用于薄膜微流控芯片与支撑板连接的超声波焊头制作方法与流程

本发明涉及用于薄膜微流控芯片与支撑板连接的超声波焊头制作方法，属于微机电系统和微流控芯片领域。

技术背景

薄膜微流控芯片是指在一片聚合物薄膜基片(通常厚度小于500微米)上采用热成型或者辊压等方法加工出壳形的微通道网络结构，然后与另一片薄膜盖片键合到一起形成的微流控芯片，德国科学家rolandzengerle等人也将其称为薄膜实验室(labonafoil)。与常规的微流控芯片相比，薄膜微流控芯片的热响应速率更快，因此更适合用于实现聚合酶链式反应(pcr)等需要加热的生化反应。

但是，薄膜微流控芯片的刚度不够，尤其当需要对其进行加热时，往往会发生较大的翘曲变形，影响其使用性能。为此，经常需要将薄膜微流控芯片的四周与一块聚合物支撑板连接到一起，从而提高其刚度。常用的聚合物连接方法，例如热键合、激光焊接、溶剂键合、超声波焊接等，均可以用于薄膜微流控芯片与支撑板之间的连接。其中，超声波焊接的效率高、连接强度高，是一种常用的连接方法。然而，当利用超声波焊接进行薄膜微流控芯片与支撑板连接时，还存在两个关键问题。一个是，为了集中超声能量和缩短焊接时间，需要在芯片或者支撑板上加工一种导能筋结构，这增加了芯片或者支撑板的制造难度；另一个是，当对芯片四周进行焊接时，芯片的中间区域会向上发生拱起变形。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述两个关键问题，提出用于薄膜微流控芯片与支撑板连接的超声波焊头制作方法。在传统的超声波焊头的基础上，为了避免在芯片或者支撑板上加工导能筋结构，提出在超声波焊头上加工出凸起的导能结构，同样可以起到集中超声能量和缩短焊接时间的作用。为了避免薄膜微流控芯片中间区域发生拱起变形，提出在超声波焊头的中间区域粘接一块高弹性的聚二甲基硅氧烷(pdms)。这块pdms在厚度方向上略高出焊头上的导能结构，当焊头下移时，它先接触到芯片，使得芯片和支撑板之间的位置相对固定；当焊头继续下移开始焊接时，这块pdms受到挤压发生弹性变形，使得芯片的中间区域紧密贴合在支撑板上，而不会向上发生拱起变形；同时，由于pdms是超声波能量的良好隔绝体，芯片的中间区域不会与支撑板发生连接；当焊接过程结束时，这块pdms会迅速恢复到它的原始状态，准备下一次焊接。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于薄膜微流控芯片与支撑板连接的超声波焊头制作方法，在传统超声波焊头的基础上增设凸起导能结构和pdms弹性体。

首先，根据需要连接的薄膜微流控芯片和支撑板的结构和尺寸，避开芯片上的微通道网络结构，在芯片边缘位置确定所需焊接区域，并根据焊接区域尺寸确定导能结构底端形状，在对应的超声波焊头上设计制作出一定高度的凸起导能结构，其边角采用弧形过渡。

其次，根据凸起导能结构围成区域的尺寸，合理设计pdms弹性体的外形尺寸，并采用浇注成型法制作。

最后，将pdms弹性体通过双面胶带粘贴于超声波焊头上方，并位于凸起导能结构所围成区域的中部。所述pdms弹性体周边与凸起导能结构之间保留一定的间隙，避免pdms弹性体由于受到焊接力作用发生弹性变形时与导能结构发生接触；所述pdms弹性体厚度略高于凸起导能结构的高度。

进一步的，所述的pdms弹性体制作方法为：将pdms预聚物和固化剂按照体积比为10:1的比例进行混合和脱气后，浇注到一块平板表面，在85℃下保持2小时进行固化成型，得到高弹性的pdms块。

进一步的，所述的pdms弹性体的厚度比凸起导能结构的厚度高3～7mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：一方面不需要在薄膜微流控芯片或者支撑板上加工导能筋结构，降低了芯片或者支撑板的制造难度；另一方面，避免了在超声波焊接时芯片的中间区域向上发生拱起变形。

附图说明

图1是薄膜微流控芯片和支撑板的示意图；

图2是带有凸起导能结构和方形pdms的超声波焊头示意图；

图3是薄膜微流控芯片与支撑板的超声波焊接示意图。

图中：1薄膜微流控芯片，2壳形微通道网络结构，3支撑板，4方形pdms，5超声波焊头，6凸起导能结构。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细说明本发明的实施方式。

一种用于薄膜微流控芯片与支撑板连接的超声波焊头制作方法，包括以下步骤：

步骤1：根据需要连接的薄膜微流控芯片1和支撑板3的结构和尺寸，避开薄膜芯片1的上的壳形微通道网络结构2，在薄膜芯片1四周边缘处确定四条矩形的焊接区域，每条矩形长度为80mm，宽度为3mm。根据焊接区域的尺寸确认凸起导能结构6的底端尺寸，并在对应的超声波焊头5上利用精密铣削的方法制作四条尺寸相同的凸起导能结构6，导能结构的高度为8mm，边角采用半径为5mm的圆弧过渡。所述超声波焊头5的材质选用7075铝合金。

步骤2：根据超声波焊头5上的凸起导能结构6围成的方形区域尺寸，将pdms预聚物和固化剂(pdmssylgard184，dowcorning，美国)按照体积比为10:1的比例进行混合和脱气后，浇注到一块聚甲基丙烯酸甲酯表面，在85℃下保持2小时进行固化成型，得到高弹性的方形pdms块4。所述的pdms块4的厚度高于导能结构4mm，距导能结构的间隙为5mm。

步骤3：利用双面压敏胶带(arseal90880,adhesivesresearchinc,美国)将方形pdms块4粘接到超声波焊头5的中间区域，从而得到用于薄膜微流控芯片1与支撑板3连接的超声波焊头5。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种用于薄膜微流控芯片与支撑板连接的超声波焊头制作方法，其特征在于以下步骤：

首先，根据需要连接的薄膜微流控芯片和支撑板的结构和尺寸，避开芯片上的微通道网络结构，在芯片边缘位置确定所需焊接区域，并根据焊接区域尺寸确定导能结构底端形状，在对应的超声波焊头上设计制作出一定高度的凸起导能结构，其边角采用弧形过渡；

其次，根据凸起导能结构围成区域的尺寸，设计pdms弹性体的外形尺寸，采用浇注成型法制作；

最后，将pdms弹性体通过双面胶带粘贴于超声波焊头上方，并位于凸起导能结构所围成区域的中部；所述pdms弹性体周边与凸起导能结构之间保留间隙，用于避免pdms弹性体由于受到焊接力作用发生弹性变形时与导能结构发生接触；所述pdms弹性体厚度高于凸起导能结构的高度。

2.根据权利要求1所述的进一步的，一种用于薄膜微流控芯片与支撑板连接的超声波焊头制作方法，其特征在于，所述的pdms弹性体的厚度比凸起导能结构的厚度高3～7mm。

技术总结
本发明提供一种用于薄膜微流控芯片与支撑板连接的超声波焊头制作方法，属于微机电系统和微流控芯片领域。主要步骤包括在超声波焊头上制作凸起的导能结构，并在焊头中间区域粘接一块的高弹性聚二甲基硅氧烷。本发明一方面能够避免在芯片或者支撑板上制作导能筋结构，降低芯片或者支撑板的制造难度；另一方面，能够避免在超声波焊接时芯片的中间区域向上发生拱起变形。

技术研发人员：刘军山;刘哲;张弛;宋满仓;杜立群;徐征;李经民;刘冲
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2020.03.02
技术公布日：2020.06.19