采用准分子激光制备高聚物基生物芯片微流路结构的方法和系统技术方案

准分子激光制备高聚物基生物芯片微流路结构的方法和系统属激光微细加工技术领域，方法包括：确定光斑面积；设置工作电压；根据微流路的尺寸及横截面形状设定加工参数和掩模图案；根据微流路结构绘制图并将生成数据文件存储以备调用；读取数据文件和加工参数检测后驱动工作台和激光器工作完成基片加工；按以上步骤或常规打孔加工盖片；键合基片与盖片。系统包含：控制计算机１及其控制的准分子激光器２和驱动电机７，驱动电机７控制的工作台８以及在工作台８上放置工件６，准分子激光器２出射光束用反射镜３来改变光路，通过掩模旋转台４和成像物镜５在工件６上进行加工。本发明专利技术实现了生物芯片快速成型，提高加工的灵活性、可靠性，降低生产成本。

【技术实现步骤摘要】

采用准分子激光制备高聚物基生物芯片微流路结构的方法和系统属激光微细加工
，主要涉及以高聚物为基体的微流路类生物芯片上微流路加工。
技术介绍
生物芯片技术是90年代初期以来发展的一项新兴技术。它是分子生物学和微电子、微加工、微机械等学科的交叉产物。生物芯片的实质就是缩小了的生物化学分析器，通过微加工技术制成的生物芯片，将微米结构与生物化学处理结合集成到一个很小的氧化硅、玻璃或塑料等材质制成的芯片上。最初的生物芯片主要是用于DNA序列检测、基因表达谱鉴定等方面的点阵形式的芯片因此也称为基因芯片，目前生物芯片的研究正注重于微流路类芯片，其主要类型有PCR微流控芯片、CE电泳芯片，主要特征为将由在基片上刻蚀的微流路构成的容量仅为纳升级的微流路结构单元与各种电子控制单元、检测单元相结合，从而实现相应的集成生化分析功能。芯片中微流路的尺寸及表面形态特征将直接影响到生化反应的结果。因此在微流路芯片的制作过程中，主要用于微流路部分制作微加工技术是该项研究中的关键。以往人们通常采用硅、玻璃等集成电路中广泛采用的材料来制做微流路芯片，尽管硅的微加工已经比较方便和成熟，而且具有很好的热传导性，但是这些材料与实验中所用生物样品的兼容性差，而且它们的光学和电学性质也限制了它们在微流路芯片中的进一步应用。而与之相比，高聚物有机材料则具有与生物样液兼容性好，较好的生物结合性能，热隔离型好，并且可在生物体内自动降解并通过体液循环排除，电绝缘性等优点。同时高聚物材料造价低廉，有利于实现低成本可抛弃型的生物芯片的制造。因此，越来越多的研究者开始关注采用高聚物有机材料作为生物芯片的基质。目前，以硅、玻璃为基体生物芯片主要采用的加工方法有光刻、湿法化学刻蚀、电化学腐蚀、反应离子刻蚀等。但是这些方法只能局限于上述硅、玻璃等集成电路中广泛采用的材料，而且需要经过涂胶、曝光、显影、定影、晒板等多道工序，因此加工时间长，工艺复杂，要求操作程度高。难以适应芯片大批量生产和降低成本的要求。此外，目前针对高聚物的生物芯片的加工方法主要有热压法、注塑法、压印法等，这些方法需要依靠模具，加工灵活性差。无法满足不同结构的微流路类生物芯片快速发展的需求。针对上述方法存在的缺陷，并考虑到准分子激光光子能量高适于刻蚀聚合物的特性，我们提出了利用准分子激光微细加工技术与CAD/CAM技术相结合的加工高聚物基生物芯片上微流路的新方法，该方法不但便捷、快速而且保证了良好的加工效果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种准分子激光制备高聚物基生物芯片微流路结构的方法及系统基于生物芯片中微流路结构绘制的CAD图形所生成的数据文件和准分子激光微细加工系统，实现了微流路类生物芯片的快速成型，提高加工的灵活性、可靠性和降低生产成本。本专利技术的技术思路为(1)将工件置于工作台上，在工作台Z轴方向运动范围内任意设定Z轴的位置，即设定放置于工作台上的工件与物镜之间的距离来确定工件表面的激光光斑面积；(2)根据已经确定的激光光斑面积和已知的材料的阈值能量密度、掩模图案的面积，得到阈值工作电压；根据这一阈值，当工件上的激光能量密度高于阈值能量密度时才能对材料实现刻蚀的原理设置工作电压；(3)根据通过公式确定工件表面的激光能量密度以及刻蚀率；(4)根据生物芯片中通常采用的微流路的尺寸及横截面形状，来设定加工参数和掩模图案，加工参数中包含工作台运动的速度、激光器触发脉冲频率和个数，微流路横截面的图案由所选取的掩模图案决定；(5)根据所要加工的生物芯片的微流路结构，利用AUTOCAD软件绘制结构图，并将图形文件生成包含有在X-Y两个方向上运动距离和运动路线信息的dat格式的数据文件，存储该文件以备调用；(6)读取数据文件获取X、Y轴的运动距离和运动路线，将它们和设置的加工参数进行检测后通过控制计算机驱动微加工工作台和激光器按设定的运动距离和运动路线、掩模图案和参数工作，实现基片上微流路结构的加工；(7)根据基片上微流路的起点和终点的位置，按以上步骤在盖片的对应位置以准分子激光刻蚀或者用常规的打孔方法加工用于注射和出射液体的过孔，完成对盖片的加工； (8)按照现有的高聚物材料的键合方法，将加工好的基片与盖片键合，形成完整的密封的微流路结构，完成本专利技术生物芯片微流路结构的制作。采用准分子激光的高聚物基的生物芯片微流路结构的制备方法，其基本原理为利用准分子激光具有的很高的光子能量，高于部分聚合物的结合键能的特性。基于这一性质，在准分子激光辐射的范围之内，高聚物材料的工件由于吸收光子，在光子流量超过阈值后实现有效的光解导致化学键的断裂。当断键的数量不断增加，生成的碎片达到一定的浓度时，被刻蚀材料体内的压力和温度急剧升高，导致体爆炸的发生，使得碎片离开基体，形成刻蚀。因此准分子激光加工被看作是一种冷加工，能够得到平滑的刻蚀表面。再配合上工作台即工件位置的移动，便可实现不同形状和参数的微流路的加工。微流路横截面形状的控制可以通过更换掩模而方便实现。微流路中流路的深度及表面质量可通过改变激光能量、激光脉冲频率、工作台移动速度这些加工参数来控制。本专利技术方法的具体步骤为(1)将被加工工件置于工作台上，并与激光光束对准，在工作台Z轴方向运动范围内任意设定Z轴的位置，确定工件与物镜间的距离，从而确定工件表面上的光斑面积S；(2)根据公式①可以计算出F0*激光出射的阈值能量密度，F0/F0*＝S*/S①其中F0工件材料的阈值能量密度；F0*激光出射的阈值能量密度；S工件表面的激光光斑面积；S*掩模图案的面积且F0工件材料的阈值能量密度由工件材料本身决定，(3)根据公式②可以计算阈值激光出射能量E0E0＝F0*S0②，从而得到相应的阈值工作电压；(4)根据这一阈值工作电压，当工件材料上的激光能量密度高于阈值能量密度时才能对材料实现刻蚀的原理，设置激光大于阈值工作电压的工作电压，从而得到相应的激光出射能量E；(5)根据公式③F*＝E/S0③其中F*是由激光出射能量E和激光出射光斑面积S0决定的；激光出射光斑面积S0是由激光器本身决定， (6)根据公式F/F*＝S*/S④计算出工件材料表面的激光能量密度F；其中F工件材料表面的激光能量密度；F*出射激光的能量密度；S工件表面的激光光斑面积；S*掩模图案的面积工件表面的激光能量密度F由激光器工作电压和工件表面的激光光斑面积决定，(7)根据刻蚀率公式⑤可以计算出刻蚀率xf；xf＝ln(F/F0)/α⑤其中xf刻蚀率；F工件表面的激光能量密度；F0工件材料的阈值能量密度；α工件材料对激光的吸收系数F0和α由所采用的工件材料和激光波长确定；(8)根据生物芯片中通常采用的微流路的尺寸及横截面形状，来设定加工参数和掩模图案，加工参数中包含工作台运动的速度、激光器触发脉冲频率和个数，微流路横截面的图案由所选取的掩模图案决定；根据h、xf和公式⑥确定出n，n＝h/xf⑥其中n每一加工处所需刻蚀的脉冲个数；h所要加工的微流路的深度；根据已知的l值代入公式⑦计算出f/v的值，根据这一关系选择适合的激光频率和工作台移动速度数值；f的工作范围由激光器本身决定，v的工作范围由工作台本身决定的；n＝6*1*f/v⑦l所使用掩模的长度；f激光脉冲频率；v工作台移动速度根据加工要求的微本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用准分子激光制备高聚物基生物芯片微流路结构的方法，其特征在于，它包括以下步骤：（１）将被加工工件置于工作台上，并与激光光束对准，在工作台Ｚ轴方向运动范围内任意设定Ｚ轴的位置，确定工件与物镜间的距离，从而确定工件表面上的光斑面积 Ｓ；（２）根据公式①可以计算出Ｆ↓［０］↑［＊］：激光出射的阈值能量密度，Ｆ↓［０］／Ｆ↓［０］↑［＊］＝Ｓ↑［＊］／Ｓ①其中Ｆ↓［０］：工件材料的阈值能量密度；Ｆ↓［０］↑［＊］：激光出射的阈值能量密度；　 　Ｓ：工件表面的激光光斑面积；Ｓ↑［＊］：掩模图案的面积且Ｆ↓［０］：工件材料的阈值能量密度由工件材料本身决定，（３）根据公式②可以计算阈值激光出射能量Ｅ↓［０］Ｅ↓［０］＝Ｆ↓［０］↑［＊］Ｓ↓［０］　②，从而 得到相应的阈值工作电压；（４）根据这一阈值工作电压，当工件材料上的激光能量密度高于阈值能量密度时才能对材料实现刻蚀的原理，设置激光大于阈值工作电压的工作电压，从而得到相应的激光出射能量Ｅ；（５）根据公式③Ｆ↑［＊］＝ Ｅ／Ｓ↓［０］　③其中Ｆ↑［＊］是由激光出射能量Ｅ和激光出射光斑面积Ｓ↓［０］决定的；激光出射光斑面积Ｓ↓［０］是由激光器本身决定，（６）根据公式Ｆ／Ｆ↑［＊］＝Ｓ↑［＊］／Ｓ④计算出工件材料表面的激光能量密 度Ｆ；其中Ｆ：工件材料表面的激光能量密度；Ｆ↑［＊］：出射激光的能量密度；Ｓ：工件表面的激光光斑面积；Ｓ↑［＊］：掩模图案的面积工件表面的激光能量密度Ｆ由激光器工作电压和工件表面的激光光斑面积决定，（７）根据 刻蚀率公式⑤可以计算出刻蚀率ｘ↓［ｆ］；ｘ↓［ｆ］＝ｌｎ（Ｆ／Ｆ↓［０］）／α⑤其中：ｘ↓［ｆ］：刻蚀率；Ｆ：工件表面的激光能量密度；Ｆ↓［０］：工件材料的阈值能量密度；α：工件材料对激光的吸收系数Ｆ↓［ ０］和α由所采用的工件材料和激光波长确定；（８）根据生物芯片中通常采用的微流路的尺寸及横截面形状，来设定加工参数和掩模图案，加工参数中包含工作台运动的速度、激光器触发脉冲频率和个数，微流路横截面的图案由所选取的掩模图案决定； 根据ｈ、ｘ↓［ｆ］和公式⑥确定出ｎ，ｎ＝ｈ／ｘ↓［ｆ］⑥其中ｎ：每一加工处所需刻蚀的脉冲个数；ｈ：所要加工的微流路的深度；根据...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：左铁钏，张瑜，陈涛，刘世炳，姚李英，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]