专利名称：一种玻璃微纳流控芯片对准装配方法及对准装配装置的制作方法
技术领域：
本发明一种针对基片和盖片上均具有微结构的玻璃微纳流控芯片对准装配方法
及装置，属于微小型器件装配领域，涉及使用真空吸附和三维微移动进行对准装配的方 法及装置。
背景技术：
在玻璃材料上可以加工出高精度的微结构，而且所加工的微结构的几何结构和 表面特性不易随环境的变化而变化，对于微全分析系统和微流控系统具有很大的意义。 玻璃微纳流控芯片的制作包括微纳通道成形、对准装配、预连接及键合。将不同的微结 构分别加工到基片和盖片上，有助于改变芯片结构的形式，縮短芯片的制造周期和降低 芯片的制造成本。玻璃微纳流控芯片的基片和盖片上的微纳通道加工完成后，就要将基 片和盖片上的微纳通道对准，以保证基片和盖片上的微纳通道之间的相对位置精度。但 是随着芯片结构的复杂化，微纳通道间的对准装配工作变得越来越困难，必须需要一种 专门的对准装配方法及装置来完成微纳通道间的对准装配工作。 在对外国专利检索中，未发现涉及到微纳流控芯片对准装配方法及装置的相关 专利。在对中国专利检索中，涉及到微纳流控芯片对准装配方法及装置的专利是用于 透明微流控芯片装配的显微对准装置，专利授权号ZL200420092837.5 ;该专利需要采 用芯片上特定的标记点，来完成芯片的对准装配。芯片的厚度和材质对于标记点的识别 有很大的影响，对芯片对准装配的成功率有一定的影响。 目前，公开发表的文献中涉及可用于微纳流控芯片对准装配的方法及装置 有面向微纳流控芯片的基于视觉的微装配方法及装置和微装配机器人系统。如文 献 "Phase-Changing Sacrificial Layer Fabrication of Multilayer Polymer Microfluidic Devices" (Anal.Chem.2008， 80， 333-339)中所介绍的基于视觉的多层PMMA微流控芯片 的对准键合的方法及装置。文章中没有给出该装置的详细介绍。 目前，有很多用于微装配的机器人系统。采用微装配机器人系统来完成玻璃微 纳流控芯片的对准装配工作，成本高昂。
发明内容
本发明提供了一种玻璃微纳流控芯片对准装配方法及对准装配装置，能够用于 复杂玻璃微纳流控芯片的基片与盖片上微纳通道的对准，实现芯片通道间的快速准确地 对准。 本发明采用的技术方案如下 —种玻璃微纳流控芯片对准装配方法，该方法采用显微镜观测玻璃微纳流控芯 片的对准状态，采用固定基片，移动盖片的方法实现盖片与基片之间微纳通道对准。具 体方法如下 (l)玻璃微纳流控芯片由盖片和基片组成，基片上有纳米尺度的通道，盖片上有微米尺度的通道；采用固定基片，移动盖片的方法，使盖片沿着基片有通道的平面移
动，实现盖片与基片之间微纳通道对准。 (2)采用"贴-靠〃 的方法固定基片。 (3)采用真空吸附的方法吸起盖片。 (4)采用精密微动装置带动盖片的移动。 (5)采用微加热的方法对已对准芯片进行热预连接。 玻璃微纳流控芯片的对准装配装置由三维微移动台装置、真空吸附装置、倒置 显微镜和微热板四部分组成。将三维微移动台装置安装在倒置显微镜载物台上，通过真 空吸盘将三维微移动台装置和真空吸附装置连接。倒置显微镜主要由显微镜控制箱、显 微镜视觉系统、显微镜载物台等组成。三维微移动台装置主要由螺旋测微微分头、螺旋 测微微分头安装座、盖板、芯片容器、磁条、连接板、真空吸盘、真空吸盘安装板、直 角板、手动单向微移动台、直角安装板、手动双向微移动台等组成。 将螺旋测微微分头安装在螺旋测微微分头安装座上，然后将安装好的螺旋测微 微分头安装座与连接板一块固定在显微镜载物台上，将盖板放在显微镜载物台相对应的 圆槽中，再将芯片容器放在盖板上，并与盖板上的两个固定块相接触，将手动双向微移 动台与连接板连接，通过直角安装板将手动单向微移动台与手动双向微移动台连接，将 直角板与手动单向微移动台连接，将真空吸盘安装板与直角板连接，最后将真空吸盘安 装在真空吸盘安装板上。其具有固定基片和微纳结构调整对准等功能。
真空吸附装置主要由真空泵、真空调压阀、三通电磁阀、真空过滤器、T形接 管、软管、直流电源、电源开关、三通电磁阀开关、指示灯、箱体等组成。将直流电 源、三通电磁阀、真空过滤器固定在箱体的底面板上，将真空调压阀固定在箱体的后面 板上，将电源开关、三通电磁阀开关和指示灯固定在箱体的前面板上，最后用软管将真 空泵、真空调压阀、三通电磁阀、真空过滤器和T形接管连接起来；用导线将直流电 源、电源开关、三通电磁阀开关和指示灯连接起来。 采用上述芯片对准装配方法制作的对准装配装置，该装置采用倒置高倍显微镜 观测玻璃微纳流控芯片对准状态；采用磁条固定基片，方便调整基片的位置，可以根据 芯片的尺寸、形状的不同来更换不同的磁条；采用三维微移动台机构带动吸附盖片的真 空吸盘移动，从而实现盖片的三维微移动，使盖片沿着基片有通道的平面移动；实现盖 片与基片之间微纳通道对准；采用微热板对已对准芯片进行热预连接，使盖片与基片 之间有相当强度的预连接力，在有意碰撞和翻转的实验条件下达到无错位和无脱落的效 果。 本发明的有益效果是可以对芯片通道进行精确和快速地对准。采用本发明对芯 片通道进行对准的过程中，可以通过倒置显微镜实时地观察通道的位置，以便于操作者 利用三维微移动台装置来调整通道的位置，从而实现芯片通道的对准，操作简单，縮短 了芯片的制造周期，降低了芯片的制造成本和难度。
图1为玻璃微纳流控芯片对准装置的结构示意图。
图2为真空吸附装置的结构示意图。
图3为真空吸附装置的气路原理图。 图4(A)为盖片的结构示意图。 图4(B)为基片的结构示意图。 图4(C)为芯片通道对准后的结构示意图。 图中l显微镜控制箱、2显微镜视觉系统、3显微镜载物台、4螺旋测微微分 头、5螺旋测微微分头安装座、6盖板、7芯片容器、8基片、9磁条、IO盖片、11连接 板、12真空吸盘、13真空吸盘安装板、14直角板、15手动单向微移动台、16直角安装 板、17手动双向微移动台、18真空吸附装置控制箱、19T形接管、20箱体、21直流电 源、22三通电磁阀、23真空调压阀、24真空过滤器、25电源开关、26三通电磁阀开关、 27指示灯、28真空泵、29储液池、30微通道、31纳通道阵列组。
具体实施例方式
下面结合
本专利的具体实施方式
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实施例1 :三维微移动台装置 结合附图l说明本发明涉及的三维微移动台装置的结构。三维微移动台装置主 要由螺旋测微微分头4、螺旋测微微分头安装座5、盖板6、芯片容器7、磁条9、连接 板ll、真空吸盘12、真空吸盘安装板13、直角板14、手动单向微移动台15、直角安装 板16、手动双向微移动台17等组成。将螺旋测微微分头4安装在螺旋测微微分头安装 座5上，然后将安装好的螺旋测微微分头安装座5与连接板11 一起固定在显微镜载物台3 上，将盖板6放在显微镜载物台3相对应的圆槽中，再将芯片容器7放在盖板6上，并与 盖板6上的两个固定块相接触，通过旋转螺旋测微微分头4的螺旋手柄，就可以固定和松 开芯片容器7，将手动双向微移动台17与连接板11连接，通过直角安装板16将手动单向 微移动台15与手动双向微移动台17连接，这样就可以实现三维微移动，将直角板14与 手动单向微移动台15连接，将真空吸盘安装板13与直角板14连接，最后将真空吸盘12 安装在真空吸盘安装板13上。根据所需要对准的芯片的不同，可以调整真空吸盘12的 尺寸、数量、形状以及在真空吸盘安装板13上的安装位置。
实施例2 :真空吸附装置 结合附图2说明本发明涉及的真空吸附装置的结构。真空吸附装置主要由T形 接管19、箱体20、直流电源21、三通电磁阀22、真空调压阀23、真空过滤器24、电源 开关25、三通电磁阀开关26、指示灯27、真空泵28等组成。将直流电源21、三通电磁 阀22、真空过滤器24固定在箱体20的底面板上，将真空调压阀23固定在箱体20的后面 板上，使其在箱体20的外面，以便查看和调整真空压力，将电源开关25、三通电磁阀开 关26和指示灯27固定在箱体20的前面板上，以便操作者操作。
实施例3 :真空吸附装置的吸附 结合附图3说明本发明涉及的真空吸附装置的吸附原理。用软管依次将真空泵 28、带有真空压力表的真空调压阀23、三通电磁阀22、真空过滤器24、 T形接管19、真 空吸盘12连通。当打开真空泵28时，此时三通电磁阀22关闭，带有真空吸盘12的气 路与三通电磁阀22的常通口接通，与大气导通。当打开三通电磁阀22时，真空泵28沿 气路与真空吸盘12导通，此时可以用真空吸盘12来吸住芯片。当完成操作后，关闭三通电磁阀22，此时真空吸盘12与大气导通，经过一段时间后，带有真空吸盘12的气路内 的压力与大气压相同，此时，盖片10与真空吸盘12分开。
实施例4:玻璃微纳流控芯片的对准装配 结合附图4说明本发明涉及的一种玻璃微纳流控芯片的对准装配实例。
(1)清洗。将芯片容器7、基片8、磁条9和盖片10分别清洗干净。
(2)基片和芯片容器的固定。将加工好通道结构并且清洗过的基片8放入芯片容 器7中，将两个磁条9分别放在芯片容器7底面的两侧，使其置于基片8位置的侧面，并 利用其磁极性定位夹紧，用同样的方法将磁条9靠在基片8位置的另外三侧面处，实现基 片8的固定；将加工好通道结构并且清洗过的盖片10置于基片8之上，为增强润滑，在 盖片10与基片8之间加入润滑膜，然后将芯片容器7推入到盖板6上，并与盖板6上的 两个固定块相接触，调整好芯片容器7的位置，旋转螺旋测微微分头4的螺旋手柄使螺旋 测微微分头4的前端顶住芯片容器7，借助盖板6上的两个固定块固定芯片容器7。
(3)吸附芯片。通过倒置显微镜观测找到盖片10与基片8上通道的位置，粗调 微通道的位置，将盖片10与基片8上的通道调整到同一个视野范围内，并使盖片10与基 片8上的通道大体垂直，通过旋转手动双向微移动台17的螺旋手柄，调整好真空吸盘12 与盖片10的位置，旋转手动单向微移动台15的螺旋手柄，从而使真空吸盘12向下缓慢 地靠近盖片10直到真空吸盘12与盖片10完全接触。此时依次打开电源开关25，真空泵 28，检查真空气路正常后，打开三通电磁阀开关26，使真空吸盘12吸住盖片10。
(4)芯片的通道对准。通过旋转手动单向微移动台15的螺旋手柄，控制盖片10 朝着基片8移动，当基片8上的润滑膜形状发生变化时，停止盖片10的移动，然后操作 者通过显微镜视觉系统2观测对准状态，同时旋转手动双向微移动台17的螺旋手柄，使 盖片10沿着基片8的上表面微移动，缓慢地将微通道30与纳通道阵列组31对准。
(5)芯片的取出。关闭三通电磁阀开关26使真空吸盘12与大气导通，关闭电源 开关25，关闭真空泵28。经过一段时间，缓慢旋转手动单向微移动台15的螺旋手柄， 使真空吸盘12向上移动，逐渐与盖片10分离，再将真空吸盘12移动到它所能达到的最 高位置。旋转螺旋测微微分头4的螺旋手柄使其前端与芯片容器7分开，然后沿着显微 镜载物台3缓慢地取出装有芯片的芯片容器7。 (6)芯片的预连接。利用微热板对芯片的复合结构加热，使部分润滑膜挥发，残 留部分以单层润滑膜分子与玻璃表面悬挂键以氢键形式相连，使基片8与盖片10之间具 有相当强度的预连接力，在有意碰撞和翻转的实验条件下达到无错位和无脱落的效果。
(7)芯片的热键合。将预连接好的芯片移至马弗炉中热键合，自然冷却后取出， 得到玻璃微纳流控芯片。 结合玻璃微纳流控芯片的加工方法和本专利所提供的玻璃微纳流控芯片的对准 装配方法及装置可以加工出玻璃微纳流控芯片。
权利要求
一种玻璃微纳流控芯片对准装配的方法，其特征在于如下步骤(1)玻璃微纳流控芯片由盖片和基片组成，基片上有纳米尺度的通道，盖片上有微米尺度的通道；采用固定基片、动盖片的方法，使盖片沿着基片有通道的平面移动，实现盖片与基片之间微纳通道对准；(2)采用“贴-靠″的方法固定基片。(3)采用真空吸附的方法吸起盖片；(4)采用精密微动装置带动盖片的移动；(5)采用微加热的方法对已对准芯片进行热预连接。
2. 应用权利要求1所述方法的对准装配装置，其特征还在于该对准装配装置由三 维微移动台装置、真空吸附装置、倒置显微镜和微热板四部分组成；将三维微移动台装 置安装在倒置显微镜载物台[3]上，通过真空吸盘[12]将三维微移动台装置和真空吸附装 置连接；倒置显微镜包括显微镜控制箱[l]、显微镜视觉系统[2]和显微镜载物台[3];三 维微移动台装置主要由螺旋测微微分头[4]、螺旋测微微分头安装座[5]、盖板[6]、芯片 容器[7]、磁条[9]、连接板[ll]、真空吸盘[12]、真空吸盘安装板[13]、直角板[14]、手 动单向微移动台[15]、直角安装板[16]和手动双向微移动台[17]等组成；将螺旋测微微分头[4]安装在螺旋测微微分头安装座[5]上，然后将安装好的螺旋测 微微分头安装座问与连接板[11] 一块固定在显微镜载物台[3]上，将盖板[6]放在显微 镜载物台[3]相对应的圆槽中，再将芯片容器[7]放在盖板[6]上，并与盖板[6]上的两个 固定块相接触，将手动双向微移动台[17]与连接板[11]连接，通过直角安装板[16]将手 动单向微移动台[15]与手动双向微移动台[17]连接，将直角板[14]与手动单向微移动台 [15]连接，将真空吸盘安装板[13]与直角板[14]连接，最后将真空吸盘[12]安装在真空 吸盘安装板[13]上；真空吸附装置主要由真空泵[28]、真空调压阀[23]、三通电磁阀[22]、真空过滤器 [24]、 T形接管[19]、软管、直流电源[21]、电源开关[25]、三通电磁阀开关[26]、指示灯 [27]、箱体[20]等组成；将直流电源[21]、三通电磁阀[22]、真空过滤器[24]固定在箱体 [20]的底面板上，将真空调压阀[23]固定在箱体[20]的后面板上，将电源开关[25]、三通 电磁阀开关[26]和指示灯[27]固定在箱体[20]的前面板上，最后用软管将真空泵[28]、 真空调压阀[23]、三通电磁阀[22]、真空过滤器[24]和T形接管[19]连接起来；用导线 将直流电源[21]、电源开关[25]、三通电磁阀开关[26]和指示灯[27]连接起来。
3. 根据权利要求1所述的一种玻璃微纳流控芯片对准装配的方法，其特征还还在于 基片[8]的固定，将基片[8]放入芯片容器[7]中，将两个磁条[9]分别放在芯片容器[7]底 面的两侧，使其置于基片[8]位置的侧面，并利用其磁极性定位夹紧；用同样的方法将磁 条[9]靠在基片[8]位置的另外三侧面处，实现基片[8]的固定。
4. 根据权利要求1所述的一种玻璃微纳流控芯片对准装配的方法，其特征还在于 芯片容器[7]的固定，将芯片容器[7]推入到盖板[6]上，并与盖板[6]上的两个固定块相 接触，调整好芯片容器[7]的位置，旋转螺旋测微微分头[4]的螺旋手柄使螺旋测微微分 头[4]的前端顶住芯片容器[7]，借助盖板[6]上的两个固定块固定芯片容器[7]。
5. 根据权利要求1所述的一种玻璃微纳流控芯片对准装配的方法，其特征还在于 真空吸盘[12]和真空吸盘安装板[13]的可拆换性；根据所需要对准的芯片的不同，调整真空吸盘[12]的尺寸、数量、形状以及在真空吸盘安装板[13]上的安装位置。
全文摘要
本发明公开了一种玻璃微纳流控芯片对准装配方法及对准装配装置，属于微小型器件装配领域。该芯片对准装配方法采用显微镜观测玻璃微纳流控芯片的对准状态，采用固定基片，移动盖片的方法实现盖片与基片之间微纳通道对准。其装置采用倒置高倍显微镜观测玻璃微纳流控芯片对准状态，采用三维微移动台机构带动吸附盖片的真空吸盘移动，从而实现盖片的三维微移动。其装置由三维微移动台装置、真空吸附装置、倒置显微镜和微热板四部分组成。采用本发明可以缩短芯片的制造周期，降低芯片的制造成本和难度，能够满足日益复杂的通道间的对准要求。
文档编号G01B5/00GK101691203SQ20091030712
公开日2010年4月7日 申请日期2009年9月17日 优先权日2009年9月17日
发明者刘军山, 刘冲, 徐征, 杜立群, 温金开, 王德佳 申请人:大连理工大学