一种利用数控雕刻技术制作玻璃微流控芯片的方法与流程

本发明涉及一种利用数控雕刻技术制作玻璃微流控芯片的方法，可应用于芯片实验室。

背景技术：

近年来，微流控芯片作为一种新的技术平台，在生物和化学领域受到广泛关注，是当前发展最活跃的领域之一。目前制作微流控芯片的基质材料主要有硅、玻璃和聚合物三大类。其中玻璃材质芯片具有良好的力学、光学、传热和电绝缘性能以及生物相容性，同时能够耐受高温、高压和各种有机溶剂等苛刻的生化反应条件，因此在微流控技术的应用研究中具有独特的优势。但是传统的基于玻璃材质的微流控芯片制作工艺，通常是采用微电子加工工艺结合湿法腐蚀来实现，具体流程包括掩模版的制作、光刻图形化(光刻工艺包括涂胶、烘胶、曝光、显影、后烘等步骤)、氢氟酸腐蚀、键合，且此工艺方法往往需要待加工玻璃基片表面预先溅射一层金属层或多晶硅/氮化硅层作为刻蚀掩膜层，整个制作过程周期长、成本高，大大限制了玻璃微流控芯片的实际应用。因此，迫切需要发展一种快速简洁、成本低廉的玻璃微流控芯片的制作方法，促进玻璃微流控芯片的广泛应用，加速微流控技术的研究和实际应用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种利用数控雕刻技术制作玻璃微流控芯片的方法，所述的方法利用数控雕刻技术直接将CAD设计图形刻划在玻璃基片上，形成微管道和/或微腔体，用于制备玻璃材质的微流控芯片。该方法无需昂贵的掩模版制作，避免了繁琐的、昂贵的光刻工艺以及危险的湿法腐蚀工艺，可快速、简捷地实现玻璃微流控芯片的低成本制作，有望促进玻璃微流控芯片的实际应用和相关微流控技术的快速发展。

鉴于此，为实现上述发明的目的，具体提供了如下技术方案：

一种利用数控雕刻技术制作玻璃微流控芯片的方法，是利用数控雕刻机直接将AutoCAD软件绘制的微流控芯片图形刻划在玻璃基片上，形成微管道和/或微腔体结构，用于制备玻璃微流控芯片；所述微流控芯片是开放型的或封闭型的。

制作开放型的玻璃微流控芯片，包括如下步骤：

1)通过表面涂层或表面处理方法，制作具有疏水特性表面的玻璃基片；

2)利用AutoCAD软件进行微流控芯片图形设计，然后将该设计图形导入到数控软件中，并对刀具类型、刀具直径、刀具转速、进给速度、进给深度进行设置，最后通过软件生成数控加工代码；

3)将经步骤(1)处理的玻璃基片固定于带水槽的数控雕刻机加工平台上，并向水槽中加水至完全浸没玻璃基片；

4)将第(2)步生成的数控加工代码导入到数控雕刻机的控制软件中，控制刀具运行轨迹，使其在玻璃基片上雕刻加工所设计的图形；

5)将经步骤(4)处理完成的玻璃基片冲洗干净，制得开放型的玻璃微流控芯片；

优选的，步骤(2)中，所述刀具类型为立铣刀；所述刀具直径为0.05mm～5mm；所述刀具转速为8000rpm～10000rpm；所述进给速度为0.2mm/min～5mm/min；所述进给深度为0.01mm～0.1mm。采用高转速和低进给速度目的是确保所加工管道和腔体表面的光滑度以及延长刀具使用寿命。

优选的，步骤(3)中，经步骤(1)处理的玻璃基片通过双面胶带、石蜡或焦糖固定于加工平台上。

优选的，步骤(3)中，加入数控雕刻机水槽的水的温度在0℃～25℃；所述水槽中水面高度高于玻璃基片上表面1mm～5mm。通过冷水浸没待加工玻璃基片可防止加工过程中刀具切削温度过高，影响管道表面粗糙度以及刀具寿命，同时也使得切削产生的残屑更易清除。

制作封闭型的玻璃微流控芯片，包括如下步骤：

1)利用AutoCAD软件进行微流控芯片图形设计，然后将该设计图形导入到数控软件中，并对刀具类型、刀具直径、刀具转速、进给速度、进给深度进行设置，最后通过软件生成数控加工代码；

2)将清洗后的玻璃基片固定于带水槽的数控雕刻机的加工平台上，并在水槽中加入水，完全浸没玻璃基片；

3)将第(1)步生成的数控加工代码导入到数控雕刻机的控制软件中，控制刀具运行轨迹，使其在玻璃基片上雕刻加工所设计图形及打孔；

4)将经步骤(3)处理完成的玻璃基片清洗干净，并将其与另一干净、平整玻璃基片键合，制得封闭型的玻璃微流控芯片

优选的，步骤(1)中，设置加工参数时，若加工微管道和/或微腔体，所述刀具类型为立铣刀，刀具直径为0.05mm～5mm，刀具转速为8000rpm～10000rpm，进给速度为0.2mm/min～5mm/min，进给深度为0.01mm～0.5mm；若打孔，所述刀具类型为立铣刀或钻头，刀具直径为0.1mm～5mm，刀具转速为8000rpm～10000rpm，进给速度为0.2mm/min～5mm/min，进给深度为0.01mm～1mm。采用高转速和低进给速度目的是确保所加工管道和腔体表面的光滑度以及延长刀具使用寿命。

优选的，步骤(3)中，经步骤(1)处理的玻璃基片通过夹具、双面胶带、石蜡或焦糖固定于加工平台上。

优选的，步骤(2)中，加入数控雕刻机水槽的水的温度在0℃～25℃；所述水槽中水面高度高于玻璃基片上表面1mm～5mm。通过冷水浸没待加工玻璃基片可防止加工过程中刀具切削温度过高，影响管道表面粗糙度以及刀具寿命，同时也使得切削产生的残屑更易清除。

优选的，步骤(4)中，玻璃基片键合时，键合方法采用高温熔融键合，或者采用乙酸钙辅助的低温键合。其中键合方法可以采用高温熔融键合，即将两片紧密贴合的玻璃基片，置于600℃马弗炉中，加热6hr，实现键合；或者采用钙离子辅助的低温键合，即利用乙酸钙和去污剂的混合液清洗待键合玻璃表面，之后紧密贴合，置于115℃烘箱中加热2hr，实现键合。

本发明提供的一种利用数控雕刻技术制作玻璃微流控芯片的方法，避免了传统玻璃微流控芯片制作工艺周期长、成本高、污染环境、灵活性差等缺陷，可快速、简捷、低成本地实现玻璃材质微流控器件的制作，有望进一步促进微流控技术的发展和应用。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明方法流程示意图。

图2为本发明方法制作的玻璃材质混合微流控芯片实物照片。

图3为本发明方法制作的玻璃材质液滴微流控芯片实物照片。

图4为本发明方法制作的玻璃材质开放型微流控芯片实物照片。

图5为本发明方法制作的玻璃材质微阵列芯片实物照片。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例1

图1为本发明方法流程示意图。

如图2所示，为基于本发明方法加工的Y字型混合微流控芯片，其通道宽度为300μm，深度为50μm。具体步骤是：

1)首先利用AutoCAD软件绘制Y字型混合微流控芯片管道图形，然后将该设计图形导入到数控软件中，并设置刀具类型为立铣刀，设置刀具直径为0.3mm，刀具转速设置为8000rpm，进给速度为1mm/min，进给深度为0.05mm，生成数控代码；

2)通过夹具将待加工玻璃基片固定于加工平台上，然后在水槽中加入冷水，直至水面淹没玻璃基片；

3)在主轴刀具夹头上固定直径300μm的玉米型立铣刀，并利用对刀器确定刀具加工的z轴零平面；

4)将第(1)步生成的数控代码导入到数控雕刻机的控制软件中，启动雕刻机，控制刀具运行轨迹，对玻璃基片进行雕刻加工；

5)完成管道雕刻后，更换主轴上刀具为直径1.5mm的钻头，并在管道网络三个末端各打一个通孔；

6)完成打孔后，将所加工的玻璃基片从平台上取下，超声清洗干净，并与另一片干净的平整玻璃基片一起浸入0.5％(w/v)乙酸钙溶液与0.5％(w/v)去污剂的混合液中，然后取出，用去离子水冲洗30s左右，将两者贴合，放置于115℃烘箱中，加热2hr，实现键合，即可完成Y字型混合微流控芯片的制作。

实施例2

如图3所示，为基于本发明方法加工的T字型液滴微流控芯片，该芯片网络为双层立体结构，第一层为浅而窄的管道，第二层为深而宽的管道，两层通道宽度分别为300μm和700μm，通道深度分别为50μm和100μm。

制作工艺与实施例1基本相同，不同之处在于：所述步骤(1)分别针对两层管道绘制图形，并分别设置刀具直径为0.3mm和0.7mm，进给深度为0.05mm和0.1mm，刀具转速均设置为8000rpm，进给速度均设置为1mm/min，然后分别生成对应数控代码文件；所述步骤(4)中，完成第一层浅管道雕刻后，更换主轴上刀具为直径0.7mm的立铣刀，并利用对刀器确定刀具加工的z轴零表面，导入第二层深管道图形生成的数控代码，控制刀具运行轨迹，雕刻第二层深且宽的管道。

实施例3

如图4所示，为基于本发明方法加工的单通道开放型微流控芯片，其通道宽度为300μm，深度为100μm。具体步骤是：

1)首先利用表面涂层方法制作超疏水表面的玻璃基片，即将纳米二氧化硅超疏水涂层溶液均匀涂布于干净的玻璃基片表面，自然晾干，制得具有超疏水表面特性的玻璃基片；

2)利用AutoCAD软件绘制微流控芯片管道图形，然后将该设计图形导入到数控软件中，并设置刀具类型为立铣刀，设置刀具直径为0.3mm，刀具转速设置为8000rpm，进给速度为1mm/min，进给深度为0.1mm，生成数控代码；

3)通过双面胶带将第(1)步制作的超疏水玻璃基片固定于加工平台上，然后在水槽中加入冷水，直至水面淹没玻璃基片；

4)在主轴刀具夹头上固定直径300μm的玉米型立铣刀，并利用对刀器确定刀具加工的z轴零平面；

5)将第(2)步生成的数控代码导入到数控雕刻机的控制软件中，启动雕刻机，控制刀具运行轨迹，对玻璃基片进行雕刻加工；

6)完成雕刻后，将所加工的玻璃基片从平台上取下，冲洗干净，即完成单通道开放型微流控芯片的制作。

实施例4

如图5所示，为基于本发明方法加工的微阵列点阵芯片，其单点直径为500μm，深度为50μm。

制作工艺与实施例3基本相同，不同之处在于：所述步骤(2)中，利用AutoCAD软件绘制微阵列点阵图形，然后将该设计图形导入到数控软件中，并设置刀具类型为立铣刀，设置刀具直径为0.5mm，刀具转速设置为8000rpm，进给速度为1mm/min，进给深度为0.05mm，生成数控代码。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。