一种基于激光重铸物微导能筋的超声封合方法与流程

本发明属于热塑性聚合物微流控芯片超声封合技术领域，具体涉及一种基于激光重铸物微导能筋的超声封合方法。

背景技术：

以微流控技术为基础的微流控芯片，自从20世纪90年代初被提出后，便受到了越来越多的关注。微流控芯片可以将生化分析中的混合，浓缩，稀释及分离等操作集成到数平方厘米大小的芯片上。具有体积小、集成化及自动化程度高、分析效率及精度高、试样和试剂消耗量少等优点。现已在水污染监测、药物筛选、细胞控制分选及疾病即时检测等领域得到了广泛应用。热塑性聚合物材料由于其成本低，易于成型，易于实现批量化生产等优势，已经渐渐成为制造微流控芯片的主要材料。

热塑性聚合物微流控芯片一般由至少两层结构组成，因此芯片的封合是其制造过程中不可或缺的一步。现在最常用的热塑性聚合物微流控芯片封合方法是热封合及胶贴封合。其中，热封合所需温度高，容易造成芯片中的生物试剂失活。而且热封合效率低，封合时间超过20分钟。不仅如此，由于在热封合过程中要施加较高的温度及压力，所以芯片微通道极易被压缩变形。胶贴封合在室温下就可以操作，但是所用胶膜容易与芯片中的生物试剂产生生物兼容性问题。并且胶膜容易阻塞芯片微通道。

相比之下超声封合具有一定优势。首先超声封合时超声能量集中在被称之为导能筋的微凸起上。由于导能筋离微通道有一定距离，因此产生的热量不会对微通道内的生物试剂产生影响。其次，由于超声封合中不需要其他中间介质，因此不会产生生物兼容性及中间介质阻塞微通道的问题。最后，超声封合效率高，一分钟内便可完成对微流控芯片的封合。并且超声封合强度高，可以达到热塑性聚合物本身的材料强度，这对于需要高压工作环境的微流控芯片有重要意义。

然而，现阶段的超声封合技术仍存在一些问题。其中最突出的问题是超声封合精度不高。造成这一问题的原因是在超声封合时导能筋在超声能量作用下会发生熔融流动，熔融的导能筋容易流入微通道造成阻塞，或者在封合界面上留下空隙从而造成试剂泄漏。现在大多数的解决方法是在导能筋旁设计制造特殊的熔池结构，从而使熔融的导能筋流入到熔池结构中。但是在微尺度下，导能筋及熔池设计制造复杂，并且需要根据不同的微流控芯片结构进行定制。本发明提出的一种基于激光重铸物微导能筋的超声封合方法可以解决这一问题，对于微流控芯片高精度超声封合具有重要意义。

技术方案

本发明的目的在于解决微尺度下导能筋及熔池结构设计制造困难，熔融导能筋流动不易控制的问题。

本发明的技术方案：

一种基于激光重铸物微导能筋的超声封合方法，步骤如下：

(1)根据需求设计制造微流控芯片，该微流控芯片由盖片1和基片4组成；

(2)将基片4与激光头进行定位，首先，在激光加工平台上固定热塑性聚合物平板作为对准平面，其面积大于待封合微流控芯片的面积；接着，将步骤(1)设计的微流控芯片基片结构导入到激光加工系统中，根据微流控芯片基片结构进行一次激光扫描，将该微流控芯片基片结构复制到对准平面上；最后，将步骤(1)中获得的微流控芯片基片结构与对准平面上经复制得到的图形进行对准，直到二者完全重合为止；以此时的激光头坐标作为基准坐标，并在以后的操作步骤中保持该坐标及微流控芯片基片位置不变；

(3)进行重铸物微导能筋布局，调节激光功率、激光扫描速度及激光扫描次数，沿基片4上混合池7、梳齿式延时器8及反应池10的外围进行激光扫描加工，形成重铸物微导能筋5和熔池11；在微通道的拐角处无重铸物微导能筋5，即为空白区域6，空白区域6的长度为1-200μm；重铸物微导能筋5的高度为10-100μm；重铸物微导能筋5离微通道外壁的间距9为10-2000μm；

(4)将上述步骤中得到的基片4与盖片1置于超声封合夹具中进行对准固定，施加一定的超声封合参数后，将微流控芯片从超声封合夹具中取出，完成本发明提出的超声封合过程；其中，超声封合压力为0.1-1MPa，超声振动时间为0.01-1s，超声振幅为10-100μm。

微流控芯片所用的材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸二乙酯、聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、尼龙、聚氨酯或苯乙烯二甲基丙烯酸甲酯共聚物。

激光在热塑性聚合物上进行扫描时，由于热应力的作用，会有一部分材料被挤出，在激光烧蚀出的沟槽边缘形成微凸起结构。该微凸起结构在本发明中被称之为重铸物微导能筋。本发明利用该重铸物结构进行超声封合，熔融的重铸物会流入激光加工出的沟槽中。激光加工的沟槽起到了熔池的作用。这样经过一次激光加工，导能筋及熔池便会同时产生。省去了复杂的设计制造过程。

本发明的有益效果：本发明提出的超声封合方法经简单的激光扫描加工便可形成微导能筋及熔池结构，不需要复杂的导能筋及熔池设计制造过程。本发明提出的重铸物微导能筋，其高度能通过激光功率、激光扫描速度及激光扫描次数来进行调节。本发明提出的重铸物微导能筋的布局设计可以通过绘图软件来完成，更加方便灵活。最后，本发明提出的一种基于激光微重铸物超声封合的方法封合精度高，封合强度高，能够满足微流控芯片进行生化检测的需要。

附图说明

图1是应用本方法进行封合的微流控芯片结构图。

图2是图1在A-A处的剖视图。

图中：1盖片；2储液池；3废液池；4基片；5重铸物微导能筋；

6在拐角处无重铸物微导能筋的空白区域；7混合池；8梳齿式延时器；

9重铸物微导能筋与微通道外壁间距；10反应池；11激光烧蚀出的熔池。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

本发明提出的一种基于激光重铸物微导能筋的超声封合方法应用于图1所示的微流控芯片中。该微流控芯片由盖片1和基片4组成。在盖片上有储液池2及废液池3。在基片4上有混合池7、梳齿式延时器8、反应池10、重铸物微导能筋(5)及激光烧蚀出的熔池11。具体封合操作步骤如下：

(1)利用热压法，在基片4上加工混合池7、梳齿式延时器8(申请号：CN201610566746.8)及反应池10；利用铣削法，在盖片1上加工储液池2及废液池3；

(2)将基片4与激光头进行定位，首先，在激光加工平台上固定热塑性聚合物平板作为对准平面，其面积大于待封合微流控芯片的面积；接着，将步骤(1)设计的微流控芯片基片结构导入到激光加工系统中，根据微流控芯片基片结构进行一次激光扫描，将该微流控芯片基片结构复制到对准平面上；最后，将步骤(1)中获得的微流控芯片基片结构与对准平面上经复制得到的图形进行对准，直到二者完全重合为止；以此时的激光头坐标作为基准坐标，并在以后的操作步骤中保持该坐标及微流控芯片基片位置不变；

(3)进行重铸物微导能筋布局设计，将激光功率设置为13W、激光扫描速度设置为6mm/s、激光扫描次数设置为3次，沿基片4上混合池7、梳齿式延时器8及反应池10的外围进行激光扫描加工，形成重铸物微导能筋5和熔池11；重铸物微导能筋5的高度为51μm；重铸物微导能筋5离微通道外壁的间距9为200μm；在微通道的拐角处无重铸物微导能筋5，即为空白区域6，空白区域6的长度为20μm。

(4)将上述步骤中得到的基片4与盖片1置于超声封合夹具中进行对准固定，在施加0.3MPa的超声封合压力、0.07s的超声封合时间及40μm的超声振幅后，将微流控芯片从超声封合夹具中取出，完成本发明提出的超声封合过程。