍為200～350kN。
與現有技術相比，本發明提供了一種聚合物微流控晶片鍵合系統，包括：底座；設置於底座上的轉動模塊；設置於轉動模塊上的下熱壓板；設置於下熱壓板上的下注塑模具；所述轉動模塊用於帶動下熱壓板和下注塑模具轉動；與下注塑模具相對的上注塑模具；設置於上注塑模具上的上熱壓板；設置於上熱壓板上的超聲波發生器；設置於超聲波發生器上的壓力控制器；設置於底座上，使得下熱壓板、下注塑模具、上注塑模具、上熱壓板、超聲波發生器和壓力控制器處於真空狀態的真空系統；與底座相連，用於固定所述鍵合系統的固定架。本發明提供的聚合物微流控晶片鍵合系統在真空的環境下對基片和蓋片進行熱壓，不易產生氣泡；採用上熱壓板和下熱壓板作為溫度控制模塊，同時結合壓力控制器和超聲波發生器進行協同鍵合，最終使得該鍵合系統對於晶片的鍵合強度高，鍵合後微結構變形量小。
附圖說明
圖1為本發明實施例所述聚合物微流控晶片鍵合系統示意圖。
具體實施方式
本發明提供了一種聚合物微流控晶片鍵合系統，包括：
底座；
設置於底座上的轉動模塊；
設置於轉動模塊上的下熱壓板；
設置於下熱壓板上的下注塑模具；所述轉動模塊用於帶動下熱壓板和下注塑模具轉動；
與下注塑模具相對的上注塑模具；
設置於上注塑模具上的上熱壓板；
設置於上熱壓板上的超聲波發生器；
設置於超聲波發生器上的壓力控制器；
設置於底座上，使得下熱壓板、下注塑模具、上注塑模具、上熱壓板、超聲波發生器和壓力控制器處於真空狀態的真空系統；
與底座相連，用於固定所述鍵合系統的固定架。
本發明提供的聚合物微流控晶片鍵合系統包括底座，本發明底座的材質優選為航空鋁；本發明對於底座的規格不進行限定。用於承載上述系統即可。
本發明提供的聚合物微流控晶片鍵合系統包括設置於底座上的轉動模塊；所述轉動模塊上優選設置有轉動軸；更優選由步進電機製得。所述轉動模塊和底座優選通過螺紋連接。更優選的，本發明的步進電機與底座的連接具體為電機外殼與底座通過螺紋連接。本發明對於所述步進電機不進行限定，本領域技術人員熟知的步進電機即可。
本發明提供的聚合物微流控晶片鍵合系統包括設置於轉動模塊上的下熱壓板；本發明所述下熱壓板由半導體熱電製冷器製成；本發明下熱壓板和上熱壓板共同構成了溫度控制模塊。
在本發明中，本發明所述下熱壓板和轉動模塊優選通過螺紋連接；更優選通過自攻鎖緊螺釘連接，其螺紋為弧形三角界面，螺釘經表面淬硬，可擰入金屬材料的預製孔中，擠壓形成內螺紋。擠壓形成內螺紋比切制的提高強度30％以上。螺釘的最小抗拉強度為800Mpa。上述自攻鎖緊螺釘具有低擰緊力矩和高鎖緊性能。
熱電致冷器作為一種新型加熱/致冷元件具有雙向工作特性，可同時實現加熱、致冷操作，採用半導體熱電致冷器取代電阻絲和循環水作為加熱/致冷器件恰好可以克服電阻加熱及液冷降溫的缺點。本裝置採用熱電致冷器作為溫控裝置的主控元件。
總的熱電效應由同時發生的五種不同效應組成。賽貝克、帕爾帖和湯姆遜效應及焦耳、傅立葉效應，其中賽貝克、帕爾帖和湯姆遜三種效應表明電和熱能相互轉換是直接可逆的。另外兩種效應即焦耳和傅立葉效應是熱的不可逆效應。把一片熱電致冷器接上直流電源後，在P型半導體中會產生與電流方向相同的空穴流，在N型半導體中會產生與電流方向相反的電子流；在接頭處就會產生溫差和熱量的轉移。在上面的接頭處，電流方向是N-P，溫度下降並且吸熱，這就是冷端。而在下面的接頭處，電流方向是P～N，溫度上升並且放熱，因此是熱端。把若干對半導體熱電偶在電路上串聯起來，在傳熱方面並聯起來，就構成了一個常見的熱電致冷器；並在兩並聯端固聯上陶瓷等材料的基板，便構成一個完整的半導體熱電致冷器件。按圖示電流方向接上直流電後，這個熱電堆的上面為冷麵，下面即為熱面。藉助熱交換器等各種傳熱手段，使熱電堆的熱端不斷散熱並且保持一定的溫度，而將熱電堆的冷端放到工作環境中去吸熱降溫，這就是熱電致冷器的工作原理。
本發明對於所述下熱壓板的具體型號的規格不進行限定，可以具有上述功能，由半導體熱電製冷器製成，可以進行熱壓和上述連接的即可。
本發明提供的聚合物微流控晶片鍵合系統包括設置於下熱壓板上的下注塑模具；所述轉動模塊用於帶動下熱壓板和下注塑模具轉動。本發明所述下熱壓板和下注塑模具優選通過螺紋連接；更優選通過自攻鎖緊螺釘連接，其螺紋為弧形三角界面，螺釘經表面淬硬，可擰入金屬材料的預製孔中，擠壓形成內螺紋。擠壓形成內螺紋比切制的提高強度30％以上。螺釘的最小抗拉強度為800Mpa。上述自攻鎖緊螺釘具有低擰緊力矩和高鎖緊性能。
在本發明中，所述注塑模具優選為圓盤狀；所述注塑模具的材質優選為鎳；所述注塑模具的厚度優選為2～5mm；更優選為2～4mm；直徑優選為4～12英寸；更優選為6～10英寸。
本發明所述注塑模具設置有凹槽；用於將基片和蓋片注塑成型。本發明人對此不進行限定，本領域技術人員熟知的即可。
在本發明中，所述轉動模塊用於帶動下熱壓板和下注塑模具轉動。所述轉動為平面轉動，所述轉動的角度優選為180°，轉動後基片和蓋片可實現一次性精確的對準。同時本發明材質的選擇可以更有利於脫模。
本發明提供的聚合物微流控晶片鍵合系統包括與下注塑模具相對的上注塑模具；在本發明中，所述注塑模具優選為圓盤狀；所述注塑模具的材質優選為鎳；所述注塑模具的厚度優選為2～5mm；更優選為2～4mm；直徑優選為4～12英寸；更優選為6～10英寸。
本發明所述注塑模具優選設置有凹槽；更優選設置有用於注塑成型基片的凹槽和用於注塑成型蓋片的凹槽。用於將基片和蓋片注塑成型。本發明人對此數量和大小不進行限定，本領域技術人員熟知的即可。本發明對於所述基片和蓋片和開啟方式不進行限定，本領域技術人員熟知的即可。
本發明提供的聚合物微流控晶片鍵合系統包括設置於上注塑模具上的上熱壓板。本發明所述上熱壓板由半導體熱電製冷器製成；原理同上。本發明所述上熱壓板和上注塑模具優選通過螺紋連接。更優選通過自攻鎖緊螺釘連接，其螺紋為弧形三角界面，螺釘經表面淬硬，可擰入金屬材料的預製孔中，擠壓形成內螺紋。擠壓形成內螺紋比切制的提高強度30％以上。螺釘的最小抗拉強度為800Mpa。上述自攻鎖緊螺釘具有低擰緊力矩和高鎖緊性能。
本發明提供的聚合物微流控晶片鍵合系統包括設置於上熱壓板上的超聲波發生器；本發明所述上熱壓板和超聲波發生器優選通過螺紋連接。更優選通過自攻鎖緊螺釘連接。
本發明採用頻率為60～70KHz，功率為45～60W，振幅為5～10μm的超聲波發生器，選擇上述特定參數的超聲波發生系統可以使得鍵合產熱速率下降，鍵合過程更容易控制，精度變高，深度變小。
本發明對於上述超聲波發生器的具體型號規格不進行限定，本領域技術人員熟知的即可。
本發明提供的聚合物微流控晶片鍵合系統包括設置於超聲波控制裝置上的壓力控制器。所述壓力控制器上優選還設置有與固定架連接的夾持裝置。本領域技術人員對於所述夾持裝置不進行限定，能夠固定夾持即可。
在本發明中，所述壓力控制器優選為伺服電機。所述壓力控制器和超聲波發生器通過滾動軸連接；更優選通過深溝球滾動軸承連接。
所以本文採用電氣控制方式，採用伺服電機帶動的直線位移平臺，通過微進給的方式，由微器件本身的微小形變所產生的線性彈性力作為了鍵合壓力伺服電機作為執行部件。伺服系統(servo mechanism)是使物體的位置、方位、狀態等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(或給定值)的任意變化的自動控制系統。伺服主要靠脈衝來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到1個脈衝，就會旋轉1個脈衝對應的角度，從而實現位移，因為，伺服電機本身具備發出脈衝的功能，所以伺服電機每旋轉一個角度，都會發出對應數量的脈衝，這樣，和伺服電機接受的脈衝形成了呼應，或者叫閉環，如此一來，系統就會知道發了多少脈衝給伺服電機，同時又收了多少脈衝回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉動，從而實現精確的定位，可以達到0.001mm。直流伺服電機分為有刷和無刷電機。有刷電機成本低，結構簡單，啟動轉矩大，調速範圍寬，控制容易，需要維護，但維護不方便(換碳刷)，產生電磁幹擾，對環境有要求。本發明正因為採用了伺服電機，使得鍵合精度更高，定位保持力更好，中低速具備高轉矩。
本發明提供的聚合物微流控晶片鍵合系統包括設置於底座上，使得下熱壓板、下注塑模具、上注塑模具、上熱壓板、超聲波發生器和壓力控制器處於真空狀態的真空系統。本發明對於所述真空系統不進行限定，優選包括真空罩和與真空罩相連的真空泵。
本發明，鍵合過程在較高的真空度環境下進行。解決了由於空氣與聚合物、模具的導熱率不同，以及在聚合物鍵合過程中，蓋片、基片以及加熱板之間的空氣殘留問題。從而避免造成模片與基片受熱不均，不會產生熱應力及熱變形。提高晶片鍵合的質量。
本發明提供的聚合物微流控晶片鍵合系統包括與底座相連，用於固定所述鍵合系統的固定架。
本發明對於所述固定架的材質和規格不進行限定，可以固定上述系統即可。
本發明提供的聚合物微流控晶片鍵合系統優選還包括軟體控制界面，用於控制上述模具。
本發明所述軟體控制界面為用戶提供界面友好，易於操作的前面板。程序主要分成數據採集及處理模塊、鍵合控制和參數設置模塊。數據採集及處理模塊主要是針對檢測單元檢測信號數位化處理，包括了位移檢測和壓力檢測，以及數據的處理和分析。鍵合控制主要分為自動鍵合和手動鍵合。根據所需的不同功能分別組建各種功能模塊，最後再進行集成和調試。各模塊可以資源共享，根據各自的要求調用相應功能模塊。當需要添加新功能時，編好所需的程序後，只需要更改主菜單程序，就可將新功能加入到系統中，這使得系統的擴充拆分十分方便。
本發明在首先在真空環境下對基片與蓋片進行預熱加壓，受熱更為均勻，且不易產生空化氣泡問題；採用半導體製冷片進行升降溫，設計了精密溫控的模糊PID控制器，使得熱壓裝備的溫度控制精度達到0.2℃，升降溫速率達1℃/s；利用伺服電機帶動的直線運動平臺代替塑料超聲波塑料焊機中使用的氣缸作鍵合施壓，到了預設的值再用低振幅超聲進行快速高效的鍵合；注塑模具不是矩形的而是圓盤狀的，更有利於脫模；晶片的基片和蓋片在同一套注塑模具內成型後，通過轉動模塊一次性實現模內所有基片和蓋片的對準；在成型模溫的基礎上，直接用低振幅超聲進行快速高效的鍵合,省卻了晶片的冷卻、鑽孔、清洗、乾燥、退火處理和再次加熱升溫等諸多工序，有效地縮短了聚合物微流控晶片的製備周期，提高了晶片鍵合的成功率，使聚合物微流控晶片低成本、大批量和快速生產成為可能，加速聚合物微流控晶片的商業化進程。相對於傳統的模內鍵合鍵和強度更高,效率更好,自動化程度更高,變形量更少。
本發明其中一個實施例所述的聚合物微流控晶片鍵合系統如圖1所示，圖1為本發明實施例所述聚合物微流控晶片鍵合系統示意圖；
其中1固定架，2真空系統，3壓力控制器，4夾持裝置，5超聲發生器，6上熱壓板，7上注塑模具，8下注塑模具，9下熱壓板，10轉動模塊，11底座。
本發明提供了一種採用上述技術方案所述的鍵合系統進行聚合物微流控晶片鍵合的方法，包括如下步驟：
採用上注塑模具和下注塑模具將基片和蓋片注塑成型；
啟動真空系統，保持真空度為1～4mBar，使用壓力控制器對注塑模具進行開模；啟動上熱壓板和下熱壓板控制溫度為70～90℃；
轉動模塊帶動下注塑模具轉動，實現基片和蓋片的對準；
對準後壓力系統對基片和蓋片加壓，同時超聲發生器控制頻率為60～70KHz，功率為45～60W，振幅為5～10μm，使得基片和蓋片鍵合，得到聚合物微流控晶片。
本發明首先採用上注塑模具和下注塑模具將基片和蓋片注塑成型；優選具體的為通過壓力控制器使得上下注塑模具合模，並通過注塑系統在模內注塑成型基片和蓋片。本發明對於具體的注塑工藝參數不進行限定，本領域技術人員熟知的即可。
注塑成型後，啟動真空系統，保持真空度為1～4mBar，使用壓力控制器對注塑模具進行開模；啟動上熱壓板和下熱壓板控制溫度，溫度達到預設值恆溫控制。所述溫度為70～90℃；優選為85～90℃；最優選為85℃；升溫速度為1～2℃/s；所述溫度控制精度優選為0.1～0.2℃。所述真空度優選為1～3mBar。
開模完成後，轉動模塊帶動下注塑模具轉動，實現基片和蓋片的對準；所述轉動的角度優選為175～185℃；更優選為180℃；實現基片和蓋片的精確對準。
對準後壓力系統對基片和蓋片加壓，同時超聲發生器控制頻率為60～70KHz，功率為45～60W，振幅為5～10μm，使得基片和蓋片鍵合，得到聚合物微流控晶片。所述壓力範圍優選為200～350kN；更優選為250～300kN；最優選為300kN；所述超聲發生器控制頻率優選為65～70KHz，功率為50～60W，振幅為5～8μm。所述鍵合時間優選為10～20s；更優選為12～18s；最優選為13～17s。
通過上述溫度、壓力和超聲的協同控制，最終使得鍵合得到的晶片強度高，鍵合後微結構變形量小。本發明上述參數優選適用於PMMA為例的聚合物；該晶片為微流控液滴晶片。
鍵合後，旋轉模塊旋轉復位即可。
本發明提供了一種聚合物微流控晶片鍵合系統，包括：底座；設置於底座上的轉動模塊；設置於轉動模塊上的下熱壓板；設置於下熱壓板上的下注塑模具；所述轉動模塊用於帶動下熱壓板和下注塑模具轉動；與下注塑模具相對的上注塑模具；設置於上注塑模具上的上熱壓板；設置於上熱壓板上的超聲波發生器；設置於超聲波控制裝置上的壓力控制器；設置於底座上，使得下熱壓板、下注塑模具、上注塑模具、上熱壓板、超聲波發生器和壓力控制器處於真空狀態的真空系統；與底座相連，用於固定所述鍵合系統的固定架。本發明提供的聚合物微流控晶片鍵合系統在真空的環境下對基片和蓋片進行熱壓，不易產生氣泡；採用上熱壓板和下熱壓板作為溫度控制模塊，同時結合壓力控制器和超聲波發生器進行協同鍵合，最終使得該鍵合系統對於晶片的鍵合強度高，鍵合後微結構變形量小。
本發明優選採用如下方式對製備得到的晶片進行拉伸強度和微結構變形量進行測定：
微流控晶片微通道變形檢測不同鍵合工藝參數下,待鍵合效果穩定後,利用光學影像測量儀(VMS-1510A),對鍵合後晶片中心處微通道的橫截面形貌和尺寸進行測試。
在標準拉伸試驗機(CSS-2205型萬能試驗機)上進行了拉伸強度測試。加載速度為0.lmm/s。
為了進一步說明本發明，以下結合實施例對本發明提供的聚合物微流控晶片鍵合系統進行詳細描述。
實施例1
按照本發明所述方式組裝聚合物微流控晶片鍵合系統：將由步進電機製備的轉動模塊用自攻鎖螺釘分別與底座和下熱壓板連接；上、下熱壓板相對設置並且均由半導體熱電製冷器製成。上、下熱壓板分別與由鎳製備的圓盤狀注塑模具通過自攻鎖螺釘連接，圓盤厚度為3mm，直徑為8英寸。上熱壓板與超聲發生器焊接；伺服電機製備得到的壓力控制器通過滾動軸連接與超聲波發生器相連。支架固定在壓力控制器上，與固定架相連。
實施例2
採用實施例1製備得到的聚合物微流控晶片鍵合系統，採用上注塑模具和下注塑模具將基片和蓋片注塑成型；啟動真空系統，保持真空度為2mBar，使用壓力控制器對注塑模具進行開模；啟動上熱壓板和下熱壓板控制溫度為85℃；轉動模塊帶動下注塑模具轉動，實現基片和蓋片的對準；對準後壓力系統對基片和蓋片加壓300N，同時超聲發生器控制頻率為70KHz，功率為50W，振幅為5μm，基片和蓋片鍵合10s，得到PMMA聚合物微流控液滴晶片。
對製備得到的晶片按照本發明所述的方法進行測定，結果表明，鍵合後拉伸強度為2.5Mpa，鍵合後微結構變形量為0.6％。
實施例3
採用實施例1製備得到的聚合物微流控晶片鍵合系統，採用上注塑模具和下注塑模具將基片和蓋片注塑成型；啟動真空系統，保持真空度為4mBar，使用壓力控制器對注塑模具進行開模；啟動上熱壓板和下熱壓板控制溫度為90℃；轉動模塊帶動下注塑模具轉動，實現基片和蓋片的對準；對準後壓力系統對基片和蓋片加壓250N，同時超聲發生器控制頻率為65KHz，功率為60W，振幅為8μm，基片和蓋片鍵合15s，得到PMMA聚合物微流控液滴晶片。
對製備得到的晶片按照本發明所述的方法進行測定，結果表明，鍵合後拉伸強度為2.3Mpa，鍵合後微結構變形量為0.5％。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。