CN112939487B - 夹心式玻璃微流控芯片双面激光加工装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及夹心式玻璃微流控芯片双面激光加工装置及方法。本申请所述的夹心式玻璃微流控芯片双面激光加工装置包括：双层玻璃、金属粉末层、厚度控制板、夹持卡扣、密封贴以及激光发射器；所述双层玻璃之间形成有容纳间隙；所述金属粉末层平铺在该容纳间隙中；所述厚度控制板的截面形状呈梯形，两个所述厚度控制板分别安装在所述双层玻璃的两侧，所述梯形的斜边与所述容纳间隙配合紧密；所述容纳间隙的另两侧的其一粘贴有所述密封贴；所述夹持卡扣紧固夹持在所述双层玻璃上，并紧固夹持在所述容纳间隙对应的两侧。本申请所述的夹心式玻璃微流控芯片双面激光加工装置及方法具有结构简单且方便实现的优点。
Description
技术领域
本申请涉及加工装置及方法，特别是涉及夹心式玻璃微流控芯片双面激光加工装置及方法。
背景技术
微流控芯片集成了微米级流道、微孔等结构，可以反应化学试剂、分离细胞、检测病毒，广泛应用于化学、生物医疗等领域。硅基玻璃具有化学耐高温、耐腐蚀、性能稳定等优点，是制备微流道常用的高性能材料，但其加工难度大。微流道等结构常用的加工方法为化学蚀刻、机械磨削、热压印等方法。化学刻蚀微流道需要经过表面处理、涂光刻胶、光学曝光、显影等复杂工艺获得加工辅助模板，再通过氢氟酸腐蚀得到成形的微流道，整个过程繁琐、成本高且不环保；机械磨削加工玻璃微流道需要先制造磨具微尖端，控制刀具磨具与玻璃接触时的应力；热压印成型需要在玻璃热熔软化状态成型微结构，然后再冷却固化，很难微成型玻璃点转化温度高的玻璃。而通过激光加工，能够较好的解决上述问题，但是现有的激光加工微流道是通过高能激光束聚焦到材料，烧蚀出微纳结构。玻璃等透明材料需要昂贵的紫外激光器加工，成本较低的红外激光器很难直接加工透光性强的材料(例如玻璃)。
发明内容
基于此，本申请的目的在于，提供夹心式玻璃微流控芯片双面激光加工装置及方法，其具有结构简单且容易实现玻璃板的微结构加工的优点。
本申请的一方面，提供一种夹心式玻璃微流控芯片双面激光加工装置，包括双层玻璃、金属粉末层、厚度控制板、夹持卡扣、密封贴以及激光发射器；
所述双层玻璃之间形成有容纳间隙；
所述金属粉末层平铺在该容纳间隙中；
所述厚度控制板的截面形状呈梯形，两个所述厚度控制板分别安装在所述双层玻璃的两侧，所述梯形的斜边与所述容纳间隙配合紧密；
所述容纳间隙的另两侧的其一粘贴有所述密封贴；
所述夹持卡扣紧固夹持在所述双层玻璃上，并紧固夹持在所述容纳间隙对应的两侧；
所述激光发射器置于所述双层玻璃的一侧，并且所述激光发射器发出的激光束聚焦在金属粉末层上。
本申请所述的夹心式玻璃微流控芯片双面激光加工装置，通过控制夹在双层玻璃间金属粉末的成分及厚度，控制激光在金属粉末及双层玻璃表面温度场，同时在双层玻璃表面同时加工微流道。能同时对两块玻璃进行加工，两块玻璃的配合精度高。相比于现有的激光加工微结构方法，本装置和方法操作简单、效率高，有利于玻璃微流控芯片表面微结构大批量加工。
进一步地，所述双层玻璃包括两块透明玻璃板，两块所述透明玻璃板平行设置并且相对间隔，形成有所述容纳间隙；
所述夹持卡扣分别夹持在两个所述透明玻璃板的外侧；
所述厚度控制板的两个斜面分别抵接在两个所述透明玻璃板上；
所述密封贴粘贴在两个所述透明玻璃板上；
所述金属粉末层置于两个所述透明玻璃板之间的容纳间隙；
所述激光发射器置于其一所述透明玻璃板的一侧。
进一步地，还包括进料漏斗，该进料漏斗与所述容纳间隙连通；
所述进料漏斗置于所述双层玻璃的贴有所述密封贴的对侧。
进一步地，还包括振动平台，所述双层玻璃竖向放置在所述振动平台上，所述进料漏斗置于所述双层玻璃的上方。
进一步地，还包括紧固机构，所述双层玻璃平放在该紧固机构上，并与所述紧固机构安装紧固。
进一步地，所述紧固机构包括夹具底座、压块以及紧固螺栓；所述压块通过所述紧固螺栓紧固连接在所述夹具底座上，所述双层玻璃平放在所述夹具底座上，且所述双层玻璃的两侧分别通过所述压块压紧在所述夹具底座上。
进一步地，所述金属粉末层包括铜粉层、不锈钢粉层或者铁粉层。
进一步地，所述夹持卡扣的截面呈“C”字形，且所述夹持卡扣为金属卡扣。
本申请的一方面，提供一种夹心式玻璃微流控芯片双面激光加工方法，包括步骤：
设置上述任一方案所述的夹心式玻璃微流控芯片双面激光加工装置；
通过振动平台的振动，使得金属粉末从进料漏斗进入容纳间隙中，并形成所述金属粉末层；
通过旋转双层玻璃并平放在夹具底座上，发射激光并使激光束聚焦在金属粉末层内部，调节激光加工参数，金属粉末对激光能量吸收热熔，使得两块透明玻璃板加工出微结构。
进一步地，加工出微结构之后，通过稀盐酸或者稀硝酸清洗微结构表面。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本申请。
附图说明
图1为本申请示例性的夹心式玻璃微流控芯片双面激光加工装置的一种使用状态立体结构示意图；
图2为本申请示例性的夹心式玻璃微流控芯片双面激光加工装置的另一种使用状态主视图；
图3为本申请示例性的夹心式玻璃微流控芯片双面激光加工装置的一种状态的俯视图；
图4为本申请示例性的双层玻璃与厚度控制板的装配关系俯视示意图；
图5为使用本申请示例性的夹心式玻璃微流控芯片双面激光加工装置加工成型的微结构(微流道)的示意图。
具体实施方式
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图1为本申请示例性的夹心式玻璃微流控芯片双面激光加工装置的一种使用状态立体结构示意图；图2为本申请示例性的夹心式玻璃微流控芯片双面激光加工装置的另一种使用状态主视图；图3为本申请示例性的夹心式玻璃微流控芯片双面激光加工装置的一种状态的俯视图；图4为本申请示例性的双层玻璃与厚度控制板的装配关系俯视示意图；图5为使用本申请示例性的夹心式玻璃微流控芯片双面激光加工装置加工成型的微结构(微流道)的示意图。
请参阅图1-图5，本申请示例性的一种夹心式玻璃微流控芯片双面激光加工装置，包括双层玻璃3、金属粉末层1、厚度控制板4、夹持卡扣5、密封贴7以及激光发射器12；
所述双层玻璃3之间形成有容纳间隙；
所述金属粉末层1平铺在该容纳间隙中；
所述厚度控制板4的截面形状呈梯形，两个所述厚度控制板4分别安装在所述双层玻璃3的两侧，所述梯形的斜边与所述容纳间隙配合紧密；
所述容纳间隙的另两侧的其一粘贴有所述密封贴7；
所述夹持卡扣5紧固夹持在所述双层玻璃3上，并紧固夹持在所述容纳间隙对应的两侧；
所述激光发射器12置于所述双层玻璃3的一侧，并且所述激光发射器12发出的激光束11聚焦在金属粉末层1上。通过调节厚度控制板4与双层玻璃3的相对深度，从而调节双层玻璃3的间距，进而实现容纳间隙的宽度的调节。
在一些优选实施例中，所述双层玻璃3包括两块透明玻璃板，两块所述透明玻璃板平行设置并且相对间隔，形成有所述容纳间隙；
所述夹持卡扣5分别夹持在两个所述透明玻璃板的外侧；
所述厚度控制板4的两个斜面分别抵接在两个所述透明玻璃板上；
所述密封贴7粘贴在两个所述透明玻璃板上；
所述金属粉末层1置于两个所述透明玻璃板之间的容纳间隙；
所述激光发射器12置于其一所述透明玻璃板的一侧。
厚度控制板4的截面呈梯形，梯形的两个斜边分别与两个对应的透明玻璃板抵接，通过调节厚度控制板4相对容纳间隙的深度，从而调节两个透明玻璃板的相对间距，进而调节容纳间隙的厚度。
在一些优选实施例中，透明玻璃板为超白玻璃、K9光学玻璃或者石英玻璃等透明硬脆材质，其厚度为1-3mm。
在一些优选实施例中，厚度控制板4为金属箔、聚合物等材质。
在一些优选实施例中，还包括进料漏斗2，该进料漏斗2与所述容纳间隙连通；
所述进料漏斗2置于所述双层玻璃3的贴有所述密封贴7的对侧。
在一些优选实施例中，还包括振动平台6，所述双层玻璃3竖向放置在所述振动平台6上，所述进料漏斗2置于所述双层玻璃3的上方。
在一些优选实施例中，所述振动平台6的振动方式为超声波振动或机械振动。进一步，振动平台6的振动频率范围为1kHz-60kHz，功率为3-50W，振动时长为8s-12s。
在一些优选实施例中，激光发射器12为红外激光器。
在一些优选实施例中，还包括紧固机构，所述双层玻璃3平放在该紧固机构上，并与所述紧固机构安装紧固。
在一些优选实施例中，所述紧固机构包括夹具底座8、压块9以及紧固螺栓10；所述压块9通过所述紧固螺栓10紧固连接在所述夹具底座8上，所述双层玻璃3平放在所述夹具底座8上，且所述双层玻璃3的两侧分别通过所述压块9压紧在所述夹具底座8上。
在一些优选实施例中，所述金属粉末层1包括铜粉层、不锈钢粉层或者铁粉层。
在一些优选实施例中，所述夹持卡扣5的截面呈“C”字形，且所述夹持卡扣5为金属卡扣。
在一些优选实施例中，夹持卡扣的中部形成凸部，该凸部抵接在所述厚度控制板上。
本申请示例性的一种夹心式玻璃微流控芯片双面激光加工方法，包括步骤：
设置上述任一方案所述的夹心式玻璃微流控芯片双面激光加工装置；
通过振动平台6的振动，使得金属粉末从进料漏斗2进入容纳间隙中，并形成所述金属粉末层1；
通过旋转双层玻璃3并平放在夹具底座8上，发射激光并使激光束11汇聚在金属粉末层1内部，调节激光加工参数，金属粉末对激光能量吸收热熔，使得两块透明玻璃板加工出微结构13。
在一些优选实施例中，加工出微结构13之后，通过稀盐酸或者稀硝酸清洗微结构13表面。进一步的，然后，把加工完成的透明玻璃板依次放入酒精、蒸馏水等溶液中清洗。
在一些优选实施例中，所述金属粉末层1的厚度为100-300μm，根据加工玻璃熔点进行调节；当透明玻璃板为高熔点玻璃，需要适当增加金属粉末厚度，激光能量才能在靠下面的金属玻璃板上加工出微结构13。
在一些优选实施例中，所述透明玻璃板为K9玻璃等低熔点透明材料时，激光加工参数为：激光功率为1-20W，扫描速度200mm/s-900mm/s，功率百分比为10％-60％，频率20kHz-40kHz；加工次数为1-30次。
所述透明玻璃板为石英玻璃等高熔点透明材料时，激光加工参数为：激光功率为3-30W，扫描速度为100mm/s-500mm/s，功率为50％-95％，频率20kHz-40kHz；加工次数为10-25次。
在一些优选实施例中，金属粉末为铜粉、不锈钢粉、铁粉等对激光能量吸收率大的粉末，粉末粒度直径为1-10μm；粉末可以为干粉，也可以为湿粉。
在一些优选实施例中，封装时可以将上下两块透明玻璃板的微结构13对齐后一起封装，形成一个微流控芯片；也可以将上下两块透明玻璃板，分别覆盖表面平整的玻璃封装成两片微流控芯片，封装方法可以采用固化胶、静电键合、热压等方法。
本申请示例性的夹心式玻璃微流控芯片双面激光加工装置的工作原理：
其一、装粉末。如图1，双层玻璃3竖放，通过进料漏斗2将金属粉末填充进双层玻璃3的容纳间隙中，此时，容纳间隙的左右两侧分别通过厚度控制板4密封，并且可通过厚度控制板4调节双层玻璃3的间隙宽度；调节好间隙宽度后通过夹持卡扣5将双层玻璃3夹紧。容纳间隙的底部粘贴有密封贴7，从而使得容纳间隙的左右下三个方向都被密封紧密；通过振动平台6的振动，使得金属粉末容易进入容纳间隙，并且填充满。同时，完成金属粉填充后可以在容纳间隙的顶部粘贴密封贴7，从而将容纳间隙的四周密封。
其二、激光加工。如图2，填充完成的双层玻璃3，移走进料漏斗2，贴上密封贴7使得容纳间隙四周密封。然后将双层玻璃3平放(或者卧放)，激光发射器12置于双层玻璃3的上方，双层玻璃3通过压板夹紧固定在夹具底座8上。激光发射器12的激光束11汇聚，并且能量对准金属粉末层1中部，金属粉末吸收激光能量，使得金属粉末熔化，进而热熔上下两块透明玻璃板，从而加工出微结构。
其三、清洗封装。加工完成后，通过酸液清洗和除去微结构表面的金属粉末，再使用酒精或者蒸馏水冲洗，得到具有微结构的洁净的玻璃板，通过封装，最终得到微流控芯片。形成的微流道的结构图案如图4所示。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。
Claims (8)
1.一种夹心式玻璃微流控芯片双面激光加工装置，其特征在于：包括双层玻璃、金属粉末层、厚度控制板、夹持卡扣、密封贴以及激光发射器；
所述双层玻璃之间形成有容纳间隙；
所述金属粉末层平铺在该容纳间隙中；
所述厚度控制板的截面形状呈梯形，两个所述厚度控制板分别安装在所述双层玻璃的两侧，所述梯形的斜边与所述容纳间隙配合紧密；
所述容纳间隙的另两侧的其一粘贴有所述密封贴；
所述夹持卡扣紧固夹持在所述双层玻璃上，并紧固夹持在所述容纳间隙对应的两侧；
所述激光发射器置于所述双层玻璃的一侧，并且所述激光发射器发出的激光束聚焦在金属粉末层上；
还包括进料漏斗，该进料漏斗与所述容纳间隙连通；
所述进料漏斗置于所述双层玻璃的贴有所述密封贴的对侧；
还包括振动平台，所述双层玻璃竖向放置在所述振动平台上，所述进料漏斗置于所述双层玻璃的上方；
所述振动平台的振动方式为超声波振动或机械振动；振动平台的振动频率范围为1kHz-60kHz，功率为3-50W，振动时长为8s-12s。
2.根据权利要求1所述的夹心式玻璃微流控芯片双面激光加工装置，其特征在于：所述双层玻璃包括两块透明玻璃板，两块所述透明玻璃板平行设置并且相对间隔，形成有所述容纳间隙；
所述夹持卡扣分别夹持在两个所述透明玻璃板的外侧；
所述厚度控制板的两个斜面分别抵接在两个所述透明玻璃板上；
所述密封贴粘贴在两个所述透明玻璃板上；
所述金属粉末层置于两个所述透明玻璃板之间的容纳间隙；
所述激光发射器置于其一所述透明玻璃板的一侧。
3.根据权利要求2所述的夹心式玻璃微流控芯片双面激光加工装置，其特征在于：还包括紧固机构，所述双层玻璃平放在该紧固机构上，并与所述紧固机构安装紧固。
4.根据权利要求3所述的夹心式玻璃微流控芯片双面激光加工装置，其特征在于：所述紧固机构包括夹具底座、压块以及紧固螺栓；所述压块通过所述紧固螺栓紧固连接在所述夹具底座上，所述双层玻璃平放在所述夹具底座上，且所述双层玻璃的两侧分别通过所述压块压紧在所述夹具底座上。
5.根据权利要求1-4任一项所述的夹心式玻璃微流控芯片双面激光加工装置，其特征在于：所述金属粉末层包括铜粉层、不锈钢粉层或者铁粉层。
6.根据权利要求1-4任一项所述的夹心式玻璃微流控芯片双面激光加工装置，其特征在于：所述夹持卡扣的截面呈“C”字形，且所述夹持卡扣为金属卡扣。
7.一种夹心式玻璃微流控芯片双面激光加工方法，其特征在于，包括步骤：
设置权利要求1-6任一项所述的夹心式玻璃微流控芯片双面激光加工装置；
通过振动平台的振动，使得金属粉末从进料漏斗进入容纳间隙中，并形成所述金属粉末层；
通过旋转双层玻璃并平放在夹具底座上，发射激光并使激光汇聚在金属粉末层内部，调节激光加工参数，金属粉末对激光能量吸收热熔，使得两块透明玻璃板加工出微结构。
8.根据权利要求7所述的夹心式玻璃微流控芯片双面激光加工方法，其特征在于：加工出微结构之后，通过稀盐酸或者稀硝酸清洗微结构表面。
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