微流控芯片热压键合设备的结构设计

　　1　引言

　　微流控芯片系统是一种采用微细加工技术,在数平方厘米大小的基片上制作出微通道网络结构和其它功能单元的微分析系统,它把整个化验室的功能,包括采样、进样、反应、分离、检测等集于一体,具有快速、高效、低耗的特点^[1] 。目前,制作微流控芯片的材料主要有硅片、玻璃片、石英、陶瓷、聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。其中,PMMA价格较便宜,且加工工艺简单,成形容易,批量生产成本低,适合于样品的检测分析,因而具有广阔的应用前景,已成为当前微流控芯片研究的热点^[2-3] 。

　　微流控芯片的发展和推广离不开加工制作技术,它起源于半导体及集成电路芯片的微细加工,这是以硅、玻璃等材料深度加工为主的集成电路芯片加工技术。而玻璃、硅片等材料的微流控芯片加工工艺过程复杂,芯片成本高,不利于它的推广使用。因而,采用PMMA材料通过热压法制作微流控芯片受到人们的青睐。开发适合于塑料微流控芯片加工制作的设备便成为芯片装备技术研究的重点。

　　PMMA制作微流控芯片过程如下:首先热压,在基片上加工出微通道,然后将开有试样孔的盖片与基片进行键合。目前,塑料微流控芯片制作大多是在实验室进行,所采用的热压键合设备一般是用小型手动压力机进行改制[4]。这类设备结构简陋,性能简单,生产效率低,对优化的工艺参数复现性差,且芯片质量不稳定,不利于商业化开发。面对芯片广阔的应用前景,研究开发功能齐备、自动化程度高的塑料芯片热压键合设备具有现实意义。

　　本文在对比分析各类芯片热压键合设备的基础上,吸收相关压力设备的特点^[5-8] ,对制作塑料微流控芯片的热压键合设备进行了设计研究,并对本设备的结构特点进行了介绍。

　　2　设备结构概述

　　热压键合设备的机械结构包括设备的机械本体、压力执行机构、升降温装置。机械本体由机身、框架、机械连接等组成,以实现系统的构造功能。机械本体在设备中占有较大的体积和质量,它的构造首先要达到设备的使用性能,另外还要满足形式美观、功能可靠等要求;压力执行机构主要是用来实现压力输出的功能,其性能好坏决定着整机的工作性能,是设备最重要的组成部分;升降温装置属设备中的局部构造,具有特殊性和独立性,因而可单独研究。

　　机电一体化系统中的机械零部件就其作用及设计原理来说,与传统机械基本相同。但是,在机电一体化系统中,很多机械零部件已不仅仅是起支撑、传递运动和动力的作用,而是成为伺服系统的组成部分,直接影响系统的控制精度、响应速度和稳定性。因此,机电一体化系统中的机械结构与一般的相比,除要求具有合理结构、强度、刚度和精度外,还要具有良好的动态响应特性,也就是说,响应要快、稳定性要好。为此,本文在热压键合设备的结构研究中,围绕高刚度、低惯量、低摩擦、无间隙等要求,主要采取如下技术措施: