基于激光同步雕刻和切割的聚合物微流控芯片制备方法技术

本发明专利技术属微流控芯片技术领域，具体为一种基于激光同步雕刻和切割的聚合物微流控芯片制备方法。本发明专利技术采用计算机辅助设计软件设计芯片结构，包括芯片外部轮廓、通道和溶液连接孔，设计文件存为激光雕刻切割软件可读格式后导入，设置溶液连接孔为第一图层，通道为第二图层，芯片外部轮廓为第三图层，通过设置一定的激光功率和移动速度对聚合物板的三层分别进行切割和雕刻，加工得到微流控芯片基片；然后将微流控芯片基片有通道的一面与一片经激光切割加工的同尺寸同材质的盖片面对面合上，经热压封装后得聚合物微流控芯片成品。本发明专利技术方法可大大加快芯片加工速度，提高加工效率，且操作简便，成本低廉。

Fabrication of polymer microfluidic chip based on laser synchronous engraving and cutting

【技术实现步骤摘要】
基于激光同步雕刻和切割的聚合物微流控芯片制备方法
本专利技术属微流控芯片
，具体涉及一种基于激光同步雕刻和切割的聚合物微流控芯片制备方法。
技术介绍
微流控芯片是当前微全分析系统发展的重点，其以微管道网络为结构特征，可把化学、生化等实验室常用的采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等功能，集成在可多次使用的几个平方厘米大小的微芯片上，具有广泛的适用性。自从1990年首次提出微型全分析系统以来，微流控芯片就以其高效、快速、试剂用量少、低耗及集成度高等优点引起了国内外有关领域的广泛关注，在生物医药、食品药品分析、临床诊断、环境监测等领域显示了良好的应用前景，目前制约其广泛应用的瓶颈之一就是其较高的价格和较低的产量。微流控芯片有着十分光明的应用前景和巨大的市场需求，由于其独特的技术优势，建立其批量低成本快速加工新技术势在必行。目前，制备微流控芯片的材料有玻璃、硅、石英和聚合物等，玻璃、硅和石英芯片通常采用光刻与化学刻蚀相结合的方法进行制备，加工技术和设备要求高，价格比较昂贵，难以采用模具大批量生产，限制了其广泛应用。于是，近年来聚合物微流控芯片得到了广泛发展和重视，其可使用模具通过压印、注塑和浇铸等技术低成本批量生产。用于加工微流控芯片的聚合物有聚二甲基硅氧烷、有机玻璃、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯等，其中有机玻璃和聚二甲基硅氧烷是两种较常用的聚合物材料。微流控芯片是建立多组分、高通量和低成本检测技术的理想平台，可与手机、智能手表、平板电脑等移动智能设备联用，显示了巨大的市场前景。其潜在的应用领域包括临床诊断、生物医药分析、疾病筛查、食品药品分析和环境监测等，实际应用中需要大量多功能和低成本的高质量微流控芯片，聚合物微流控芯片由于可批量低成本加工，在一次性多功能快速检验方面具有广阔的应用前景。聚合物微流控芯片的常用加工技术主要有热压、注塑和浇铸等，对芯片模具的机械强度要求较高，使用的硅阳膜或金属阳膜采用微机电加工技术制作，而且单片加工时间较长（通常30分钟以上），需要使用较高的压力，对模具损伤大，加工成本较高。鉴于目前聚合物微流控芯片加工存在的问题，建立简便、快速和低成本的聚合物微流控芯片加工新技术具有十分重要的实际意义。激光雕刻和切割技术是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现工件的雕刻和切割。激光雕刻和切割技术具有精度高、切缝窄、切割面光滑、速度快、非接触加工不损伤工件等优点，不需模具，节省材料，缩短了产品制造周期，大幅节省了加工费用。其中二氧化碳激光雕刻切割技术适合非金属材料的雕刻和切割，在聚合物微流控芯片加工中具有得天独厚的技术优势。二氧化碳激光雕刻切割机是光、机、电一体化设备，其常用的二氧化碳激光器是一支长约1米左右的放电管，产生的激光波长通常为10.6微米，通过计算机化数字控制技术（CNC）控制X和Y轴步进电机和导轨，使聚焦的激光束与材料沿一定轨迹作相对运动，从而形成一定形状的刻缝或切缝。鉴于激光雕刻和切割技术的这些优点，我们将其用于聚合物微流控芯片的快速加工，开展了深入研究，成功建立了一种基于激光同步雕刻和切割的聚合物微流控芯片制备新方法。本专利技术采用计算机辅助设计软件设计微流控芯片的外部轮廓、通道结构和溶液连接孔，通过在聚合物板上激光切割溶液连接孔、激光雕刻微流通道和激光切割芯片的外部轮廓，可制备微流控芯片基片，与同尺寸同材质的盖片经封装后可得聚合物微流控芯片成品。该芯片加工技术具有加工速度快（单块基片加工时间为10至30秒）、操作简便和成本低的优点，芯片成形工艺容易自动化，在聚合物微流控芯片的批量低成本生产方面有良好的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种能够大幅降低加工时间并提高芯片加工质量的基于激光同步雕刻和切割的聚合物微流控芯片制备方法。本专利技术提出的基于激光同步雕刻和切割的聚合物微流控芯片制备方法，具体步骤为：（1）采用计算机辅助设计软件设计芯片结构，包括芯片外部轮廓、通道和溶液连接孔，将设计文件存为激光雕刻切割机控制软件可读格式；其中，溶液连接孔包括1个进样溶液孔，3个缓冲溶液孔，通道包括进样通道和分离通道；这里，进样溶液孔、缓冲溶液孔、进样通道、分离通道等之间的位置关系与大小尺寸，根据需要设计；（2）上述设计文件导入激光雕刻切割机控制软件，设置溶液连接孔1-4（其中，1为进样溶液孔，2-4为缓冲溶液孔）为第一图层，通过设定较高的激光功率（20-60瓦）和较低的激光移动速度（10-30毫米/秒）对聚合物板材进行切割；设置进样通道5和分离通道6为第二图层，通过设定较低的激光功率（1-15瓦）和较高的激光移动速度（30-60毫米/秒）雕刻通道；设置芯片外部轮廓7为第三图层，通过设定较高的激光功率（20-60瓦）和较低的激光移动速度（10-30毫米/秒）进行切割，设置的图层顺序加工文件可保存为激光加工工程文件，可供后续直接调取使用。聚合物板依次经上述第一图层至第三图层三步加工（切割、雕刻和切割），得到聚合物微流控芯片基片8；该芯片基片上，进样通道和分离通道以单十字形式交叉，并且溶液连接孔分别与对应通道连通；参见图1所示；（3）采用计算机辅助设计软件设计微流控芯片盖片外部轮廓，尺寸与微流控芯片基片8一致，将设计文件存为激光雕刻切割机控制软件可读格式，导入激光雕刻切割机控制软件，通过设定较高的激光功率（20-60瓦）和较低的激光移动速度（10-30毫米/秒）对聚合物板进行切割，得到微流控芯片盖片；（4）聚合物微流控芯片基片8有通道的一面与步骤（3）中经激光切割加工的同尺寸同材质的盖片面对面合上，经热压封装后得到聚合物微流控芯片成品。本专利技术步骤（2）和（3）中，聚合物微流控芯片加工使用的是二氧化碳激光雕刻切割机（[1]，[2]），该雕刻切割机主要由机械平台、光学系统、控制系统、辅助系统和激光雕刻切割软件组成。机械平台由两个X和Y轴步进电机推动的机械导轨控制激光聚焦头的移动；而光学系统包括二氧化碳激光管、激光电源、3个反射镜和1个聚焦头；控制系统由高速DSP控制卡、2个开关电源和2个步进电机驱动器组成，激光雕刻切割软件LaserCut软件可通过高速DSP控制卡可控制聚焦头的移动轨迹和速度，还可通过控制激光管电流控制激光输出功率；辅助系统包括激光管循环冷却水泵、吹气压缩泵和抽排烟风机。本专利技术中步骤(2)中，用于激光同步雕刻和切割制备聚合物微流控芯片的材料为热塑性塑料，具体可选自有机玻璃、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚乳酸、聚对苯二甲酸乙二醇酯、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、聚氨酯等。本专利技术中步骤(2)中，所述聚合物微流控芯片通道为锥形深度为10~800微米，上部宽度50~500微米。借助激光雕刻的技术优势，加工的通道深宽比较高。本专利技术步骤（2）中，聚合物微流控芯片基片上通道末端位置的溶液连接孔为直径1~3毫米的圆形小孔。本专利技术提出的基于激光同步雕刻和切割的聚合物微流控芯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于激光同步雕刻和切割的聚合物微流控芯片制备方法，其特征在于，具体步骤为：/n（1）采用计算机辅助设计软件设计芯片结构，包括芯片外部轮廓、通道和溶液连接孔，设计文件存为激光雕刻切割软件可读格式；其中，溶液连接孔包括1个进样溶液孔，3个缓冲溶液孔，通道包括进样通道和分离通道；/n（2）上述设计文件导入激光雕刻切割软件，设置溶液连接孔为第一图层，通过设定20-60瓦激光功率和10-30毫米/秒激光移动速度对聚合物板进行切割；设置进样通道和分离通道为第二图层，通过设定1-15瓦激光功率和30-60毫米/秒激光移动速度雕刻通道；设置芯片外部轮廓为第三图层，通过设定20-60瓦激光功率和10-30毫米/秒激光移动速度进行切割；聚合物板依次经上述第一图层至第三图层三步加工后得到聚合物微流控芯片基片；/n（3）采用计算机辅助设计软件设计微流控芯片盖片外部轮廓，盖片尺寸与微流控芯片基片一致，将设计文件存为激光雕刻切割机控制软件可读格式，导入激光雕刻切割机控制软件，通过设定20-60瓦的激光功率和10-30毫米/秒的激光移动速度对聚合物板进行切割，得到微流控芯片盖片；/n（4）聚合物微流控芯片基片有通道的一面与步骤（3）中经激光切割加工的同尺寸同材质的盖片面对面合上，经热压封装后得到聚合物微流控芯片成品。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于激光同步雕刻和切割的聚合物微流控芯片制备方法，其特征在于，具体步骤为：
（1）采用计算机辅助设计软件设计芯片结构，包括芯片外部轮廓、通道和溶液连接孔，设计文件存为激光雕刻切割软件可读格式；其中，溶液连接孔包括1个进样溶液孔，3个缓冲溶液孔，通道包括进样通道和分离通道；
（2）上述设计文件导入激光雕刻切割软件，设置溶液连接孔为第一图层，通过设定20-60瓦激光功率和10-30毫米/秒激光移动速度对聚合物板进行切割；设置进样通道和分离通道为第二图层，通过设定1-15瓦激光功率和30-60毫米/秒激光移动速度雕刻通道；设置芯片外部轮廓为第三图层，通过设定20-60瓦激光功率和10-30毫米/秒激光移动速度进行切割；聚合物板依次经上述第一图层至第三图层三步加工后得到聚合物微流控芯片基片；
（3）采用计算机辅助设计软件设计微流控芯片盖片外部轮廓，盖片尺寸与微流控芯片基片一致，将设计文件存为激光雕刻切割机控制软件可读格式，导入激光雕刻切割机控制软件，通过设定20-60瓦的激光功率和10-30毫米/秒的激光移动速度对聚合物板进行切割，得到微流控芯片盖片；<...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈刚，陈畅一，路滨宇，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31