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CN105413769A - 微流控芯片对准键合装置 - Google Patents

微流控芯片对准键合装置 Download PDF

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CN105413769A
CN105413769A CN201510973898.5A CN201510973898A CN105413769A CN 105413769 A CN105413769 A CN 105413769A CN 201510973898 A CN201510973898 A CN 201510973898A CN 105413769 A CN105413769 A CN 105413769A
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顾志鹏
窦利燕
聂富强
李乃鹏
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SUZHOU WENHAO CHIP TECHNOLOGY Co Ltd
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SUZHOU WENHAO CHIP TECHNOLOGY Co Ltd
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    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

本申请公开了一种微流控芯片对准键合装置，包括支撑组件、芯片定位调节组件和CCD观测组件，芯片定位调节组件包括XYθ精密移动平台、面光源、透明支撑板和Z轴移动平台，面光源支撑固定于XYθ精密移动平台上，透明支撑板安装于Z轴移动平台上，透明支撑板位于面光源的正上方并与面光源相对设置，面光源的上表面和透明支撑板的下表面分别用于安装微流控芯片，CCD观测组件包括安装于支撑组件上的两个相同的观测装置，每个观测装置分别包括一CCD摄像头和一XYZ轴精密移动平台，XYZ轴精密移动平台安装于支撑组件上，CCD摄像头固定于XYZ轴精密移动平台上并位于透明支撑板的上方。本发明微流控芯片对准键合装置解决了手动对准芯片的误差问题。

Description

微流控芯片对准键合装置
技术领域
本申请涉及一种基于微流控芯片的对准键合技术，特别是涉及一种微流控芯片对准键合装置。
背景技术
微流控芯片技术(Microfluidics)是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。
PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)芯片，因其成本低，加工过程简单，而且具有良好的化学惰性等特点，成为广泛应用于微流控领域的聚合物材料。近年来PDMS芯片成为organ-on-chip等生物组织培养和检测领域的首选芯片。细胞或者组织培养常常需要芯片上具有3D的微结构，而传统加工方法很难加工具有3D结构的PDMS芯片，很难满足organ-on-chip等研究领域的需求。因此研究人员提出了把上下两片带有微结构的PDMS芯片键合在一起，形成3D结构的方法。PDMS芯片上的微结构通常在几微米到几十微米之间，即使借助显微镜，如果需要手动调节位置，也无法实现精确对准。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微流控芯片对准键合装置，通过两个CCD摄像头和精密调节平台，实现具有微结构的两层PDMS芯片的精准键合。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请实施例公开了一种微流控芯片对准键合装置，包括支撑组件、芯片定位调节组件和CCD观测组件，所述芯片定位调节组件和CCD观测组件安装于所述支撑组件上，所述芯片定位调节组件包括XYθ精密移动平台、面光源、透明支撑板和Z轴移动平台，所述面光源支撑固定于所述XYθ精密移动平台上，所述透明支撑板安装于Z轴移动平台上，所述透明支撑板位于所述面光源的正上方并与所述面光源相对设置，所述面光源的上表面和透明支撑板的下表面分别用于安装微流控芯片，所述CCD观测组件包括安装于支撑组件上的两个相同的观测装置，每个观测装置分别包括一CCD摄像头和一XYZ轴精密移动平台，所述XYZ轴精密移动平台安装于所述支撑组件上，所述CCD摄像头固定于所述XYZ轴精密移动平台上并位于所述透明支撑板的上方。
优选的，在上述的微流控芯片对准键合装置中，所述支撑组件包括水平设置的底板、以及安装于所述底板上表面上的支架，所述支架的顶端延伸有水平的支撑板，所述XYZ轴精密移动平台通过螺钉可拆卸安装于所述支撑板的上表面，所述芯片定位调节组件位于所述支撑板和底板之间。
优选的，在上述的微流控芯片对准键合装置中，所述Z轴移动平台可拆卸安装于所述支架的侧壁上，所述XYθ精密移动平台固定于所述底板的上表面。
优选的，在上述的微流控芯片对准键合装置中，所述面光源通过底部支撑架固定于XYθ精密移动平台上，所述底部支撑架上形成有U形的插槽，所述面光源的边缘对应可拆卸插置于所述U形的插槽内。
优选的，在上述的微流控芯片对准键合装置中，所述透明支撑板通过顶部支撑架固定于所述Z轴移动平台上，所述顶部支撑架包括U形的主体部，该主体部的内壁凹设形成插槽，所述透明支撑板的边缘对应插置于所述插槽内。
优选的，在上述的微流控芯片对准键合装置中，所述透明支撑板为双抛玻璃板。
优选的，在上述的微流控芯片对准键合装置中，每个所述观测装置还分别包括一个CCD定位栓、一个CCD定位杆和一个CCD定位头，所述CCD定位栓自所述XYZ轴精密移动平台的顶端水平延伸，所述CCD定位杆竖直设置，其两端分别与所述CCD定位栓的末端以及CCD定位头固定，所述CCD摄像头与所述CCD定位头可拆卸安装。
优选的，在上述的微流控芯片对准键合装置中，所述CCD定位头相对所述CCD定位杆可转动。
优选的，在上述的微流控芯片对准键合装置中，所述CCD定位栓沿其延伸方向阵列设置有多个螺孔。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.解决了手动对准芯片的误差问题；
2.两个摄像头的引入，减小了θ轴的对准误差，整体对准误差在10微米以下；
3.通过三个位移平台对准PDMS芯片，能够对准大尺寸的PDMS芯片；
4.设备操作简单，可扩展性强，能够对准PDMS/PDMS、PDMS/玻璃芯片、PDMS/PMMA等芯片；
5.设备对准和键合功能集成于一体。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请中记载的一些实施例，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所示为本发明具体实施例中微流控芯片对准键合装置的立体结构示意图；
图2所示为本发明具体实施例中微流控芯片对准键合装置的分解结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参图1和图2所示，微流控芯片对准键合装置，包括支撑组件1、芯片定位调节组件2和CCD观测组件3，芯片定位调节组件2和CCD观测组件3安装于支撑组件1上，芯片定位调节组件2包括XYθ精密移动平台201、面光源202、透明支撑板203和Z轴移动平台204，面光源202支撑固定于XYθ精密移动平台201上，透明支撑板203安装于Z轴移动平台204上，透明支撑板203位于面光源202的正上方并与面光源202相对设置，面光源202的上表面和透明支撑板203的下表面分别用于安装微流控芯片，CCD观测组件3包括安装于支撑组件上的两个相同的观测装置301，每个观测装置分别包括一CCD摄像头3011和一XYZ轴精密移动平台3012，XYZ轴精密移动平台3012安装于支撑组件1上，CCD摄像头3011固定于XYZ轴精密移动平台3012上并位于透明支撑板203的上方。
进一步地，支撑组件1包括水平设置的底板101、以及安装于底板上表面上的支架102，支架102的顶端延伸有水平的支撑板1021，XYZ轴精密移动平台3012通过螺钉可拆卸安装于支撑板1021的上表面，芯片定位调节组件2位于支撑板1021和底板101之间。Z轴移动平台204可拆卸安装于支架的侧壁上，XYθ精密移动平台201固定于底板101的上表面。
在该技术方案中，底板和支架优选为金属材质，二者可以通过螺丝连接，也可以加工成一体。其中底板上表面和支架的侧面都需要加工一些螺纹孔，以便于固定精密调节平台等。底板和支架材质不限于金属，还可以是强度较高的聚合物材质，如若采用聚合物材质，则需要增加底板的重量，避免使用过程中整体装置倾倒。
在该技术方案中，XYθ精密移动平台采用市售产品，60*60mm台面产品，但是不限于该尺寸。其它参数如下：移动方向：X、Y、θ轴一个自由度；行程：±12.5mm；导轨类型：V型交叉滚柱导轨；最小刻度:10um；精度：0.01mm。
进一步地，面光源202通过底部支撑架205固定于XYθ精密移动平台201上，底部支撑架205上形成有U形的插槽2051，面光源202的边缘对应可拆卸插置于U形的插槽2051内。
在该技术方案中，XYθ精密移动平台通过螺丝和底板连接，起到固定作用。平台之上固定一个底部支撑架，底部支撑架材质为金属或者聚合物材质。该底部支撑架加工有一个插槽2051，插槽2051尺寸和面光源的尺寸对应，从而将面光源固定于顶部支撑架之上，并且可以随时更换和清洁面光源。底部支撑架和面光源可以采用多种方式连接，包括螺丝和胶粘等等。光源采用市售LED面光源，亮度可以调节。
进一步地，透明支撑板203通过顶部支撑架206固定于Z轴移动平台204上，顶部支撑架206包括U形的主体部，该主体部的内壁凹设形成插槽，透明支撑板的边缘对应插置于插槽内。透明支撑板优选为双抛玻璃板。
在该技术方案中，顶部支撑架为金属或者聚合物材质材质，加工有插槽，其中插槽可以放置双抛玻璃，以便于双抛玻璃的更换和清洗。通常采用4英寸的双抛玻璃，但是只要保证双抛玻璃尺寸大于目标键合芯片尺寸即可。顶部支撑架通过顶部支撑架定位装置固定于Z轴精密移动平台，Z轴精密移动平台则固定于金属支架侧面，多个部件的连接全部采用螺丝。
进一步地，每个观测装置301还分别包括一个CCD定位栓3013、一个CCD定位杆3014和一个CCD定位头3015，CCD定位栓3013自XYZ轴精密移动平台的顶端水平延伸，CCD定位杆3014竖直设置，其两端分别与CCD定位栓3013的末端以及CCD定位头3015固定，CCD摄像头3011与CCD定位头3015可拆卸安装。
优选的，CCD定位头相对CCD定位杆可转动。CCD定位栓沿其延伸方向阵列设置有多个螺孔。通过螺孔可以根据需要调节CCD定位杆的位置。
在该技术方案中，采用市售的放大倍数200倍，500万像素的CCD摄像头。摄像头外缘尺寸为直径2.5cm，高度9cm，通过软件观测控制，简单易用。
摄像头和定位部分各有两套，通过两套摄像头可以减小单套摄像头在θ轴的对准误差。使用过程中通过调节XYZ轴精密平台，可以调节两个摄像头的相对位置，还可以调节摄像头和芯片的相对位置，以此解决底部XYθ精密移动平台工作距离有限的问题。
使用过程中，两片PDMS芯片加工有相应的微结构，需要对准。每个PDMS芯片加工有两个对准结构，分别对应两个CCD摄像头，两个对准结构的间距要类似于两个摄像头的间距，否则不利于观测；或者通过两个CCD摄像头观测PDMS芯片上不同位置的微结构，也需要保证两个微结构之间的间距和摄像头之间的间距类似。
使用过程中，芯片和CCD摄像头相对位置可以通过调节两个XYZ轴平台来实现对应，获得最佳观测视野和放大倍数。
两片具有对应结构的PDMS芯片，一片放置于面光源上部，一片利用PDMS芯片软质和吸附特性，黏贴于双抛玻璃板底部。其中双抛玻璃上的芯片通常是PDMS芯片，面光源上的芯片可以根据实际需求放置PDMS、PMMA或者玻璃芯片。
将两片PDMS芯片分别放置于面光源之上和双抛玻璃之下，通过软件显示两个CCD摄像头的观测画面，通过调节XYθ精密移动平台，带动底部PDMS芯片的位置变化，最终使上下两个PDMS芯片的微结构实现对准。此时，开始调节Z轴平台，将双抛玻璃下面的PDMS芯片和面光源上面的芯片实现对准贴合，完成两层芯片的对准。如果芯片已经经过等离子等处理手段，对准贴合同时也完成了芯片的键合。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种微流控芯片对准键合装置，其特征在于，包括支撑组件、芯片定位调节组件和CCD观测组件，所述芯片定位调节组件和CCD观测组件安装于所述支撑组件上，所述芯片定位调节组件包括XYθ精密移动平台、面光源、透明支撑板和Z轴移动平台，所述面光源支撑固定于所述XYθ精密移动平台上，所述透明支撑板安装于Z轴移动平台上，所述透明支撑板位于所述面光源的正上方并与所述面光源相对设置，所述面光源的上表面和透明支撑板的下表面分别用于安装微流控芯片，所述CCD观测组件包括安装于支撑组件上的两个相同的观测装置，每个观测装置分别包括一CCD摄像头和一XYZ轴精密移动平台，所述XYZ轴精密移动平台安装于所述支撑组件上，所述CCD摄像头固定于所述XYZ轴精密移动平台上并位于所述透明支撑板的上方。
2.根据权利要求1所述的微流控芯片对准键合装置，其特征在于：所述支撑组件包括水平设置的底板、以及安装于所述底板上表面上的支架，所述支架的顶端延伸有水平的支撑板，所述XYZ轴精密移动平台通过螺钉可拆卸安装于所述支撑板的上表面，所述芯片定位调节组件位于所述支撑板和底板之间。
3.根据权利要求2所述的微流控芯片对准键合装置，其特征在于：所述Z轴移动平台可拆卸安装于所述支架的侧壁上，所述XYθ精密移动平台固定于所述底板的上表面。
4.根据权利要求1所述的微流控芯片对准键合装置，其特征在于：所述面光源通过底部支撑架固定于XYθ精密移动平台上，所述底部支撑架上形成有U形的插槽，所述面光源的边缘对应可拆卸插置于所述U形的插槽内。
5.根据权利要求1所述的微流控芯片对准键合装置，其特征在于：所述透明支撑板通过顶部支撑架固定于所述Z轴移动平台上，所述顶部支撑架包括U形的主体部，该主体部的内壁凹设形成插槽，所述透明支撑板的边缘对应插置于所述插槽内。
6.根据权利要求1所述的微流控芯片对准键合装置，其特征在于：所述透明支撑板为双抛玻璃板。
7.根据权利要求1所述的微流控芯片对准键合装置，其特征在于：每个所述观测装置还分别包括一个CCD定位栓、一个CCD定位杆和一个CCD定位头，所述CCD定位栓自所述XYZ轴精密移动平台的顶端水平延伸，所述CCD定位杆竖直设置，其两端分别与所述CCD定位栓的末端以及CCD定位头固定，所述CCD摄像头与所述CCD定位头可拆卸安装。
8.根据权利要求7所述的微流控芯片对准键合装置，其特征在于：所述CCD定位头相对所述CCD定位杆可转动。
9.根据权利要求7所述的微流控芯片对准键合装置，其特征在于：所述CCD定位栓沿其延伸方向阵列设置有多个螺孔。
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