具有温控功能的微流控芯片、光化学微纳加工系统和方法

专利检索2025-12-27  7


本发明属于微流控设备,特别涉及一种具有温控功能的微流控芯片、光化学微纳加工系统和方法。


背景技术:

1、以激光增材制造技术为代表的光化学微纳加工技术以加工精度高、损伤阈值低、任意三维图形可加工的优点,在众多工业制造及科学研究领域得到广泛应用。其中,传统激光直写加工方法借助加工材料的光吸收过程,结合材料的光化学反应阈值效应,可以利用可见光实现微米和亚微米尺度加工精度,但加工材料仍旧会受到种类单一的限制以及光热引发应变力问题,制约着其进一步发展。

2、上世纪80年代末至90年代末,尤其是在研究芯片衬底的材料科学和微通道的流体移动技术得到发展后,微流控技术取得了较大的进步。将流控技术引入光化学微纳加工技术领域激光增材制造技术领域,可通过微流控芯片泵入不同材料,结合高能脉冲激光下的光化学反应,实现光化学微纳加工,例如多材料原位增材制造。光化学反应的温度决定反应生成物的种类、密度以及其他物理、化学性质,然而目前的微流控芯片只能通过外部的温控仪来控制反应温度,温度传递过程较难精确控制,更无法实现器件的小型化,这阻碍了用于光化学微纳加工,例如激光增材制造领域的微流控技术发展。


技术实现思路

1、本发明旨在解决现有技术中的上述技术问题,为此,本发明提供了一种具有温控功能的微流控芯片、光化学微纳加工系统和方法,其中,所述微流控芯片具备自带温控系统、多通道、密封性好等特点,可广泛应用于光化学微纳加工,例如多材料的三维激光增材制造。

2、本发明一方面提供了一种具有温控功能的微流控芯片,包括:

3、第一基座,具有第一基准面,所述第一基准面上设有工作部,所述工作部设有反应槽,所述反应槽分别与出液通道和至少一条进液通道连通;

4、第二基座,具有第二基准面,所述第二基准面上设有第一槽孔,并且所述第二基座内还设有光通道;

5、密封组件,包括透明封盖件,当所述第一基座与所述第二基座连接时,所述第一基准面与所述第二基准面贴合,所述工作部及所述透明封盖件均位于所述第一槽孔内,所述透明封盖件与所述反应槽的槽口密封配合,并且所述透明封盖件可供从所述光通道输出的激发光透过并进入反应槽,所述的光用于驱使反应槽内的化学物质进行光化学反应;

6、以及,温控模块,至少用于控制所述反应槽内的温度。

7、进一步的,所述具有温控功能的微流控芯片至少具有下列特征之一:

8、a1、所述第一基座与所述第二基座可拆卸地连接;

9、a2、所述第一基座和/或所述第二基座的硬度大于邵氏硬度d80±2;

10、a3、所述光通道包括设置于所述第二基座内的第二槽孔,所述第二槽孔与所述第一槽孔连通,并且所述第二槽孔还用于定位光化学微纳加工系统的物镜;

11、a4、所述出液通道和所述进液通道均设置在所述第一基座内,所述温控模块还用于控制进液通道内的温度;

12、a5、所述反应槽的相对两侧分别设有第一导流槽和第二导流槽,所述第一导流槽与所述第二导流槽均靠近所述反应槽的槽口边沿,所述第一导流槽朝向所述反应槽的底部倾斜,所述进液通道的流入口设置于所述第一导流槽内,所述出液通道的流出口设于所述第二导流槽内;

13、a6、所述反应槽的底部设有泄压通道,所述泄压通道上设有第一泄压口,所述反应槽的槽口边沿设有第三导流槽,所述第三导流槽朝向所述反应槽的底部倾斜,所述第三导流槽上设有第二泄压口,所述第二泄压口与所述第一泄压口连通。

14、进一步的,所述温控模块包括温控腔、第一通道以及第二通道,所述温控腔设于所述第一基座的内部且与工作部邻接,所述第一通道用于向所述温控腔内输送温控液,所述第二通道用于将所述温控腔内的温控液排出。

15、进一步的,所述第一通道与所述温控腔的入液口连通并靠近所述工作部设置,所述第二通道与所述温控腔的出液口连通并靠近所述温控腔的底部设置。

16、进一步的,所述第一通道的数量与所述进液通道的数量相同,每条所述第一通道的至少部分呈螺旋状环绕于所述进液通道的外周。

17、进一步的,所述第一通道环绕于所述进液通道外周的部分的截面呈半圆形,所述第一通道环绕于所述进液通道外周的部分的靠近所述进液通道的一侧的各个位置相距所述进液通道的中心轴的距离均相等。

18、进一步的,所述密封组件具有下列特征中的至少一个:

19、b1、所述透明封盖件包括透明玻片;

20、b2、所述密封组件还包括密封圈,所述密封圈套设在所述工作部上,当所述第一基座与所述第二基座连接时,所述透明玻片在所述第一基座的作用下压抵所述密封圈,以使所述密封圈填满所述第一槽孔与所述工作部之间的间隙。

21、本发明另一方面提供了一种光化学微纳加工系统,包括:

22、所述的微流控芯片;

23、以及,光源,用于提供激发光照射所述微流控芯片的反应槽内的化学物质,以使所述化学物质进行光化学反应。

24、其中,所述光源可以是激光光源、led光源、白炽灯、钨灯或其他常见光源,所述激发光可以是可见光、红外光、紫外光等,且不限于此。

25、在一些情况下,本发明所述的光化学微纳加工系统可以是基于光化学反应的增材制造系统,例如激光增材制造系统,或者是基于光化学反应的mems加工系统,例如基于光化学湿法腐蚀反应的mems加工系统等,且不限于此。

26、本发明另一方面还提供了一种光化学微纳加工方法,所述激光增材制造方法是基于所述的微流控芯片或者所述的激光增材制造系统实施的;并且,所述激光增材制造方法包括:

27、将物品置入所述微流控芯片的反应槽内,并通过进液通道向反应槽内加入化学物质,且以温控模块控制反应槽内的温度,以及,以激发光照射所述化学物质,以驱使所述化学物质进行光化学反应,从而实现对所述物品的加工。

28、进一步的,所述的光化学微纳加工方法具体包括:

29、先将所述物品置入反应槽内,然后将透明封盖件盖合在反应槽上,之后将第一基座与第二基座可拆卸地连接,使第一基座的第一基准面与第二基座的第二基准面贴合,从而完成所述微流控芯片的组装,并将所述物品密封于反应槽内;

30、其后,通过至少两条进液通道向反应槽内加入至少两种化学物质,并通过温控模块控制进液通道和反应槽内的化学物质的温度达到反应温度,然后使激发光透过透明封盖件并进入反应槽,从而驱使反应槽内的化学物质进行所述光化学反应。

31、其中,所述的物品包括但不限于衬底、样品或其他规则或不规则形状的物体,其至少部分组成材料能够与前述的至少一种化学物质在合适的温度和光照条件下进行光化学反应。在一些情况下,通过所述光化学反应可以生成可溶性物质和/或挥发性物质。示例性的,所述光化学反应为湿法腐蚀光化学反应。

32、基于上述技术方案,本发明至少具有以下有益效果:

33、(1)本发明提供的一种微流控芯片用于激光加工可以在光刻机内实现原位多材料一次成型技术,避免了在化学室和光刻机之间的来回奔波,且微流控芯片具有液体流动可控、消耗试样和反应试剂液极少、支持多试剂反应等特点。

34、(2)本发明提供的一种微流控芯片整体结构简单,便于批量制造,拆装方便的同时,微流控芯片的密封性还得到保障,且温控模块的设置能够使反应槽内的反应试剂液一直维持于最佳的反应温度。


技术特征:

1.一种具有温控功能的微流控芯片,其特征在于,包括:

2.根据权利要求1所述的具有温控功能的微流控芯片,其特征在于,所述微流控芯片至少具有下列特征之一:

3.根据权利要求1所述的具有温控功能的微流控芯片,其特征在于:所述温控模块包括温控腔(160)、第一通道(121)以及第二通道(151),所述温控腔(160)设于所述第一基座(100)的内部且与工作部(110)邻接,所述第一通道(121)用于向所述温控腔(160)内输送温控液,所述第二通道(151)用于将所述温控腔(160)内的温控液排出。

4.根据权利要求3所述的具有温控功能的微流控芯片,其特征在于:所述第一通道(121)与所述温控腔(160)的入液口(161)连通并靠近所述工作部(110)设置,所述第二通道(151)与所述温控腔(160)的出液口连通并靠近所述温控腔(160)的底部设置。

5.根据权利要求3-4中任一项所述的具有温控功能的微流控芯片,其特征在于:所述第一通道(121)的数量与所述进液通道(131)的数量相同,每条所述第一通道(121)的至少部分呈螺旋状环绕于所述进液通道(131)的外周。

6.根据权利要求5所述的具有温控功能的微流控芯片,其特征在于:所述第一通道(121)环绕于所述进液通道(131)外周的部分的截面呈半圆形,所述第一通道(121)环绕于所述进液通道(131)外周的部分的靠近所述进液通道(131)的一侧的各个位置相距所述进液通道(131)的中心轴的距离均相等。

7.根据权利要求1所述的具有温控功能的微流控芯片,其特征在于,所述密封组件具有下列特征中的至少一个:

8.一种光化学微纳加工系统,其特征在于,包括:

9.一种光化学微纳加工方法,其特征在于,所述方法是基于权利要求1-7中任一项所述的微流控芯片或者权利要求8中任一项所述的光化学微纳加工系统实施的:并且,所述的方法包括:

10.根据权利要求9所述的光化学微纳加工方法,其特征在于,具体包括:


技术总结
本发明公开了一种具有温控功能的微流控芯片、光化学微纳加工系统和方法。所述微流控芯片包括第一基座、第二基座、密封组件和温控模块等;第一基座的第一基准面上设有工作部,工作部上形成有反应槽;第二基座的第二基准面上形成有第一槽孔,并且第二基座内设有光通道;密封组件包括透明封盖件,当所述第一基座与第二基座连接时,第一基准面与第二基准面贴合,工作部及透明封盖件均位于第一槽孔内,透明封盖件与反应槽的槽口密封配合,并且透明封盖件可供从光通道输出的激发光透过并进入反应槽,以驱使反应槽内的化学物质进行光化学反应;温控模块至少用于控制反应槽内的温度。所述微流控芯片具备自带温控系统、多通道、密封性好、兼容激光微纳加工系统等特点。

技术研发人员:宋世超,刘艳林,曹耀宇
受保护的技术使用者:暨南大学
技术研发日:
技术公布日:2024/5/29
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