一種玻璃微納流控晶片對準裝配方法及對準裝配裝置的製作方法

2023-05-15 17:24:11

專利名稱：一種玻璃微納流控晶片對準裝配方法及對準裝配裝置的製作方法
技術領域：
本發明一種針對基片和蓋片上均具有微結構的玻璃微納流控晶片對準裝配方法
及裝置，屬於微小型器件裝配領域，涉及使用真空吸附和三維微移動進行對準裝配的方 法及裝置。
背景技術：
在玻璃材料上可以加工出高精度的微結構，而且所加工的微結構的幾何結構和 表面特性不易隨環境的變化而變化，對於微全分析系統和微流控系統具有很大的意義。 玻璃微納流控晶片的製作包括微納通道成形、對準裝配、預連接及鍵合。將不同的微結 構分別加工到基片和蓋片上，有助於改變晶片結構的形式，縮短晶片的製造周期和降低 晶片的製造成本。玻璃微納流控晶片的基片和蓋片上的微納通道加工完成後，就要將基 片和蓋片上的微納通道對準，以保證基片和蓋片上的微納通道之間的相對位置精度。但 是隨著晶片結構的複雜化，微納通道間的對準裝配工作變得越來越困難，必須需要一種 專門的對準裝配方法及裝置來完成微納通道間的對準裝配工作。 在對外國專利檢索中，未發現涉及到微納流控晶片對準裝配方法及裝置的相關 專利。在對中國專利檢索中，涉及到微納流控晶片對準裝配方法及裝置的專利是用於 透明微流控晶片裝配的顯微對準裝置，專利授權號ZL200420092837.5 ;該專利需要採 用晶片上特定的標記點，來完成晶片的對準裝配。晶片的厚度和材質對於標記點的識別 有很大的影響，對晶片對準裝配的成功率有一定的影響。 目前，公開發表的文獻中涉及可用於微納流控晶片對準裝配的方法及裝置 有面向微納流控晶片的基於視覺的微裝配方法及裝置和微裝配機器人系統。如文 獻 "Phase-Changing Sacrificial Layer Fabrication of Multilayer Polymer Microfluidic Devices" (Anal.Chem.2008， 80， 333-339)中所介紹的基於視覺的多層PMMA微流控晶片 的對準鍵合的方法及裝置。文章中沒有給出該裝置的詳細介紹。 目前，有很多用於微裝配的機器人系統。採用微裝配機器人系統來完成玻璃微 納流控晶片的對準裝配工作，成本高昂。

發明內容
本發明提供了一種玻璃微納流控晶片對準裝配方法及對準裝配裝置，能夠用於 複雜玻璃微納流控晶片的基片與蓋片上微納通道的對準，實現晶片通道間的快速準確地 對準。 本發明採用的技術方案如下 —種玻璃微納流控晶片對準裝配方法，該方法採用顯微鏡觀測玻璃微納流控芯 片的對準狀態，採用固定基片，移動蓋片的方法實現蓋片與基片之間微納通道對準。具 體方法如下 (l)玻璃微納流控晶片由蓋片和基片組成，基片上有納米尺度的通道，蓋片上有微米尺度的通道；採用固定基片，移動蓋片的方法，使蓋片沿著基片有通道的平面移
動，實現蓋片與基片之間微納通道對準。 (2)採用"貼-靠〃 的方法固定基片。 (3)採用真空吸附的方法吸起蓋片。 (4)採用精密微動裝置帶動蓋片的移動。 (5)採用微加熱的方法對已對準晶片進行熱預連接。 玻璃微納流控晶片的對準裝配裝置由三維微移動臺裝置、真空吸附裝置、倒置 顯微鏡和微熱板四部分組成。將三維微移動臺裝置安裝在倒置顯微鏡載物臺上，通過真 空吸盤將三維微移動臺裝置和真空吸附裝置連接。倒置顯微鏡主要由顯微鏡控制箱、顯 微鏡視覺系統、顯微鏡載物臺等組成。三維微移動臺裝置主要由螺旋測微微分頭、螺旋 測微微分頭安裝座、蓋板、晶片容器、磁條、連接板、真空吸盤、真空吸盤安裝板、直 角板、手動單向微移動臺、直角安裝板、手動雙向微移動臺等組成。 將螺旋測微微分頭安裝在螺旋測微微分頭安裝座上，然後將安裝好的螺旋測微 微分頭安裝座與連接板一塊固定在顯微鏡載物臺上，將蓋板放在顯微鏡載物臺相對應的 圓槽中，再將晶片容器放在蓋板上，並與蓋板上的兩個固定塊相接觸，將手動雙向微移 動臺與連接板連接，通過直角安裝板將手動單向微移動臺與手動雙向微移動臺連接，將 直角板與手動單向微移動臺連接，將真空吸盤安裝板與直角板連接，最後將真空吸盤安 裝在真空吸盤安裝板上。其具有固定基片和微納結構調整對準等功能。
真空吸附裝置主要由真空泵、真空調壓閥、三通電磁閥、真空過濾器、T形接 管、軟管、直流電源、電源開關、三通電磁閥開關、指示燈、箱體等組成。將直流電 源、三通電磁閥、真空過濾器固定在箱體的底面板上，將真空調壓閥固定在箱體的後面 板上，將電源開關、三通電磁閥開關和指示燈固定在箱體的前面板上，最後用軟管將真 空泵、真空調壓閥、三通電磁閥、真空過濾器和T形接管連接起來；用導線將直流電 源、電源開關、三通電磁閥開關和指示燈連接起來。 採用上述晶片對準裝配方法製作的對準裝配裝置，該裝置採用倒置高倍顯微鏡 觀測玻璃微納流控晶片對準狀態；採用磁條固定基片，方便調整基片的位置，可以根據 晶片的尺寸、形狀的不同來更換不同的磁條；採用三維微移動臺機構帶動吸附蓋片的真 空吸盤移動，從而實現蓋片的三維微移動，使蓋片沿著基片有通道的平面移動；實現蓋 片與基片之間微納通道對準；採用微熱板對已對準晶片進行熱預連接，使蓋片與基片 之間有相當強度的預連接力，在有意碰撞和翻轉的實驗條件下達到無錯位和無脫落的效 果。 本發明的有益效果是可以對晶片通道進行精確和快速地對準。採用本發明對芯 片通道進行對準的過程中，可以通過倒置顯微鏡實時地觀察通道的位置，以便於操作者 利用三維微移動臺裝置來調整通道的位置，從而實現晶片通道的對準，操作簡單，縮短 了晶片的製造周期，降低了晶片的製造成本和難度。


圖1為玻璃微納流控晶片對準裝置的結構示意圖。
圖2為真空吸附裝置的結構示意圖。
圖3為真空吸附裝置的氣路原理圖。 圖4(A)為蓋片的結構示意圖。 圖4(B)為基片的結構示意圖。 圖4(C)為晶片通道對準後的結構示意圖。 圖中l顯微鏡控制箱、2顯微鏡視覺系統、3顯微鏡載物臺、4螺旋測微微分 頭、5螺旋測微微分頭安裝座、6蓋板、7晶片容器、8基片、9磁條、IO蓋片、11連接 板、12真空吸盤、13真空吸盤安裝板、14直角板、15手動單向微移動臺、16直角安裝 板、17手動雙向微移動臺、18真空吸附裝置控制箱、19T形接管、20箱體、21直流電 源、22三通電磁閥、23真空調壓閥、24真空過濾器、25電源開關、26三通電磁閥開關、 27指示燈、28真空泵、29儲液池、30微通道、31納通道陣列組。
具體實施例方式
下面結合

本專利的具體實施方式
。
實施例1 :三維微移動臺裝置 結合附圖l說明本發明涉及的三維微移動臺裝置的結構。三維微移動臺裝置主 要由螺旋測微微分頭4、螺旋測微微分頭安裝座5、蓋板6、晶片容器7、磁條9、連接 板ll、真空吸盤12、真空吸盤安裝板13、直角板14、手動單向微移動臺15、直角安裝 板16、手動雙向微移動臺17等組成。將螺旋測微微分頭4安裝在螺旋測微微分頭安裝 座5上，然後將安裝好的螺旋測微微分頭安裝座5與連接板11 一起固定在顯微鏡載物臺3 上，將蓋板6放在顯微鏡載物臺3相對應的圓槽中，再將晶片容器7放在蓋板6上，並與 蓋板6上的兩個固定塊相接觸，通過旋轉螺旋測微微分頭4的螺旋手柄，就可以固定和松 開晶片容器7，將手動雙向微移動臺17與連接板11連接，通過直角安裝板16將手動單向 微移動臺15與手動雙向微移動臺17連接，這樣就可以實現三維微移動，將直角板14與 手動單向微移動臺15連接，將真空吸盤安裝板13與直角板14連接，最後將真空吸盤12 安裝在真空吸盤安裝板13上。根據所需要對準的晶片的不同，可以調整真空吸盤12的 尺寸、數量、形狀以及在真空吸盤安裝板13上的安裝位置。
實施例2 :真空吸附裝置 結合附圖2說明本發明涉及的真空吸附裝置的結構。真空吸附裝置主要由T形 接管19、箱體20、直流電源21、三通電磁閥22、真空調壓閥23、真空過濾器24、電源 開關25、三通電磁閥開關26、指示燈27、真空泵28等組成。將直流電源21、三通電磁 閥22、真空過濾器24固定在箱體20的底面板上，將真空調壓閥23固定在箱體20的後面 板上，使其在箱體20的外面，以便查看和調整真空壓力，將電源開關25、三通電磁閥開 關26和指示燈27固定在箱體20的前面板上，以便操作者操作。
實施例3 :真空吸附裝置的吸附 結合附圖3說明本發明涉及的真空吸附裝置的吸附原理。用軟管依次將真空泵 28、帶有真空壓力表的真空調壓閥23、三通電磁閥22、真空過濾器24、 T形接管19、真 空吸盤12連通。當打開真空泵28時，此時三通電磁閥22關閉，帶有真空吸盤12的氣 路與三通電磁閥22的常通口接通，與大氣導通。當打開三通電磁閥22時，真空泵28沿 氣路與真空吸盤12導通，此時可以用真空吸盤12來吸住晶片。當完成操作後，關閉三通電磁閥22，此時真空吸盤12與大氣導通，經過一段時間後，帶有真空吸盤12的氣路內 的壓力與大氣壓相同，此時，蓋片10與真空吸盤12分開。
實施例4:玻璃微納流控晶片的對準裝配 結合附圖4說明本發明涉及的一種玻璃微納流控晶片的對準裝配實例。
(1)清洗。將晶片容器7、基片8、磁條9和蓋片10分別清洗乾淨。
(2)基片和晶片容器的固定。將加工好通道結構並且清洗過的基片8放入晶片容 器7中，將兩個磁條9分別放在晶片容器7底面的兩側，使其置於基片8位置的側面，並 利用其磁極性定位夾緊，用同樣的方法將磁條9靠在基片8位置的另外三側面處，實現基 片8的固定；將加工好通道結構並且清洗過的蓋片10置於基片8之上，為增強潤滑，在 蓋片10與基片8之間加入潤滑膜，然後將晶片容器7推入到蓋板6上，並與蓋板6上的 兩個固定塊相接觸，調整好晶片容器7的位置，旋轉螺旋測微微分頭4的螺旋手柄使螺旋 測微微分頭4的前端頂住晶片容器7，藉助蓋板6上的兩個固定塊固定晶片容器7。
(3)吸附晶片。通過倒置顯微鏡觀測找到蓋片10與基片8上通道的位置，粗調 微通道的位置，將蓋片10與基片8上的通道調整到同一個視野範圍內，並使蓋片10與基 片8上的通道大體垂直，通過旋轉手動雙向微移動臺17的螺旋手柄，調整好真空吸盤12 與蓋片10的位置，旋轉手動單向微移動臺15的螺旋手柄，從而使真空吸盤12向下緩慢 地靠近蓋片10直到真空吸盤12與蓋片10完全接觸。此時依次打開電源開關25，真空泵 28，檢查真空氣路正常後，打開三通電磁閥開關26，使真空吸盤12吸住蓋片10。
(4)晶片的通道對準。通過旋轉手動單向微移動臺15的螺旋手柄，控制蓋片10 朝著基片8移動，當基片8上的潤滑膜形狀發生變化時，停止蓋片10的移動，然後操作 者通過顯微鏡視覺系統2觀測對準狀態，同時旋轉手動雙向微移動臺17的螺旋手柄，使 蓋片10沿著基片8的上表面微移動，緩慢地將微通道30與納通道陣列組31對準。
(5)晶片的取出。關閉三通電磁閥開關26使真空吸盤12與大氣導通，關閉電源 開關25，關閉真空泵28。經過一段時間，緩慢旋轉手動單向微移動臺15的螺旋手柄， 使真空吸盤12向上移動，逐漸與蓋片10分離，再將真空吸盤12移動到它所能達到的最 高位置。旋轉螺旋測微微分頭4的螺旋手柄使其前端與晶片容器7分開，然後沿著顯微 鏡載物臺3緩慢地取出裝有晶片的晶片容器7。 (6)晶片的預連接。利用微熱板對晶片的複合結構加熱，使部分潤滑膜揮發，殘 留部分以單層潤滑膜分子與玻璃表面懸掛鍵以氫鍵形式相連，使基片8與蓋片10之間具 有相當強度的預連接力，在有意碰撞和翻轉的實驗條件下達到無錯位和無脫落的效果。
(7)晶片的熱鍵合。將預連接好的晶片移至馬弗爐中熱鍵合，自然冷卻後取出， 得到玻璃微納流控晶片。 結合玻璃微納流控晶片的加工方法和本專利所提供的玻璃微納流控晶片的對準 裝配方法及裝置可以加工出玻璃微納流控晶片。
權利要求
一種玻璃微納流控晶片對準裝配的方法，其特徵在於如下步驟(1)玻璃微納流控晶片由蓋片和基片組成，基片上有納米尺度的通道，蓋片上有微米尺度的通道；採用固定基片、動蓋片的方法，使蓋片沿著基片有通道的平面移動，實現蓋片與基片之間微納通道對準；(2)採用「貼-靠″的方法固定基片。(3)採用真空吸附的方法吸起蓋片；(4)採用精密微動裝置帶動蓋片的移動；(5)採用微加熱的方法對已對準晶片進行熱預連接。
2. 應用權利要求1所述方法的對準裝配裝置，其特徵還在於該對準裝配裝置由三 維微移動臺裝置、真空吸附裝置、倒置顯微鏡和微熱板四部分組成；將三維微移動臺裝 置安裝在倒置顯微鏡載物臺[3]上，通過真空吸盤[12]將三維微移動臺裝置和真空吸附裝 置連接；倒置顯微鏡包括顯微鏡控制箱[l]、顯微鏡視覺系統[2]和顯微鏡載物臺[3];三 維微移動臺裝置主要由螺旋測微微分頭[4]、螺旋測微微分頭安裝座[5]、蓋板[6]、晶片 容器[7]、磁條[9]、連接板[ll]、真空吸盤[12]、真空吸盤安裝板[13]、直角板[14]、手 動單向微移動臺[15]、直角安裝板[16]和手動雙向微移動臺[17]等組成；將螺旋測微微分頭[4]安裝在螺旋測微微分頭安裝座[5]上，然後將安裝好的螺旋測 微微分頭安裝座問與連接板[11] 一塊固定在顯微鏡載物臺[3]上，將蓋板[6]放在顯微 鏡載物臺[3]相對應的圓槽中，再將晶片容器[7]放在蓋板[6]上，並與蓋板[6]上的兩個 固定塊相接觸，將手動雙向微移動臺[17]與連接板[11]連接，通過直角安裝板[16]將手 動單向微移動臺[15]與手動雙向微移動臺[17]連接，將直角板[14]與手動單向微移動臺 [15]連接，將真空吸盤安裝板[13]與直角板[14]連接，最後將真空吸盤[12]安裝在真空 吸盤安裝板[13]上；真空吸附裝置主要由真空泵[28]、真空調壓閥[23]、三通電磁閥[22]、真空過濾器 [24]、 T形接管[19]、軟管、直流電源[21]、電源開關[25]、三通電磁閥開關[26]、指示燈 [27]、箱體[20]等組成；將直流電源[21]、三通電磁閥[22]、真空過濾器[24]固定在箱體 [20]的底面板上，將真空調壓閥[23]固定在箱體[20]的後面板上，將電源開關[25]、三通 電磁閥開關[26]和指示燈[27]固定在箱體[20]的前面板上，最後用軟管將真空泵[28]、 真空調壓閥[23]、三通電磁閥[22]、真空過濾器[24]和T形接管[19]連接起來；用導線 將直流電源[21]、電源開關[25]、三通電磁閥開關[26]和指示燈[27]連接起來。
3. 根據權利要求1所述的一種玻璃微納流控晶片對準裝配的方法，其特徵還還在於 基片[8]的固定，將基片[8]放入晶片容器[7]中，將兩個磁條[9]分別放在晶片容器[7]底 面的兩側，使其置於基片[8]位置的側面，並利用其磁極性定位夾緊；用同樣的方法將磁 條[9]靠在基片[8]位置的另外三側面處，實現基片[8]的固定。
4. 根據權利要求1所述的一種玻璃微納流控晶片對準裝配的方法，其特徵還在於 晶片容器[7]的固定，將晶片容器[7]推入到蓋板[6]上，並與蓋板[6]上的兩個固定塊相 接觸，調整好晶片容器[7]的位置，旋轉螺旋測微微分頭[4]的螺旋手柄使螺旋測微微分 頭[4]的前端頂住晶片容器[7]，藉助蓋板[6]上的兩個固定塊固定晶片容器[7]。
5. 根據權利要求1所述的一種玻璃微納流控晶片對準裝配的方法，其特徵還在於 真空吸盤[12]和真空吸盤安裝板[13]的可拆換性；根據所需要對準的晶片的不同，調整真空吸盤[12]的尺寸、數量、形狀以及在真空吸盤安裝板[13]上的安裝位置。
全文摘要
本發明公開了一種玻璃微納流控晶片對準裝配方法及對準裝配裝置，屬於微小型器件裝配領域。該晶片對準裝配方法採用顯微鏡觀測玻璃微納流控晶片的對準狀態，採用固定基片，移動蓋片的方法實現蓋片與基片之間微納通道對準。其裝置採用倒置高倍顯微鏡觀測玻璃微納流控晶片對準狀態，採用三維微移動臺機構帶動吸附蓋片的真空吸盤移動，從而實現蓋片的三維微移動。其裝置由三維微移動臺裝置、真空吸附裝置、倒置顯微鏡和微熱板四部分組成。採用本發明可以縮短晶片的製造周期，降低晶片的製造成本和難度，能夠滿足日益複雜的通道間的對準要求。
文檔編號G01B5/00GK101691203SQ20091030712
公開日2010年4月7日 申請日期2009年9月17日 優先權日2009年9月17日
發明者劉軍山, 劉衝, 徐徵, 杜立群, 溫金開, 王德佳 申請人:大連理工大學