本发明专利技术提出一种新的原位成型式光学微透镜的激光微制造装置及方法，属于生物学、分析化学及医学检测等领域。该套装置与方法将紫外固化光学胶从一定高度释放，滴落在芯片原定位置上，即生物芯片微光谱检测系统的光激发单元和光检测单元的滤光片上，用一定功率的紫外激光照射一定的时间，将光学胶液滴固化成吻合设计形状的光学微透镜。本发明专利技术的本质是在需要微透镜的微点平面上直接原位成型光学系统所要求的非球曲面光学微透镜，不需要任何模具或掩模等微尺度辅助工具，避免了传统方法的两大技术难题，方法简单、制作速度快、成本低、适合批量生产。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术提出一种新的，主要用于制造生物芯片微光谱检测系统的光激发单元和光检测单元的滤光片上面的微透镜，达到提高被测物所激发荧光的聚焦效率和提高生物芯片中微光谱检测灵敏度目的，属于生物学和分析化学及医学检测领域。
技术介绍
微生物芯片是近年来在生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术，它在微型化基础上可以实现全部生物工程分析过程和整个化验室功能，将采样、稀释、加试剂、反应、分离和检测等功能集成于一个芯片里，因而被通俗地称为“芯片实验室”，其科学性和先进性集中体现在结构缩微和功能集成这两个方面。信号检测是生物芯片技术的重要组成部分，主要包括信号产生、信号收集与传输、信号处理及识别三部分。在各种生物芯片信号检测方法中，荧光微光谱检测法具有重复性好、选择性强、灵敏度高、非破坏性检测等优点，是目前应用最广泛的检测技术之一。2007年Bambang Kuswandi等人在“Optical sensing systems for micro-fluidic devices :A review，，中综述概括了从上世纪九十年代到2007年期间各国在生物芯片微流体光学检测系统研究领域中的106篇文献，指出基于 MEMS (Micro Electro Mechanical System)微细加工技术的光谱学检测系统微型化集成回路的研究，是生物芯片微流体光学检测系统的发展方向。研制体积小到可嵌入芯片和灵敏度高到能达到生物技术要求的微光谱检测系统已成为当前各国研究的热点之一。生物芯片的荧光微光谱检测系统包括上部盖芯片和下部载芯片两个部分，图2为上部盖芯片的结构，包括上部盖芯片有机玻璃盖片19、上部盖芯片光激发单元20 ；图3为下部载芯片的结构，包括下部载芯片有机玻璃载片21、下部载芯片光激发单元22、两个下部载芯片光检测单元23和24、以及限制待检测生物微流体的微通道25。光激发单元的截面图如图4所示，包括产生光的激发光源沈、激发光滤光片27、光激发单元微透镜观、光激发单元多层保护薄膜四。光检测单元的截面图如图5所示，包括光检测单元微透镜30、检测光滤光片31、检测光的光电转换器件32、光检测单元多层保护薄膜33。一般情况下，为保证光电转换器件的灵敏度，它的光敏面积比激发光源的发光面积要大一些，因此光检测单元比光激发单元的直径也要大一些。两个光激发单元和两个光检测单元一共4个微透镜全部朝向微通道。微光谱检测系统的工作程序是，从光激发单元的激发光源沈发出的光被激发光滤光片27滤光，通过光激发单元微透镜观聚焦，照射微通道25中的待检测生物微流体。 待检测生物微流体由激发光激发出荧光，被光检测单元微透镜30采集，通过检测光滤光片 31后，被光电转换器件32所接收，变成电信号输出。在生物芯片荧光微光谱检测系统中，荧光信号微弱的原因是被测物量少、发光点小，而并非被测物的浓度低。使用具有最佳聚焦效果的非球曲面光学微透镜，并且令光学微透镜与微检测工作端面高精度地同光轴粘合，可以提高被测物所激发荧光的聚焦效率， 是提高生物芯片中微光谱检测灵敏度的关键之一。目前光学微透镜有多种生产工艺技术，主要方法有光学树脂液滴喷印法、热塑膜制法、多层光刻蚀成型法。其中光学树脂液滴喷印法只能在X轴和Y轴两个水平方向上实现精确成型，无法在Z轴方向上实现精确成型，即只能实现面成型，无法实现体成型，更不能实现多种形状、多种曲率要求的非球曲面光学微透镜的精确成型。热塑膜制法虽然可以实现多种曲率要求的非球曲面光学微透镜的精确成型，但需要制备高质量、高精度的模板，无疑这将使制造工艺变得非常复杂，大大提高制作成本。多层光刻蚀成型法的基本思路是，分层地实现在X轴和Y轴方向上的面成型，最后叠加在一起，在Z轴方向上实现体成型。虽然它能实现体成型，但其工艺流程十分复杂，必须采用多层干法或湿法进行刻蚀，不断移动和更换掩模来产生所设计的非球曲面形状。上述几种工艺方法的共有特点是，先单独在另外的基材上制作光学微透镜，然后再将它移至光激发单元或光检测单元的滤光片上，用光学胶粘合。这些制作光学微透镜的方法都面临两个公共的技术难题1、当将制作好的光学微透镜剥离制作基材时，需要保证透镜底部水平面的平整度以及与光轴之间的垂直度。2、当微透镜与光激发单元或光检测单元的滤光片粘合时，需要保证光学微透镜的光轴与光激发单元中的激发光源或光检测单元中的光电转换器件的中心对称轴精确对准。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服传统光学微透镜制作方法中存在的两大技术难题，即需要高精确剥离基材和与工作端面高精度同光轴粘合，而且本专利技术的光学微透镜体积拟小到毫米数量级，甚至微米数量级。透镜的非球曲面形状拟对光的聚焦效果达到最佳，以大大提高检测灵敏度。最终使得微光谱检测系统体积微小化到能嵌入生物芯片中，灵敏度高到能满足生物技术检测中对微弱信号的要求，从而保障分析检验全过程与步骤的顺利完成。本专利技术的理论依据放置于平面洁净基地上的液滴，由于尺度很小，重力的影响可以忽略，液滴面形主要由其自身张力决定；根据表面自由能最小原理，液滴面形可以近似为球冠形。在静电场中，液滴表面受电场作用产生相应的感应电荷，导致液滴表面产生向外的作用力。该作用力与液滴表面张力相互作用，使液滴面形从自然状态下的近似球面向静电场作用下的非球面变化。因此，液滴在静电场中的面形是感应电荷产生的作用力和液滴表面张力相互作用平衡的结果，并且在这一过程中始终保持中心对称和表面积最小。而一定形状的液态导电胶在紫外光辐射下，液态导电胶中的光引发剂受激变为自由基，从而引发材料中含不饱和双键物质间的化学反应(主要是聚合反应)，形成固化了的体型结构。而可见光固化则由能量很高的电子束直接与待固化体系作用，由于分子激发和离子产生，继而生成自由基，使聚合物、单体或者他们的混合物发生聚合、接枝或交联等反应，最终导致体型结构的形成，从而使材料固化。基于上述理论，本专利技术采取的技术方案如下这种光学微透镜的制作工艺过程是， 将紫外固化光学胶18从一定高度释放，滴落在芯片原定位置上，即生物芯片微光谱检测系统光激发单元的激发光滤光片27和光检测单元的检测光滤光片31上，当光学胶液滴在工作面自上而下并向四周扩散流淌时，为了保持势能最低，其表面的曲线形状随液体表面张力而变化，但始终保持中心对称和表面积最小，适时地用一定功率的紫外激光器4照射一定的时间，将光学胶液滴固化成吻合设计形状的光学微透镜。如果微透镜一次不能达到所要求的形状，可以多次释放光学胶液滴、多次进行紫外激光的照射固化。原位成型式光学微透镜的激光微制造装置，包括有二维平移台1、上电极2、紫外激光器4、注射器5、LED照明光源6、反射镜7、计算机10、盛液盒18、与计算机10相连接的面形检测CXD 9、与面形检测CXD 9相连接的低像差物镜8、与二维平移台1相连接的平移台左右步进电机11和平移台前后步进电机12，与上电极2相连接的高压电源3、电极左右步进电机13和电极前后步进电机14，与注射器5相连接的注射器活塞步进电机15、注射器上下步进电机16和注射器左右步进电机17，平移台左右步进电机11、平移台前后步进电机 12、电极左右步进电机13、电极前后步进电机14、注射器活塞步进电机15、注射器上下步进电机16、注射器左右步进电机1本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．原位成型式光学微透镜的激光微制造装置，其特征在于：包括有二维平移台（１）、上电极（２）、紫外激光器（４）、注射器（５）、ＬＥＤ照明光源（６）、反射镜（７）、计算机（１０）、盛液盒（１８）、与计算机（１０）相连接的面形检测ＣＣＤ（９）、与面形检测ＣＣＤ（９）相连接的低像差物镜（８）、与二维平移台（１）相连接的平移台左右步进电机（１１）和平移台前后步进电机（１２），与上电极（２）相连接的高压电源（３）、电极左右步进电机（１３）和电极前后步进电机（１４），与注射器（５）相连接的注射器活塞步进电机（１５）、注射器上下步进电机（１６）和注射器左右步进电机（１７），平移台左右步进电机（１１）、平移台前后步进电机（１２）、电极左右步进电机（１３）、电极前后步进电机（１４）、注射器活塞步进电机（１５）、注射器上下步进电机（１６）、注射器左右步进电机（１７）均与计算机（１０）相连；可移动的上电极（２）、注射器（５）均位于二维平移台（１）的上方：注射器（５）起始位置正下方只有盛放紫外固化光学胶的盛液盒（１８）；计算机（１０）通过平移台左右步进电机（１１）和平移台前后步进电机（１２）控制二维平移台（１）移动，通过电极左右步进电机（１３）和电极前后步进电机（１４）控制上电极（２）在二维平移台（１）上方移动，通过注射器上下步进电机（１６）和注射器左右步进电机（１７）控制注射器（５）在二维平移台（１）上方的纵向平移和横向平移，通过注射器步进电机（１５）控制注射器（５）的活塞进行注射器（５）对盛液盒（１８）里的紫外固化光学胶液滴的吸取和注射动作；计算机（１０）控制高压电源（３）向上电极（２）施加高电压，操控液滴透镜的面形；ＬＥＤ照明光源（６）与反射镜（７）分居二维平移台（１）的左右两侧，横向光路由ＬＥＤ照明光源（６）照明，反射镜（７）反射再通过正下方的低像差物镜（８）使液滴侧面在位于低像差物镜（８）下端的面形检测ＣＣＤ（９）上成像，然后将面形检测ＣＣＤ（９）实时采集的图像信息，传给计算机（１０）进行图像处理，当实时检测到较理想的液滴透镜面形时，通过计算机（１０）控制开启位于二维平移台（１）上方的紫外激光器（４），将紫外固化光学胶液滴固化。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：吴坚，郑杨，陈涛，刘世炳，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：11
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