一种三维异形微通道加工装置及方法与流程

本发明涉及微通道加工领域，特别是涉及一种三维异形微通道加工装置及方法。

背景技术：

微通道技术广泛应用于生物、医疗、化学及微流体系统等领域，在细胞培养、药物筛选、基因检测以及化学实验等方面的应用日渐成熟。

如何能够快速精确有效加工出特征尺寸极小的三维异形微通道，在微通道技术中具有非常实际的意义，现有技术中，光刻和金属辅助化学刻蚀是微通道最主要的制造方法。所谓光刻，即首先要在基片表面覆盖一层薄膜，然后在薄膜表面用甩胶机均匀地覆盖上一层光胶，将掩膜上芯片设计图案通过曝光成像的原理转移到光胶层的工艺过程。

在典型的金属辅助化学刻蚀过程中，表面有贵金属(如au、pt、ag或au/pd合金等)薄膜或颗粒层的硅衬底放入hf与氧化性物质(如h2o2)的混合溶液中，贵金属下面硅的刻蚀速度远远大于未被贵金属覆盖硅的刻蚀速度，结果随着刻蚀反应的进行，贵金属沿着硅衬底逐渐下沉，刻蚀出竖直孔状或柱状一维硅纳米结构。

目前，微流体系统中微通道的制造主要依赖于光刻的方法，而该方法的固有限制是只能进行表面的二维平面制造。因此在制造三维异形微流体系统时，不得不分层制造后进行堆叠、键合和封装，需要多个掩膜，增加了制造的成本和复杂性，而且键合时使用的黏接剂容易泄漏到微通道中，影响其实际应用，典型的金属辅助化学刻蚀法则只能在重力的作用下进行静止的一维竖直刻蚀。

因此，如何有效的简化三维异形微通道加工流程，降低加工成本，提高加工精度，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种三维异形微通道加工装置及方法，用于克服传统光刻制造三维异形微通道使用粘结剂容易泄漏到微通道中的弊病，以达到对三维异形微通道快速精确的加工。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种三维异形微通道加工装置，包括利用贵金属粒子加工三维异形微通道的反应组件、用于带动所述反应组件改变位姿的驱动组件、用于检测所述反应组件位置信息的检测组件、以及用于根据所述检测组件检测到的位置信息控制所述驱动组件调整所述反应组件的位姿的控制器，所述反应组件和所述检测组件均安装在所述驱动组件上，所述控制器与所述驱动组件以及所述检测组件均连接。

优选的，还包括底座和支架，所述底座与所述支架固定连接，所述驱动组件安装在所述支架上。

优选的，所述驱动组件包括六自由度运动部件，以及可分别带动所述六自由度运动部件翻转和转动的翻转部件和转动部件，所述反应组件安装在所述六自由度运动部件上。

优选的，所述六自由度运动部件包括上平台、下平台以及安装在所述上平台与所述下平台之间的六个音圈电机，所述音圈电机的两端分别与所述上平台和所述下平台铰接。

优选的，所述翻转部件包括翻转平台和可带动所述翻转平台翻转的翻转电机，所述下平台安装在所述翻转平台的上侧。

优选的，所述转动部件为转动电机，所述转动电机安装在所述翻转平台的下侧，并且，所述转动电机可带动所述下平台转动。

优选的，所述检测组件包括安装在所述上平台上的位姿传感器、安装在所述翻转电机上的第一角度传感器、安装在所述转动电机上的第二角度传感器、以及安装在各所述音圈电机上的位移传感器；所述位姿传感器、所述第一角度传感器、所述第二角度传感器以及所述位移传感器均与所述控制器连接。

优选的，所述控制器包括上位机和下位机，所述上位机为利用mfc进行人机交互界面的pc机，所述下位机包括工控机和运动控制卡。

一种三维异形微通道加工方法，应用于如权利要求1至8任意一项所述装置，包括以下步骤：

步骤s1：启动并初始化设备；

步骤s2：在硅基半导体材料上溅射贵金属粒子，并将硅基半导体置于装有氢氟酸hf与氧化性物质的混合溶液的反应组件之中；

步骤s3：根据预设三维异形微通道的旋向、直径或螺距，通过控制器控制所述反应组件的位姿在六自由度内发生任意改变进而带动所述硅基半导体材料的位姿发生相应的变化；

步骤s4：通过位姿传感器获取所述反应组件的位置信息，并通过所述位置信息调整所述反应组件的位姿，使得刻蚀点的所述贵金属粒子的重力方向与所述预设三维异形微通道的切线重合；

步骤s5：翻转所述反应组件，使得所述硅基半导体材料翻转向下，所述贵金属粒子将继续沿着z轴的负方向移动，直至离开所述硅基半导体材料的表面，完成三维异形微通道的刻蚀。

优选的，所述贵金属粒子的刻蚀速度为1-5μm/s。

本发明所提供的三维异形微通道加工装置，包括利用贵金属粒子加工三维异形微通道的反应组件、用于带动所述反应组件改变位姿的驱动组件、用于检测所述反应组件位置信息的检测组件、以及用于根据所述检测组件检测到的位置信息控制所述驱动组件调整所述反应组件的位姿的控制器，所述反应组件和所述检测组件均安装在所述驱动组件上，所述控制器与所述驱动组件以及所述检测组件均连接。该加工装置，利用所述控制器对所述驱动组件的控制，进而通过改变所述反应组件的位置，实现贵金属粒子在所述反应组件内移动轨迹的改变，完成三维异形微通道加工，可以有效解决光刻方法只能进行二维平面制造和金属辅助化学刻蚀法只能刻蚀一维微通道的固有限制，该装置可以直接加工三维异形微通道，减少传统光刻制造三维异形微通道的繁杂的制作流程及生产成本，克服传统光刻制造三维异形微通道使用粘结剂容易泄漏到微通道中的弊病，达到对三维异形微通道快速精确的加工；结构简单、制作成本低，可实现大批量生产，有较大的推广空间，同时，通过控制器可以实现同形状的三维异形微通道的重复刻蚀，提高了被加工件的生产效率。

本发明所提供的三维异形微通道加工方法，包括启动并初始化设备；在硅基半导体材料上溅射贵金属粒子，并将硅基半导体置于装有氢氟酸hf与氧化性物质的混合溶液的反应组件之中；根据预设三维异形微通道的旋向、直径或螺距，通过控制器控制所述反应组件的位姿在六自由度内发生任意改变进而带动所述硅基半导体材料的位姿发生相应的变化；通过位姿传感器获取所述反应组件的位置信息，并通过所述位置信息调整所述反应组件的位姿，使得刻蚀点的所述贵金属粒子的重力方向与所述预设三维异形微通道的切线重合；翻转所述反应组件，使得所述硅基半导体材料翻转向下，所述贵金属粒子将继续沿着z轴的负方向移动，直至离开所述硅基半导体材料的表面，完成三维异形微通道的刻蚀。该加工方法，通过改变贵金属粒子在硅基半导体材料上移动轨迹的改变，完成三维异形微通道加工，可以有效解决光刻方法只能进行二维平面制造和金属辅助化学刻蚀法只能刻蚀一维微通道的固有限制，克服传统光刻制造三维异形微通道使用粘结剂容易泄漏到微通道中的弊病，达到对三维异形微通道快速精确的加工。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的三维异形微通道加工装置一种具体实施方式的结构示意图；

图2为图1所示三维异形微通道加工装置的局部结构示意图；

图3为图1所示三维异形微通道加工装置处于初始状态时的结构示意图；

图4(a)为图1所示三维异形微通道加工装置在刻蚀竖直微通道部分的初始状态示意图；

图4(b)为图1所示三维异形微通道加工装置在刻蚀竖直微通道部分的过程状态示意图；

图5(a)为图1所示三维异形微通道加工装置在刻蚀螺旋微通道部分的状态示意图；

图5(b)为图5(a)所示三维异形微通道加工装置在刻蚀螺旋微通道部分的局部结构示意图；

图6(a)为图1所示三维异形微通道加工装置沿着z轴的负方向刻蚀微通道；

图6(b)为图6(a)所示三维异形微通道加工装置在刻蚀螺旋微通道部分的局部结构示意图；

图7为本发明所示三维异形微通道加工装置刻蚀而成的螺旋微通道的效果示意图；

图8为本发明所提供的三维异形微通道加工方法一种具体实施方式的流程图；

其中：1-驱动组件、11-六自由度运动部件、111-上平台、112-下平台、113-音圈电机、12-翻转部件、121-翻转电机、122-翻转平台、13-转动部件、2-反应组件、21-贵金属粒子、3-检测组件、31-第一角度传感器、32-第二角度传感器、33-位姿传感器、34-位移传感器、4-控制器。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种三维异形微通道加工装置及方法，可以直接加工三维异形微通道，减少传统光刻制造三维异形微通道的繁杂的制作流程及生产成本。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图8，图1为本发明所提供的三维异形微通道加工装置一种具体实施方式的结构示意图；图2为图1所示三维异形微通道加工装置的局部结构示意图；图3为图1所示三维异形微通道加工装置处于初始状态时的结构示意图；图4(a)为图1所示三维异形微通道加工装置在刻蚀竖直微通道部分的初始状态示意图；图4(b)为图1所示三维异形微通道加工装置在刻蚀竖直微通道部分的过程状态示意图；图5(a)为图1所示三维异形微通道加工装置在刻蚀螺旋微通道部分的状态示意图；图5(b)为图5(a)所示三维异形微通道加工装置在刻蚀螺旋微通道部分的局部结构示意图；图6(a)为图1所示三维异形微通道加工装置沿着z轴的负方向刻蚀微通道；图6(b)为图6(a)所示三维异形微通道加工装置在刻蚀螺旋微通道部分的局部结构示意图；图7为本发明所示三维异形微通道加工装置刻蚀而成的螺旋微通道的效果示意图；图8为本发明所提供的三维异形微通道加工方法一种具体实施方式的流程图。

在该实施方式中，三维异形微通道加工装置包括反应组件2、驱动组件1、检测组件3以及控制器4。

其中，反应组件2用于利用贵金属粒子21加工三维异形微通道，硅基半导体材料放置在反应组件2中，具体的，将硅基半导体置于装有氢氟酸hf与氧化性物质如h2o2的混合溶液的反应组件2之中，驱动组件1用于带动反应组件2改变位姿，检测组件3用于检测反应组件2的位置信息，控制器4用于根据检测组件3检测到的反应组件2的位置信息，来控制驱动组件1调整反应组件2的位姿；并且，反应组件2和检测组件3均安装在驱动组件1上，驱动组件1的移动可带动反应组件2和检测组件3移动，控制器4与驱动组件1以及检测组件3均连接，可以为有线连接，也可以为无线连接。

该加工装置，利用控制器4对驱动组件1的控制，进而通过改变反应组件2的位置，实现贵金属粒子21在反应组件2内移动轨迹的改变，完成三维异形微通道加工，可以有效解决光刻方法只能进行二维平面制造和金属辅助化学刻蚀法只能刻蚀一维微通道的固有限制，该装置可以直接加工三维异形微通道，减少传统光刻制造三维异形微通道的繁杂的制作流程及生产成本，克服传统光刻制造三维异形微通道使用粘结剂容易泄漏到微通道中的弊病，达到对三维异形微通道快速精确的加工。

在上述各实施方式的基础上，还包括底座和支架，底座与支架固定连接，驱动组件1安装在支架上，支架和底座起到支撑作用，支架和底座可以选择强度较高的金属材料加工而成，底座和支架的形状可以根据需要设定，在此不作进一步限定。

在上述各实施方式的基础上，驱动组件1包括六自由度运动部件11，以及可分别带动六自由度运动部件11翻转和转动的翻转部件12和转动部件13，反应组件2安装在六自由度运动部件11上。

该装置，利用贵金属粒子21作为催化剂，根据所需要成型的三维异形微通道的结构，例如预设螺旋微通道，通过即时调整装置的位姿在六自由度内发生任意改变进而带动反应组件2的位姿发生相应的变化，从而在重力的作用下，控制贵金属粒子21催化剂与被加工件的接触位置与运动方向，在氢氟酸和氧化剂混合溶液的环境下刻蚀加工件，被加工件为硅基半导体材料。

在上述各实施方式的基础上，如图2所示，六自由度运动部件11包括上平台111、下平台112以及安装在上平台111与下平台112之间的六个音圈电机113，音圈电机113的两端分别与上平台111和下平台112铰接。具体的，六个音圈电机113分别通过球铰或虎克铰与上平台111和下平台112联接，六个音圈电机113在驱动器的控制下可以独立地伸长和缩短，上平台111可以随着六个音圈电机113的伸长和缩短进行六个自由度的独立运动，从而改变上平台111在空间中的位姿。

上述音圈电机113的选择，是为了满足精度要求，当然，能够满足微通道加工精度的前提下，也可以采用其他伸缩部件。

在上述各实施方式的基础上，翻转部件12包括翻转平台122和可带动翻转平台122翻转的翻转电机121，两者通过联轴器连接，下平台112安装在翻转平台122的上侧。进一步，转动部件13为转动电机，转动电机安装在翻转平台122的下侧，具体的，转动电机通过联轴器与六自由度运动部件11的下平台112连接，并且，转动电机可带动下平台112转动。上述翻转电机121和转动电机均可以采用步进电机，通过对六自由度运动部件11的翻转和转动，实现对反应装置的两级旋转，通过两级旋转和六自由度运动部件11的协同运动从而改变该加工装置平台在空间中的位姿，并通过电气连接于控制器4中。

在上述各实施方式的基础上，检测组件3包括安装在上平台111上的位姿传感器33、安装在翻转电机121上的第一角度传感器31、安装在转动电机上的第二角度传感器32、以及安装在各音圈电机113上的位移传感器34，位移传感器34的个数为六个，用于检测音圈电机113的伸缩量；位姿传感器33、第一角度传感器31、第二角度传感器32以及位移传感器34均与控制器4连接，并且各传感器可以将检测到的所有信号反馈到控制器4中。

在上述各实施方式的基础上，控制器4包括上位机和下位机，上位机为利用mfc进行人机交互界面的pc机，下位机包括工控机和运动控制卡。

具体的，控制器4采用上、下位机结构作为控制系统架构。其中，上位机采用常规pc机，利用mfc进行人机交互界面的开发；下位机则采用工控机+运动控制卡的结构用以对本装置进行直接控制。

本实施例所提供的异形微通道加工装置，反应组件2可以在驱动组件1的作用下在空间六自由度中任意运动，以达到符合硅基半导体加工要求的位姿状态，实现加工任意形状的三维异形微通道；检测组件3可以实时反馈装置的位姿状态信号，以达到控制器4实时修正位姿状态误差，实现高精度异形三维微通道加工；该装置可减少传统光刻制造三维异形微通道的繁杂的制作流程及高昂的生产成本，克服传统光刻制造三维异形微通道使用粘结剂容易泄漏到微通道中的弊病；并且，本装置结构简单、制作成本低，可实现大批量生产，有较大的推广空间；同时，通过控制器4可以实现同形状的三维异形微通道的重复刻蚀，提高了被加工件的生产效率。

除上述三维异形微通道加工装置外，本发明还提供了一种三维异形微通道加工方法。

该三维异形微通道加工方法包括以下步骤：

步骤s1：启动并初始化设备，调试驱动组件1、反应组件2、检测组件3和控制器4，使其处于六自由度运动部件11的上平台111平行于水平面的初始化准备状态，如图3所示；

步骤s2：在硅基半导体材料上溅射贵金属粒子21，具体的，贵金属粒子21可以为au、pt、ag或au/pd合金等，并将硅基半导体置于装有氢氟酸hf与氧化性物质如h2o2的混合溶液的反应组件2之中；同时，将反应组件2安装在六自由度运动部件11的上平台111之上；

由于贵金属粒子21下面硅的刻蚀速度远远大于未被贵金属覆盖硅的刻蚀速度，因此随着刻蚀反应的进行，在重力的作用下贵金属粒子21沿着硅衬底逐渐下沉，刻蚀出竖直孔状的一维硅纳米结构；

步骤s3：根据预设三维异形微通道，如螺旋微通道的旋向、直径或螺距，通过控制器4控制反应组件2的位姿在六自由度内发生任意改变进而带动硅基半导体材料的位姿发生相应的变化；

步骤s4：通过位姿传感器33获取反应组件2的位置信息，并通过位置信息调整反应组件2的位姿，使得刻蚀点的贵金属粒子21的重力方向与预设螺旋微通道的切线重合；

具体的，控制组件控制两级旋转和六自由度运动部件11的运动，并通过检测组件3反馈回的信号，即时调整装置的位姿在六自由度内发生任意改变进而带动反应容器的位姿发生相应的变化，使刻蚀点贵金属粒子21的重力方向与三维异形微通道的切线重合，如图5(b)所示。

步骤s5：翻转反应组件2，具体的，通过控制翻转电机121的转动，使翻转平台122实现翻转，从而使六自由度运动部件11的上、下平台112翻转向下，使得硅基半导体材料翻转向下，由于重力的作用，贵金属粒子21将继续沿着z轴的负方向移动，直至离开硅基半导体材料的表面，完成三维异形微通道的刻蚀。

优选的，贵金属粒子21的刻蚀速度为1-5μm/s，刻蚀距离为刻蚀速度乘以刻蚀时间。

该加工方法，通过改变硅基半导体材料的位置，实现贵金属粒子21在反应组件2内移动轨迹的改变，完成三维异形微通道加工，可以有效解决光刻方法只能进行二维平面制造和金属辅助化学刻蚀法只能刻蚀一维微通道的固有限制，该方法可以直接加工三维异形微通道，减少传统光刻制造三维异形微通道的繁杂的制作流程及生产成本，克服传统光刻制造三维异形微通道使用粘结剂容易泄漏到微通道中的弊病，达到对三维异形微通道快速精确的加工。

以上对本发明所提供的三维异形微通道加工装置及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。