[发明专利]低成本、批量化微棱镜模具的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及微流控芯片领域，适用于通过微小型棱镜耦合实现微流控芯片内生物化学试剂的光探测方面。

背景技术

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）和环烯烃共聚物（COC）等聚合物，由于PDMS透明无毒廉价、耐用具有一定的惰性、成型制作简单、生物兼容性较好等突出特点，一般情况下微流控芯片为PDMS芯片。微流控芯片的最终目的是实现反应试剂的检测分析，分析检测方法包括光学检测、电化学检测、化学发光检测等。光学检测法由于具有灵敏度高、响应速度快、操作简便等优点成为目前最广泛的一种检测方法，其中又包括吸光度检测、激光诱导荧光检测等。利用吸光度检测时入射光耦合进入探测池内的方式主要包括棱镜耦合和光栅耦合两种方式，采用棱镜耦合时，为便于后续芯片集成，棱镜材料也选择PDMS，但是由于微流控芯片的操作体积较小，因此所需的棱镜也应该为微小型棱镜，制作微小型准确控制角度和具有很低粗糙度的棱镜较为困难。

在通过棱镜耦合方式进行探测时，微小型棱镜的形状尺寸要求高，为满足光学要求需要使得棱镜表面粗糙度Ra<0.8um。一般情况下，棱镜制作需要通过模铸的方法，棱镜表面粗糙度的大小取决于模具的表面粗糙度。模具采用传统的机械加工方法，要达到上述对于表面粗糙度的要求，需要经过磨削、研磨、抛光、电火花等一系列过程。而加工到所需的棱镜模具尺寸，由于对于棱镜尺寸为mm级，加工精度需要μm级，对于机械加工设备的要求较高，并且还依赖于模具材料特性，综上可知，通过传统机械加工方式生产加工微小型棱镜，加工成本高，且不便于批量化生产。

发明内容

本发明为解决现有加工棱镜模具采用的机械加工方法，使棱镜表面粗糙度大，且加工成本高，不便于批量化生产的问题，提供一种低成本、批量化微棱镜模具的设计方法。

低成本、批量化微棱镜模具的设计方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、选择四片硅片分别制作棱镜模具左侧面、棱镜模具右侧面、棱镜模具斜面和棱镜模具后直面；在所述棱镜模具左侧面和棱镜模具右侧面上分别刻蚀角度标示孔后直面标示孔；

步骤二、选择棱镜模具的定位硅片，并在所述定位硅片上刻蚀四边形定位孔和用于棱镜与PDMS微流控芯片探测池定位的芯片定位圆孔；

步骤三、对步骤一所述的四片硅片进行组装，将作为棱镜模具斜面的硅片插入到棱镜模具左侧面和棱镜模具右侧面的角度沟槽内，将棱镜模具后直面的硅片插入棱镜模具左侧面和棱镜模具右侧的竖直沟槽内，并将组装后棱镜模具放到步骤二所述的定位硅片的定位孔中；

步骤四、将PDMS的组分与固化剂按质量比10：1混合，搅拌均匀后真空脱气，获得PDMS液体；

步骤五、将步骤四所述的PDMS液体分别滴注在步骤三中棱镜模具斜面与棱镜模具左侧面和棱镜模具右侧面的角度沟槽的缝隙处以及棱镜模具后直面与棱镜模具左侧面和棱镜模具右侧面的竖直沟槽缝隙处，然后放在120℃的热板上加热固化10分钟，自然冷却后，将棱镜模具放在定位硅片的定位孔中，并滴注PDMS，然后放在120℃的热板上加热固化，完成微棱镜模具的制作。

本发明的原理：本发明利用表面光洁的硅片，结合光刻、ICP等MEMS技术，加工出所需角度棱镜侧面、斜面等不同面的微小硅片，并且在侧面上刻有微型沟槽与角度标示孔，通过微型沟槽将各个硅片斜面和模具硅片后面简单地拼接组装，提供了一种新型制作微小型棱镜的模具，该模具可以实现精确控制微小型棱镜角度、棱镜面光滑、成型容易、成本低等优点。本发明所制作的棱镜材料为聚二甲基硅氧烷（PDMS）。对于不同尺寸和角度的棱镜模具，制作过程中只需要将制作尺寸和角度调整为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种所需要角度的棱镜。该发明避免了传统机械加工方式对于加工到Ra<0.8um表面粗糙度繁琐的工艺过程，也解决了背景材料中提到的通过机械加工等方式对设备加工精度和材料的要求的问题，降低了操作要求，为基于棱镜耦合方式实现微流控芯片内光探测提供了有利的条件。

本发明的有益效果：

一、本发明所述的加工棱镜的尺寸角度是通过AutoCAD等软件在绘制过程中进行绘图决定的，结合光刻、刻蚀等MEMS技术，因此比机械加工方式控制公差等方式要精确得多。

二、本发明结合了光刻、刻蚀等MEMS技术对于加工微小型结构的优点，棱镜尺寸大小可以达到所需要的mm级,而加工误差为μm级。

三、本发明所述的加工棱镜模具只需要把微小型硅片加工好，再进行简单的拼接组合就可以，因此制作比较简单，成本较低。