專(zhuān)利名稱(chēng)：低成本、批量化微棱鏡模具的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微流控芯片領(lǐng)域，適用于通過(guò)微小型棱鏡耦合實(shí)現(xiàn)微流控芯片內(nèi)生物化學(xué)試劑的光探測(cè)方面。
背景技術(shù)：
目前，制作微流控芯片的材料主要有聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和環(huán)烯烴共聚物(COC)等聚合物，由于PDMS透明無(wú)毒廉價(jià)、耐用具有一定的惰性、成型制作簡(jiǎn)單、生物兼容性較好等突出特點(diǎn)，一般情況下微流控芯片為PDMS芯片。微流控芯片的最終目的是實(shí)現(xiàn)反應(yīng)試劑的檢測(cè)分析，分析檢測(cè)方法包括光學(xué)檢測(cè)、電化學(xué)檢測(cè)、化學(xué)發(fā)光檢測(cè)等。光學(xué)檢測(cè)法由于具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)成為目前最廣泛 的一種檢測(cè)方法，其中又包括吸光度檢測(cè)、激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)等。利用吸光度檢測(cè)時(shí)入射光耦合進(jìn)入探測(cè)池內(nèi)的方式主要包括棱鏡耦合和光柵耦合兩種方式，采用棱鏡耦合時(shí)，為便于后續(xù)芯片集成，棱鏡材料也選擇PDMS，但是由于微流控芯片的操作體積較小，因此所需的棱鏡也應(yīng)該為微小型棱鏡，制作微小型準(zhǔn)確控制角度和具有很低粗糙度的棱鏡較為困難。在通過(guò)棱鏡耦合方式進(jìn)行探測(cè)時(shí)，微小型棱鏡的形狀尺寸要求高，為滿(mǎn)足光學(xué)要求需要使得棱鏡表面粗糙度Ra〈0. 8um。一般情況下，棱鏡制作需要通過(guò)模鑄的方法，棱鏡表面粗糙度的大小取決于模具的表面粗糙度。模具采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法，要達(dá)到上述對(duì)于表面粗糙度的要求，需要經(jīng)過(guò)磨削、研磨、拋光、電火花等一系列過(guò)程。而加工到所需的棱鏡模具尺寸，由于對(duì)于棱鏡尺寸為mm級(jí)，加工精度需要Pm級(jí)，對(duì)于機(jī)械加工設(shè)備的要求較高，并且還依賴(lài)于模具材料特性，綜上可知，通過(guò)傳統(tǒng)機(jī)械加工方式生產(chǎn)加工微小型棱鏡，加工成本高，且不便于批量化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有加工棱鏡模具采用的機(jī)械加工方法，使棱鏡表面粗糙度大，且加工成本高，不便于批量化生產(chǎn)的問(wèn)題，提供一種低成本、批量化微棱鏡模具的設(shè)計(jì)方法。低成本、批量化微棱鏡模具的設(shè)計(jì)方法，該方法由以下步驟實(shí)現(xiàn)步驟一、選擇四片硅片分別制作棱鏡模具左側(cè)面、棱鏡模具右側(cè)面、棱鏡模具斜面和棱鏡模具后直面；在所述棱鏡模具左側(cè)面和棱鏡模具右側(cè)面上分別刻蝕角度標(biāo)示孔后直面標(biāo)示孔；步驟二、選擇棱鏡模具的定位硅片，并在所述定位硅片上刻蝕四邊形定位孔和用于棱鏡與PDMS微流控芯片探測(cè)池定位的芯片定位圓孔；步驟三、對(duì)步驟一所述的四片硅片進(jìn)行組裝，將作為棱鏡模具斜面的硅片插入到棱鏡模具左側(cè)面和棱鏡模具右側(cè)面的角度溝槽內(nèi)，將棱鏡模具后直面的硅片插入棱鏡模具左側(cè)面和棱鏡模具右側(cè)的豎直溝槽內(nèi)，并將組裝后棱鏡模具放到步驟二所述的定位硅片的定位孔中；步驟四、將PDMS的組分與固化劑按質(zhì)量比10 1混合，攪拌均勻后真空脫氣，獲得PDMS液體；步驟五、將步驟四所述的PDMS液體分別滴注在步驟三中棱鏡模具斜面與棱鏡模具左側(cè)面和棱鏡模具右側(cè)面的角度溝槽的縫隙處以及棱鏡模具后直面與棱鏡模具左側(cè)面和棱鏡模具右側(cè)面的豎直溝槽縫隙處，然后放在120°C的熱板上加熱固化10分鐘，自然冷卻后，將棱鏡模具放在定位硅片的定位孔中，并滴注PDMS，然后放在120°C的熱板上加熱固化，完成微棱鏡模具的制作。本發(fā)明的原理本發(fā)明利用表面光潔的硅片，結(jié)合光刻、ICP等MEMS技術(shù)，加工出所需角度棱鏡側(cè)面、斜面等不同面的微小硅片，并且在側(cè)面上刻有微型溝槽與角度標(biāo)示孔，通過(guò)微型溝槽將各個(gè)硅片斜面和模具硅片后面簡(jiǎn)單地拼接組裝，提供了一種新型制作微小 型棱鏡的模具，該模具可以實(shí)現(xiàn)精確控制微小型棱鏡角度、棱鏡面光滑、成型容易、成本低等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明所制作的棱鏡材料為聚二甲基硅氧烷(PDMS)。對(duì)于不同尺寸和角度的棱鏡模具，制作過(guò)程中只需要將制作尺寸和角度調(diào)整為自己需要的尺寸角度即可以，模具制作完成之后就可以制作各種所需要角度的棱鏡。該發(fā)明避免了傳統(tǒng)機(jī)械加工方式對(duì)于加工到Ra〈0. Sum表面粗糙度繁瑣的工藝過(guò)程，也解決了背景材料中提到的通過(guò)機(jī)械加工等方式對(duì)設(shè)備加工精度和材料的要求的問(wèn)題，降低了操作要求，為基于棱鏡耦合方式實(shí)現(xiàn)微流控芯片內(nèi)光探測(cè)提供了有利的條件。本發(fā)明的有益效果一、本發(fā)明所述的加工棱鏡的尺寸角度是通過(guò)AutoCAD等軟件在繪制過(guò)程中進(jìn)行繪圖決定的，結(jié)合光刻、刻蝕等MEMS技術(shù)，因此比機(jī)械加工方式控制公差等方式要精確得多。二、本發(fā)明結(jié)合了光刻、刻蝕等MEMS技術(shù)對(duì)于加工微小型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，棱鏡尺寸大小可以達(dá)到所需要的mm級(jí)，而加工誤差為Pm級(jí)。三、本發(fā)明所述的加工棱鏡模具只需要把微小型硅片加工好，再進(jìn)行簡(jiǎn)單的拼接組合就可以，因此制作比較簡(jiǎn)單，成本較低。四、本發(fā)明所述的方法是以光潔的硅片為側(cè)面和斜面，所加工的棱鏡光潔面很好，可以滿(mǎn)足很高的光學(xué)使用要求。該發(fā)明不需要像機(jī)械加工方式為滿(mǎn)足使用要求需要許多繁瑣的工序。


圖I為中a、b、c、d分別為本發(fā)明所述的低成本、批量化微棱鏡模具的設(shè)計(jì)方法中棱鏡模具的左側(cè)面、右側(cè)面、斜面以及后直面的硅片示意圖；圖2為本發(fā)明所述的低成本、批量化微棱鏡模具的設(shè)計(jì)方法中定位硅片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3中a、b分別為本發(fā)明所述的低成本、批量化微棱鏡模具的設(shè)計(jì)方法中棱鏡模具的左側(cè)面和右側(cè)面的效果圖；圖4為帶有PDMS保護(hù)臺(tái)的棱鏡模具的側(cè)俯視圖；圖5為本發(fā)明所述棱鏡模具的仰視圖。圖中1、棱鏡模具左側(cè)面，1-1、角度標(biāo)示孔，1-2、角度微型溝槽，1-3、豎直微型溝槽，2、棱鏡模具右側(cè)面，3、棱鏡模具斜面，4、棱鏡模具后直面，4-1、后直表面標(biāo)示孔，5、定位硅片，5-1、定位孔，5-2、芯片定位圓孔，6、PDMS保護(hù)臺(tái)。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一、結(jié)合圖I至圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，低成本、批量化微棱鏡模具的設(shè)計(jì)方法，該方法由以下步驟實(shí)現(xiàn)A、利用傳統(tǒng)的光刻、濺射以及硅深刻蝕等MEMS技術(shù)得到微小型棱鏡制作模具的棱鏡模具斜面3、棱鏡模具左側(cè)面I、棱鏡模具右側(cè)面2、棱鏡模具后直面4以及定位硅片5 ；B、將步驟A中制作的棱鏡模具斜面3、棱鏡模具左側(cè)面I、棱鏡模具右側(cè)面2和棱鏡模具后直面4通過(guò)微型溝槽拼接組裝在一起，并整體放在定位硅片5的定位孔5-1中，該定位硅片5放在平整的玻璃板上； C、將PDMS的基本組分與固化劑按質(zhì)量比10 1混合，攪拌均勻后真空脫氣；D、將脫氣后的PDMS液體滴注在棱鏡模具斜面3、棱鏡模具左側(cè)面I、棱鏡模具右側(cè)面2和模具后直面之間縫隙處，并放在120°C的熱板上加熱固化10分鐘，自然冷卻后將棱鏡模具放在定位硅片5的定位孔5-1中，并滴注PDMS，在整體放在120°C的熱板上加熱固化。結(jié)合圖4說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式中還包括步驟E :將一圓柱形塑料環(huán)放在4中制作的帶有棱鏡模具硅片的反面上，滴注PDMS于兩者連接縫隙處，加熱固化同4，然后再在塑料環(huán)內(nèi)澆鑄些許PDMS，加熱固化，自然冷卻后去掉塑料環(huán)，得到棱鏡模具保護(hù)臺(tái)8。本實(shí)施方式中將模具制作完成，將PDMS澆鑄到模具中，并將其放在120°C熱板上進(jìn)行熱固化，脫模即可以得到所需要的棱鏡。采用本實(shí)施方式中所述的方法制作棱鏡，棱鏡模具的左右兩個(gè)側(cè)面角度方向相反，便于組裝固定，所述棱鏡模具后直面4用于構(gòu)成棱鏡模具的豎直表面，圖I中的角度標(biāo)示孔1-1用于標(biāo)示角度微型溝槽1-2和豎直微型溝槽1-3的角度，圖I中a和b中角度標(biāo)示孔1-1的標(biāo)示角度為30°，棱鏡模具的后直面標(biāo)志孔4-1，用于標(biāo)示模具后直面4以區(qū)別于棱鏡模具斜面3。圖I中微型溝槽的寬度與所選用的硅片厚度相同，溝槽的刻蝕深度可以根據(jù)硅片的厚度和自己需要選擇，一般溝槽的刻蝕深度選擇硅片厚度的1/2左右。結(jié)合圖2為用于制作微流控芯片探測(cè)池上棱鏡的定位硅片5，芯片定位孔5-2為用于所制作棱鏡與微流控芯片探測(cè)池定位的圓孔。定位硅片5上的四邊形定位孔5-1的尺寸可以根據(jù)實(shí)際過(guò)程中棱鏡模具的大小選擇，所述定位孔5-1的尺寸取決于棱鏡模具后直面4的寬度和棱鏡模具左側(cè)面I以及棱鏡模具右側(cè)面2的溝槽刻蝕深度。
具體實(shí)施方式
二、本實(shí)施方式為具體實(shí)施方式
一所述的低成本、批量化微棱鏡模具的設(shè)計(jì)方法的實(shí)施例以30°角度為例，制作的棱鏡大小為底面為2. 8mmX3mm，硅片選擇厚度為700 V- m,刻蝕深度為300 u m。棱鏡后直面長(zhǎng)度為3. 6mm,實(shí)際中可以根據(jù)自己要求制作0-90°之間任意角度的微小型棱鏡，硅片厚度可在280-700 之間選擇，棱鏡大小可選。結(jié)合圖I、圖4和圖5，以制作30°棱鏡為例，具體制作棱鏡模具的左側(cè)面、右側(cè)面、斜面和后直面的過(guò)程為a、選擇三片直徑3英寸(inch)、厚度700 y m的硅片，其中兩硅片用于得到棱鏡側(cè)面擋板與棱鏡斜面擋板，另一硅片用于定位微小型棱鏡在微流控芯片的位置，便于后續(xù)光學(xué)檢測(cè)。分別將三片硅片放到盛有45mL的體積比為3:1的H2SO4和H2O2混合溶液的燒杯中，將燒杯加熱到80°C并煮15分鐘，最后用冷熱水交替沖洗硅片并用氮?dú)獯蹈桑瓿晒杵那逑刺幚?；b、設(shè)計(jì)掩模板通過(guò)AutoCAD、CorelDrawl2等軟件對(duì)所需的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)掩模板，由于制作棱鏡模具是由微小型硅片通過(guò)簡(jiǎn)單的拼接組裝并固定而成，拼接過(guò)程中需要通過(guò)微小硅片角度微型溝槽1-2、豎直微型溝槽1-3的定位，并且為便于制造，角度標(biāo)示孔1-1選擇和微型溝槽深度一樣， 掩模板設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮光刻時(shí)微小型硅片的刻蝕深度問(wèn)題，所設(shè)計(jì)模具需要兩個(gè)刻蝕深度，一個(gè)刻蝕深度是為了得到微型溝槽便于微小硅片的組裝固定，另一個(gè)刻蝕深度，是為了得到微小硅片，和硅片厚度相同，直接刻穿。其中一個(gè)掩模板設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和所需要的微小硅片結(jié)構(gòu)一致，為得到兩個(gè)刻蝕深度，另一掩模板用于掩膜較淺刻蝕深度結(jié)構(gòu)，即微型溝槽，為了實(shí)現(xiàn)角度可選，可以在一張掩模板上制作不同角度的結(jié)構(gòu)，棱鏡模具后直面4中的標(biāo)示孔同上，模具斜面加工只需要一張掩模板即可，所設(shè)計(jì)的微小硅片結(jié)構(gòu)為圖I所示，用于棱鏡模具定位的硅片定位孔5-1加工需要設(shè)計(jì)一張掩模板；C、取清洗后的硅片，濺射一層鋁掩膜；d、在鋁掩模板上進(jìn)行涂膠，并用步驟b設(shè)計(jì)的一個(gè)掩模板，進(jìn)行光刻，經(jīng)顯影后在鋁掩膜上形成帶圖形的光刻膠層；e、用磷酸腐蝕未被光刻膠層保護(hù)的鋁掩膜，并去膠；f、在鋁掩模表面涂覆光刻膠，利用另一掩模板，經(jīng)光刻、顯影后形成帶圖形的光刻膠層；g、用該層光刻膠作掩模，在感應(yīng)耦合等離子(ICP)刻蝕機(jī)中做干法深刻蝕；h、去除光刻膠后繼續(xù)進(jìn)行干法刻蝕，直至將硅片刻穿，得到模具棱鏡斜面、側(cè)面和后面的微小硅片，在棱鏡模具側(cè)面中得到棱鏡模具側(cè)面的角度溝槽、豎直溝槽以及角度標(biāo)不孔等； 將棱鏡模具組裝，具體為將上述通過(guò)光刻、干法刻蝕等加工出來(lái)的微小棱鏡模具斜面3、棱鏡模具左側(cè)面I、棱鏡模具右側(cè)面2和棱鏡模具后直面4按照所加工的微型溝槽位置進(jìn)行拼接，作為成棱鏡模具斜面3的那片硅片輕輕地插入到棱鏡模具側(cè)面的角度微型溝槽中，棱鏡模具后面插入棱鏡模具側(cè)面豎直微型溝槽中，然后將上述整體放到定位硅片5的定位孔5-1中，為防止硅片溝槽連接處的縫隙造成后續(xù)制作PDMS棱鏡時(shí)產(chǎn)生泄漏，經(jīng)棱鏡模具之間滴上PDMS并放在熱板上120°C進(jìn)行熱固，固化好之后將該結(jié)構(gòu)放在定位硅片5四邊形定位孔5-1中，滴注少量PDMS并固化。在硅片反面用直徑為10mm，高度為6mm的圓柱形塑料環(huán)將硅片全部包圍起來(lái)并且加入PDMS熱固，由于PDMS本身特有性質(zhì)，該過(guò)程分兩步進(jìn)行首先用微量的PDMS將塑料環(huán)與硅片連接處粘結(jié)并熱固，然后將圓環(huán)中加滿(mǎn)PDMS并熱固，自然冷卻后去掉塑料環(huán)，得到結(jié)構(gòu)如圖4所示。將模具制作完成，將PDMS澆鑄到模具中，并將其放在120°C熱板上進(jìn)行熱固化，脫模即可以得到所需要的棱鏡。拼接過(guò)程中，為保證棱鏡成型模具與下面用于定位的硅片能夠更平整地連接，操作過(guò)程中將其放在平滑玻璃板上。另外需要注意的是該定位硅片5是針對(duì)本實(shí)驗(yàn)室所設(shè)計(jì)微流控芯片中探測(cè)池的位置而定，其他使用過(guò)程中需要根據(jù)不同的使用要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。
權(quán)利要求
1.低成本、批量化微棱鏡模具的設(shè)計(jì)方法，其特征是，該方法由以下步驟實(shí)現(xiàn) 步驟一、選擇四片硅片分別制作棱鏡模具左側(cè)面(I)、棱鏡模具右側(cè)面(2)、棱鏡模具斜面(3)和棱鏡模具后直面(4);在所述棱鏡模具左側(cè)面(I)和棱鏡模具右側(cè)面(2)上分別刻蝕角度標(biāo)示孔(1-1)、角度微型溝槽(1-2)和豎直微型溝槽(1-3);在所述棱鏡模具后直面(4)上刻蝕后直面標(biāo)示孔(1-4)； 步驟二、選擇棱鏡模具的定位硅片(5)，并在所述定位硅片(5)上刻蝕四邊形定位孔5-1和用于棱鏡與PDMS微流控芯片探測(cè)池定位的芯片定位圓孔(5-2)； 步驟三、對(duì)步驟一所述的四片硅片進(jìn)行組裝，將作為棱鏡模具斜面(3)的硅片插入到棱鏡模具左側(cè)面(I)和棱鏡模具右側(cè)面(2)的角度溝槽內(nèi)，將棱鏡模具后直面(4)的硅片插入棱鏡模具左側(cè)面(I)和棱鏡模具右側(cè)的豎直溝槽內(nèi)，并將組裝后棱鏡模具放到步驟二所述的定位娃片(5)的定位孔(5-1)中； 步驟四、將PDMS的組分與固化劑按質(zhì)量比10 1混合，攪拌均勻后真空脫氣，獲得PDMS液體； 步驟五、將步驟四所述的PDMS液體分別滴注在步驟三中棱鏡模具斜面(3)與棱鏡模具左側(cè)面(I)和棱鏡模具右側(cè)面(2)的角度溝槽的縫隙處以及棱鏡模具后直面(4)與棱鏡模具左側(cè)面(I)和棱鏡模具右側(cè)面(2)的豎直溝槽縫隙處，然后放在120°C的熱板上加熱固化10分鐘，自然冷卻后，將棱鏡模具放在定位硅片(5)的定位孔(5-1)中，并滴注PDMS，然后放在120°C的熱板上加熱固化，完成微棱鏡模具的制作。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低成本、批量化微棱鏡模具的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟一所述的棱鏡模具左側(cè)面(I)與棱鏡模具右側(cè)面(2)刻蝕的角度標(biāo)示孔(1-1 )、角度微型溝槽(1-2)和豎直微型溝槽(1-3)的位置相反。
全文摘要
低成本、批量化微棱鏡模具的設(shè)計(jì)方法，涉及微流控芯片領(lǐng)域，解決現(xiàn)有加工棱鏡模具采用的機(jī)械加工方法，使棱鏡表面粗糙度大，且加工成本高，不便于批量化生產(chǎn)的問(wèn)題，本發(fā)明利用表面光潔的硅片，結(jié)合光刻、ICP等MEMS技術(shù)，加工出所需角度棱鏡左側(cè)面、右側(cè)面、斜面以及后直面等不同面的微小硅片，并且在左側(cè)面和右側(cè)面上刻有角度微型溝槽、豎直微型溝槽與角度標(biāo)示孔，通過(guò)微型溝槽將各個(gè)硅片斜面和模具硅片后直面簡(jiǎn)單地拼接組裝，實(shí)現(xiàn)微小型棱鏡模具的制作，本發(fā)明所述的方法使用簡(jiǎn)單、成本低，易于批量化生產(chǎn)；本發(fā)明所述方法還可以應(yīng)用于其他需要棱鏡等相關(guān)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)B29C33/38GK102658615SQ20121013705
公開(kāi)日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月4日
發(fā)明者劉桂根, 劉永順, 吳一輝, 周文超, 張平, 李凱偉, 郝鵬 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所