一種利用數控雕刻技術製作玻璃微流控晶片的方法與流程

2023-09-15 05:47:40

本發明涉及一種利用數控雕刻技術製作玻璃微流控晶片的方法，可應用於晶片實驗室。

背景技術：

近年來，微流控晶片作為一種新的技術平臺，在生物和化學領域受到廣泛關注，是當前發展最活躍的領域之一。目前製作微流控晶片的基質材料主要有矽、玻璃和聚合物三大類。其中玻璃材質晶片具有良好的力學、光學、傳熱和電絕緣性能以及生物相容性，同時能夠耐受高溫、高壓和各種有機溶劑等苛刻的生化反應條件，因此在微流控技術的應用研究中具有獨特的優勢。但是傳統的基於玻璃材質的微流控晶片製作工藝，通常是採用微電子加工工藝結合溼法腐蝕來實現，具體流程包括掩模版的製作、光刻圖形化(光刻工藝包括塗膠、烘膠、曝光、顯影、後烘等步驟)、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先濺射一層金屬層或多晶矽/氮化矽層作為刻蝕掩膜層，整個製作過程周期長、成本高，大大限制了玻璃微流控晶片的實際應用。因此，迫切需要發展一種快速簡潔、成本低廉的玻璃微流控晶片的製作方法，促進玻璃微流控晶片的廣泛應用，加速微流控技術的研究和實際應用。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種利用數控雕刻技術製作玻璃微流控晶片的方法，所述的方法利用數控雕刻技術直接將CAD設計圖形刻劃在玻璃基片上，形成微管道和/或微腔體，用於製備玻璃材質的微流控晶片。該方法無需昂貴的掩模版製作，避免了繁瑣的、昂貴的光刻工藝以及危險的溼法腐蝕工藝，可快速、簡捷地實現玻璃微流控晶片的低成本製作，有望促進玻璃微流控晶片的實際應用和相關微流控技術的快速發展。

鑑於此，為實現上述發明的目的，具體提供了如下技術方案：

一種利用數控雕刻技術製作玻璃微流控晶片的方法，是利用數控雕刻機直接將AutoCAD軟體繪製的微流控晶片圖形刻劃在玻璃基片上，形成微管道和/或微腔體結構，用於製備玻璃微流控晶片；所述微流控晶片是開放型的或封閉型的。

製作開放型的玻璃微流控晶片，包括如下步驟：

1)通過表面塗層或表面處理方法，製作具有疏水特性表面的玻璃基片；

2)利用AutoCAD軟體進行微流控晶片圖形設計，然後將該設計圖形導入到數控軟體中，並對刀具類型、刀具直徑、刀具轉速、進給速度、進給深度進行設置，最後通過軟體生成數控加工代碼；

3)將經步驟(1)處理的玻璃基片固定於帶水槽的數控雕刻機加工平臺上，並向水槽中加水至完全浸沒玻璃基片；

4)將第(2)步生成的數控加工代碼導入到數控雕刻機的控制軟體中，控制刀具運行軌跡，使其在玻璃基片上雕刻加工所設計的圖形；

5)將經步驟(4)處理完成的玻璃基片衝洗乾淨，製得開放型的玻璃微流控晶片；

優選的，步驟(2)中，所述刀具類型為立銑刀；所述刀具直徑為0.05mm～5mm；所述刀具轉速為8000rpm～10000rpm；所述進給速度為0.2mm/min～5mm/min；所述進給深度為0.01mm～0.1mm。採用高轉速和低進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刀具使用壽命。

優選的，步驟(3)中，經步驟(1)處理的玻璃基片通過雙面膠帶、石蠟或焦糖固定於加工平臺上。

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

製作封閉型的玻璃微流控晶片，包括如下步驟：

1)利用AutoCAD軟體進行微流控晶片圖形設計，然後將該設計圖形導入到數控軟體中，並對刀具類型、刀具直徑、刀具轉速、進給速度、進給深度進行設置，最後通過軟體生成數控加工代碼；

2)將清洗後的玻璃基片固定於帶水槽的數控雕刻機的加工平臺上，並在水槽中加入水，完全浸沒玻璃基片；

3)將第(1)步生成的數控加工代碼導入到數控雕刻機的控制軟體中，控制刀具運行軌跡，使其在玻璃基片上雕刻加工所設計圖形及打孔；

4)將經步驟(3)處理完成的玻璃基片清洗乾淨，並將其與另一乾淨、平整玻璃基片鍵合，製得封閉型的玻璃微流控晶片

優選的，步驟(1)中，設置加工參數時，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，刀具轉速為8000rpm～10000rpm，進給速度為0.2mm/min～5mm/min，進給深度為0.01mm～0.5mm；若打孔，所述刀具類型為立銑刀或鑽頭，刀具直徑為0.1mm～5mm，刀具轉速為8000rpm～10000rpm，進給速度為0.2mm/min～5mm/min，進給深度為0.01mm～1mm。採用高轉速和低進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刀具使用壽命。

優選的，步驟(3)中，經步驟(1)處理的玻璃基片通過夾具、雙面膠帶、石蠟或焦糖固定於加工平臺上。

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

優選的，步驟(4)中，玻璃基片鍵合時，鍵合方法採用高溫熔融鍵合，或者採用乙酸鈣輔助的低溫鍵合。其中鍵合方法可以採用高溫熔融鍵合，即將兩片緊密貼合的玻璃基片，置於600℃馬弗爐中，加熱6hr，實現鍵合；或者採用鈣離子輔助的低溫鍵合，即利用乙酸鈣和去汙劑的混合液清洗待鍵合玻璃表面，之後緊密貼合，置於115℃烘箱中加熱2hr，實現鍵合。

本發明提供的一種利用數控雕刻技術製作玻璃微流控晶片的方法，避免了傳統玻璃微流控晶片製作工藝周期長、成本高、汙染環境、靈活性差等缺陷，可快速、簡捷、低成本地實現玻璃材質微流控器件的製作，有望進一步促進微流控技術的發展和應用。

附圖說明

為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖進行說明：

圖1為本發明方法流程示意圖。

圖2為本發明方法製作的玻璃材質混合微流控晶片實物照片。

圖3為本發明方法製作的玻璃材質液滴微流控晶片實物照片。

圖4為本發明方法製作的玻璃材質開放型微流控晶片實物照片。

圖5為本發明方法製作的玻璃材質微陣列晶片實物照片。

具體實施方式

下面將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。

實施例1

圖1為本發明方法流程示意圖。

如圖2所示，為基於本發明方法加工的Y字型混合微流控晶片，其通道寬度為300μm，深度為50μm。具體步驟是：

1)首先利用AutoCAD軟體繪製Y字型混合微流控晶片管道圖形，然後將該設計圖形導入到數控軟體中，並設置刀具類型為立銑刀，設置刀具直徑為0.3mm，刀具轉速設置為8000rpm，進給速度為1mm/min，進給深度為0.05mm，生成數控代碼；

2)通過夾具將待加工玻璃基片固定於加工平臺上，然後在水槽中加入冷水，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，並利用對刀器確定刀具加工的z軸零平面；

4)將第(1)步生成的數控代碼導入到數控雕刻機的控制軟體中，啟動雕刻機，控制刀具運行軌跡，對玻璃基片進行雕刻加工；

5)完成管道雕刻後，更換主軸上刀具為直徑1.5mm的鑽頭，並在管道網絡三個末端各打一個通孔；

6)完成打孔後，將所加工的玻璃基片從平臺上取下，超聲清洗乾淨，並與另一片乾淨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)去汙劑的混合液中，然後取出，用去離子水衝洗30s左右，將兩者貼合，放置於115℃烘箱中，加熱2hr，實現鍵合，即可完成Y字型混合微流控晶片的製作。

實施例2

如圖3所示，為基於本發明方法加工的T字型液滴微流控晶片，該晶片網絡為雙層立體結構，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。

製作工藝與實施例1基本相同，不同之處在於：所述步驟(1)分別針對兩層管道繪製圖形，並分別設置刀具直徑為0.3mm和0.7mm，進給深度為0.05mm和0.1mm，刀具轉速均設置為8000rpm，進給速度均設置為1mm/min，然後分別生成對應數控代碼文件；所述步驟(4)中，完成第一層淺管道雕刻後，更換主軸上刀具為直徑0.7mm的立銑刀，並利用對刀器確定刀具加工的z軸零表面，導入第二層深管道圖形生成的數控代碼，控制刀具運行軌跡，雕刻第二層深且寬的管道。

實施例3

如圖4所示，為基於本發明方法加工的單通道開放型微流控晶片，其通道寬度為300μm，深度為100μm。具體步驟是：

1)首先利用表面塗層方法製作超疏水表面的玻璃基片，即將納米二氧化矽超疏水塗層溶液均勻塗布於乾淨的玻璃基片表面，自然晾乾，製得具有超疏水表面特性的玻璃基片；

2)利用AutoCAD軟體繪製微流控晶片管道圖形，然後將該設計圖形導入到數控軟體中，並設置刀具類型為立銑刀，設置刀具直徑為0.3mm，刀具轉速設置為8000rpm，進給速度為1mm/min，進給深度為0.1mm，生成數控代碼；

3)通過雙面膠帶將第(1)步製作的超疏水玻璃基片固定於加工平臺上，然後在水槽中加入冷水，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，並利用對刀器確定刀具加工的z軸零平面；

5)將第(2)步生成的數控代碼導入到數控雕刻機的控制軟體中，啟動雕刻機，控制刀具運行軌跡，對玻璃基片進行雕刻加工；

6)完成雕刻後，將所加工的玻璃基片從平臺上取下，衝洗乾淨，即完成單通道開放型微流控晶片的製作。

實施例4

如圖5所示，為基於本發明方法加工的微陣列點陣晶片，其單點直徑為500μm，深度為50μm。

製作工藝與實施例3基本相同，不同之處在於：所述步驟(2)中，利用AutoCAD軟體繪製微陣列點陣圖形，然後將該設計圖形導入到數控軟體中，並設置刀具類型為立銑刀，設置刀具直徑為0.5mm，刀具轉速設置為8000rpm，進給速度為1mm/min，進給深度為0.05mm，生成數控代碼。

最後說明的是，以上優選實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管通過上述優選實施例已經對本發明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發明權利要求書所限定的範圍。