專利名稱：一種微流控芯片數控加工儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種微流控芯片微加工系統。
背景技術：
近年來，微流控芯片技術作為一種新型的分析平臺具有微型化、自動化、集成化、 便捷和快速等優點，已經在很多領域獲得了廣泛研究和應用，例如細胞生物學、分析化學、 環境監測與保護、司法鑒定、藥物合成篩選、材料學和組織工程學等領域。微流控芯片是微流控技術實現的主要平臺，其特征主要是容納微流體的結構單元，如流體通道、反應室和其它功能單元等。在微流控芯片研究中，如何在不同芯片材料上加工多種不同的結構單元，是微流控芯片研究和應用的基礎。目前在微流控芯片加工工藝上，主要有激光雕刻，化學蝕刻，光刻等方法，這些方法各有利弊，主要缺點為操作復雜，加工周期長，拋光差，對材料有選擇，通道粗糙度大，且重復性差，很難作為一種通用有效的芯片加工方法。隨著現代數控微加工技術的發展，其在加工精度和尺度上已經能滿足微流控芯片的技術要求，但現有的數控微加工設備在設計上并非專用于微流控芯片的設計與加工，造成了應用上不必要的繁瑣操作以及對材料的浪費和破壞，大大限制了數控微加工技術在微流控芯片的制備中的應用。

發明內容
本發明是針對常規用于微流控芯片微加工的數控微加工技術的不足而提供的一種微流控芯片數控加工儀，其特征在于其基于數控加工技術，專用于微流控芯片的加工。系統由微流控芯片片基固定臺單元、數控銑刻單元、芯片銑刻控制程序和計算機組成。微流控芯片片基固定臺單元，位于數控加工單元下方，在平行于X/Y軸方向的平面上，由上下兩層 (主平臺和輔助臺)組成。輔助平臺是安裝于主平臺的襯板，可以拆卸和重新定位，微流控芯片片基先固定于輔助平臺上，再將輔助平臺固定到主平臺上，實現微流控芯片片基的精確定位和重復定位。數控銑刻單元由銑刻功能部件和X/Y/Z三個相互垂直方向上的數控定位和運動部件構成。計算機通過數字接口與數控銑刻單元進行通訊，運行芯片銑刻控制程序實現對銑刻單元的定位和移動控制，從而實現銑刻加工部件在芯片表面進行微加工，得到CAD程序所設計的微通道結構。為實現上述目的，本發明采用以下的操作步驟(1)用CAD軟件設計芯片表面的微通道結構圖形；(2)將CAD軟件設計的微通道結構圖形轉換成芯片銑刻控制程序；(3)將微流控芯片片基固定于輔助平臺上，再將輔助平臺固定到主平臺上；(4)選擇合適的刀具，安裝于數控銑刻單元中銑刻功能部件的刀具夾中；(5)啟動銑刻控制程序，在芯片表面進行微加工，得到所需的微通道結構。本發明中，銑刻部件在X/Y/Z三個相互垂直方向的的數控定位和移動，可以由步進電機或伺服電機驅動絲杠旋轉實現的。
本發明中，步進電機由步進電機驅動器驅動，一個脈沖信號可以控制電機轉動 π /1600弧度，絲杠螺距每周1mm，因此，每個脈沖移動1/1600(0. 000625)mm。本發明中，微流控芯片微加工系統在X/Y/Z三個方向能夠進行大范圍移動，其工作臺面可達20x30x6cm，可進行大芯片的加工，也可同時加工多個芯片。本發明中，所述的數控加工單元的銑刻功能部件，可以是高速電機驅動銑刀旋轉銑刻，也可以是電火花灼刻、激光灼刻、超聲震動銑磨方式實現微流控芯片微通道的加工。本發明中，片基固定臺單元是由主平臺和輔助平臺構成，輔助平臺是主平臺的襯板，可以拆卸和重新定位。微流控芯片片基先固定于輔助平臺上，再將輔助平臺固定到主平臺上，實現微流控芯片片基的定位和重復定位。本發明中，輔助平臺上固定有直角卡位，用于固定和定位芯片片基，根據芯片片基的尺寸、大小、形狀及數量，輔助平臺可設計成單卡位或多卡位，卡位間距可以根據芯片片基的需要進行定制。此外，采用薄雙面膠將芯片片基膠合到輔助平臺上，可避免采用側向和垂直方向的壓力固定造成片基形變而引起的微加工誤差。本發明中，為避免微加工在Z軸方向的零點定位測量誤差，采用顯微鏡觀察測量 (目鏡測微尺輔助)，也可采用CCD(電荷耦合元件)圖像傳感器，而非接觸式定位，避免了 Z軸零點定位時刀具擠壓芯片片基所造成的Z軸方向上的微加工誤差。本發明中，芯片片基材料可以是石英、玻璃、單晶硅、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷、銅、鋁、不銹鋼和鎳等中的一種或幾種。本發明中，微流控芯片微加工系統，可廣泛適用于各種微流控芯片片基的加工，操作方面，加工周期短，工藝簡單，消耗少，精度高，重復性好，對微流控芯片制作和基于微流控芯片的基礎和應用研究具有重要意義。


圖1為本發明提供的微流控芯片微加工系統的示意圖。圖中1.X/Y/Z方向驅動電機(步進或伺服電機)，2.光軸或導軌，3.絲杠，4.主平臺，5.輔助臺，6. Z方向定位顯微定位攝像頭或顯微鏡，7.固定卡位，8.電鉆(或其他銑刻電器)，9.固定螺母，10.固定螺栓，11.定位孔，12.微流控芯片片基。
具體實施方案在進行微流控芯片微加工時，首先設計芯片表面所需的微通道結構，可在計算機上編制采用G代碼，或者應用輔助制圖軟件CAD繪圖后再導出G代碼，即芯片銑刻控制程序。將聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)片基切割成h5cm，將待加工面的對側四邊貼上薄雙面膠，然后一端卡在輔助平臺的直角卡位上，按壓貼牢后將輔助臺再依靠主平臺卡位，通過擰緊螺帽使之固定到主平臺上。根據芯片的微通道加工尺寸的微加工要求，采用銑刻方法，安裝適合的銑刀，如0. 2mm直徑平角銑刀。啟動芯片銑刻控制程序，進行X/Y/Z方向的零點定位。關于Z軸方向的定位，由于加工深度尺度小，一般小于0. 5mm，采用顯微鏡觀察和測量加工刀具是否已經接觸到材料片基表面。顯微鏡是經過物鏡尺校準過的，通過目鏡中的刻度可以準確測量出刀具深入材料的深度，調整刀具剛接觸芯片表面時Z軸為零。運行G代碼解析軟件，通過計算機并口或串口等通訊端口與步進電機驅動器連接并發送指令，控制銑刀在X/Y/Z方向進行移動和加工，在芯片片基表面微加工出所需的微通道結構。
完成一個芯片的微通道制備后，要進行另一張芯片的制備時，可從主平臺上取下輔助平臺，在從輔助平臺取下加工過的片基，采用酒精擦拭方法去除雙面膠殘留，然后再以同樣的方法把新的芯片片基安裝到輔助平臺，再通過輔助平臺固定到主平臺上，兩次片基的X/Y/Z坐標都是恒定的，誤差可以小于0. 01mm(不考慮片基厚度誤差)。運行G代碼解析軟件，重復芯片片基表面微通道結構的銑刻，即可得到另外一張具有同樣微通道結構的芯片。
權利要求
1.一種微流控芯片數控加工儀，其特征在于該系統是基于數控微加工技術，專用于微流控芯片的制備。系統由微流控芯片片基固定臺單元、數控銑刻單元、芯片銑刻控制程序和計算機組成。微流控芯片片基固定臺單元，位于數控加工單元下方，在平行于X/Y軸方向的平面上，由上下兩層(主平臺和輔助臺)組成。輔助平臺是安裝于主平臺的襯板，可以拆卸和重新定位，微流控芯片片基先固定于輔助平臺上，再將輔助平臺固定到主平臺上，實現微流控芯片片基的精確定位和重復定位。數控銑刻單元由銑刻功能部件和X/Y/Z三個相互垂直方向上的數控定位和運動部件構成。計算機通過數字接口與數控銑刻單元進行通訊，運行芯片銑刻控制程序實現對銑刻單元的定位和移動控制，從而實現銑刻加工部件在芯片表面進行微加工，在芯片表面得到所需的微通道結構。
2.根據權利要求1所述的微流控芯片微加工系統，其特征步驟依次如下(1)用CAD軟件設計芯片表面的微通道結構圖形；(2)將CAD軟件設計的微通道結構圖形轉換成芯片銑刻控制程序；(3)將微流控芯片片基固定于輔助平臺上，再將輔助平臺固定到主平臺上；(4)選擇合適的刀具，安裝于數控銑刻單元中銑刻功能部件的刀具夾中；(5)啟動銑刻控制程序，在芯片表面進行微加工，得到所需的微通道結構。
3.根據權利要求1或2所述的微流控芯片微加工系統，其特征在于X/Y/Z三個相互垂直方向的數控定位和運動部件，是由步進電機或伺服電機驅動絲杠旋轉，實現銑刻功能部件的定位和移動。
4.根據權利要求1或2所述的微流控芯片微加工系統，其特征在于步進電機由步進電機驅動器驅動，一個脈沖信號可以控制電機轉動η/1600弧度，絲杠螺距每周1mm，因此，每個脈沖移動 1/1600(0. 000625) mm。
5.根據權利要求1或2所述的微流控芯片微加工系統，其特征在于X/Y/Z三個方向的移動范圍，即系統的工作臺面可達20x30x6cm。
6.根據權利要求1或2所述的的微流控芯片微加工系統，其特征在于數控加工單元的銑刻功能部件，可以是高速電機驅動銑刀旋轉銑削，也可以是電火花灼刻、激光灼刻、超聲震動銑磨方式實現微流控芯片微通道的加工。
7.根據權利要求1或2所述的的微流控芯片微加工系統，其特征在于微流控芯片片基固定臺單元，是由主平臺和輔助平臺構成，輔助平臺是主平臺的襯板，可以拆卸和重新定位。微流控芯片片基先固定于輔助平臺上，再將輔助平臺固定到主平臺上，實現微流控芯片片基的定位以及重復定位。
8.根據權利要求1或2所述的的微流控芯片微加工系統，其特征在于輔助平臺上固定有直角卡位，用于固定和定位芯片片基，根據芯片片基的尺寸、大小、形狀及數量，輔助平臺可設計成單卡位或多卡位，卡位間距可以根據芯片片基的尺寸大小進行定制。
9.根據權利要求1或2所述的的微流控芯片微加工系統，其特征在于Z軸方向上的定位，采用顯微鏡觀測(目鏡測微尺輔助完成)，而非接觸式定位，避免了 Z軸零點定位時刀具擠壓芯片片基所造成的Z軸方向上的微加工誤差。
10.根據權利要求1或2所述的的微流控芯片微加工系統，其特征在于微流控芯片片基的固定，采用薄雙面膠膠合到輔助臺上，避免采用側向和垂直方向的壓力固定造成片基形變而引起的微加工誤差。
全文摘要
一種微流控芯片數控加工儀。該系統包括數控銑刻單元、微流控芯片片基固定臺單元、芯片銑刻控制程序和計算機。數控銑刻單元由銑刻功能部件和X/Y/Z三個互相垂直方向上的數控定位和運動部件構成，從而實現銑刻加工部件在芯片表面進行定位和銑刻功能。片基固定臺單元，位于數控銑刻單元下方，在平行于X/Y軸方向的平面上，由上下兩層(主平臺和輔助平臺)組成，輔助平臺是安裝于主平臺的襯板，可拆卸和重新定位，微流控芯片片基先固定于輔助平臺上，然后再固定到主平臺上，可實現微流控芯片片基的精確定位和重復定位。計算機通過數字接口與數控銑刻單元相連進行通訊，運行芯片銑刻控制程序實現對銑刻單元的定位和移動控制，從而實現銑刻加工部件在芯片表面進行微加工，在芯片表面得到所需的微通道結構。
文檔編號B81C1/00GK102442633SQ20101050650
公開日2012年5月9日 申請日期2010年10月14日 優先權日2010年10月14日
發明者聶富強 申請人:北京華凱瑞微流控芯片科技有限責任公司