專利名稱：一種膜片鉗芯片微孔加工裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種激光微孔加工裝置，尤其涉及一種膜片鉗芯片微孔加工裝置。
背景技術(shù)：
膜片鉗技術(shù)是離子通道研究中的重要技術(shù)。經(jīng)典膜片鉗雖然具有技術(shù)信息含量大、分辨率高的優(yōu)點，但是通量低、操作煩瑣、實驗條件要求高等缺點限制了它在細(xì)胞生理和藥物發(fā)現(xiàn)等研究中的應(yīng)用。因此膜片鉗芯片技術(shù)應(yīng)運而生。膜片鉗芯片技術(shù)能夠進行高通量的電生理測量、自動形成高阻抗封接，并能與光學(xué)測量手段相結(jié)合，它促進了離子通道和高通量藥物篩選的研究。膜片鉗芯片技術(shù)采用帶有微米級孔洞的平面結(jié)構(gòu)代替玻璃微電極(如圖1所示)與細(xì)胞形成封接，只需將細(xì)胞懸液滴在孔洞上，施加一個負(fù)壓或是一個靜電場，將細(xì)胞引導(dǎo)到孔洞上，再施加一個負(fù)壓即可使細(xì)胞與芯片間形成高阻抗封接。這樣操作更加方便、快捷。并且可將芯片制作為電極陣列對多個細(xì)胞同時進行記錄。上述膜片嵌芯片的微孔呈漏洞狀(如圖2所示)，微孔的入口孔徑大于出口孔徑，微孔入口孔徑的范圍為2 10 μ m，微孔出口孔徑的范圍為1 2μπι，這種結(jié)構(gòu)有利于細(xì)胞懸液的灌注。目前，已經(jīng)采用的制作膜片鉗芯片的材料有硅、石英晶體或玻璃和有機聚合體。采用基于硅材料基底制作的膜片鉗芯片，在打孔實驗中存在一系列的問題，難以形成上述漏洞狀微孔；利用石英晶體良好的絕緣性質(zhì)制作的膜片鉗芯片，可以用標(biāo)準(zhǔn)的平面加工技術(shù)， 得到微米到亞微米級的孔洞，實驗中發(fā)現(xiàn)這種膜片鉗芯片的性能參數(shù)很好，但是打出的孔洞的形狀總是三角形，使得細(xì)胞與芯片間很難形成高阻抗的封接；玻璃和有機聚合體也很好的絕緣材料，而且還具有透明，方便觀察以及可與其他光學(xué)檢測手段如熒光檢測技術(shù)相結(jié)合的優(yōu)點，玻璃膜片鉗芯片與細(xì)胞能較好地形成高阻抗封接。另外，玻璃具有很好的電和機械性質(zhì)、表面具有親水性，是比較理想的膜片嵌芯片材料。目前在玻璃上加工微孔的方法通常采用單個離子追蹤刻蝕技術(shù)，在芯片上加工的孔洞直徑可達1 μ m，甚至更小，且孔洞圓潤、光滑。但是該方法效率比較低，推廣難度較大。 因此如何在玻璃上加工出1 10 μ m孔徑的漏洞狀微孔是大規(guī)模應(yīng)用膜片鉗芯片技術(shù)的關(guān)鍵。眾所周知，激光打孔加工是激光加工技術(shù)的重要組成部分，激光打孔與其他打孔方法相比，最大區(qū)別是它具有高速、高精度和高適應(yīng)性的特點。除此之外，它還具有打孔均勻、熱影響區(qū)小、加工時無噪聲、切縫邊緣垂直度好、切邊光滑、加工過程容易實現(xiàn)自動化控制等優(yōu)點，但是目前的激光打孔技術(shù)最小加工的孔徑在100 μ m左右，且難以打出漏洞狀微孔。另外，傳統(tǒng)的YAG激光和(X)2激光很難作用于玻璃材料，加工的效果差，而且所加工的玻璃很容易產(chǎn)生裂紋和崩邊，不能滿足膜片嵌芯片加工的要求。因此如何將激光打孔技術(shù)應(yīng)用到膜片嵌芯片的加工是我們要解決的關(guān)鍵問題。
發(fā)明內(nèi)容[0006]本實用新型的目的是提供一種能實現(xiàn)在玻璃上加工微米級孔洞的膜片鉗芯片微孔加工裝置。為實現(xiàn)此目的，本實用新型所設(shè)計的一種膜片鉗芯片微孔加工裝置，其特征在于 它包括紫外激光器、擴束鏡、調(diào)節(jié)光圈、聚焦鏡和玻璃膜片鉗芯片夾具，其中，所述紫外激光器的輸出光路上設(shè)置擴束鏡，擴束鏡的輸出光路上設(shè)置調(diào)節(jié)光圈，調(diào)節(jié)光圈的輸出光路上設(shè)置聚焦鏡，聚焦鏡的輸出光路上設(shè)置玻璃膜片鉗芯片夾具。它還包括反射鏡，調(diào)節(jié)光圈的輸出光路上設(shè)置反射鏡，反射鏡的反射輸出光路上設(shè)置聚焦鏡。它還包括計算機數(shù)控系統(tǒng)和運動控制平臺，其中，所述計算機數(shù)控系統(tǒng)的激光控制信號輸出端連接紫外激光器的控制接口，計算機數(shù)控系統(tǒng)的位置控制信號輸出端連接運動控制平臺的控制接口，所述玻璃膜片鉗芯片夾具置于運動控制平臺上。所述擴束鏡的激光擴束倍數(shù)為8 10倍。所述調(diào)節(jié)光圈的光圈直徑可調(diào)范圍為1. 2mm 1. 8mm。所述聚焦鏡為遠(yuǎn)心透鏡，聚焦鏡的聚焦半徑最小為0. 7μπι。所述紫外激光器發(fā)出的紫外高斯激光束的波長范圍為266 355nm。所述紫外激光器發(fā)出的紫外高斯激光束的頻率范圍為10 ΙΟΟΚΗζ，脈寬范圍為 15 50ns，功率為1 7瓦。下面介紹本發(fā)明的激光微孔加工原理。1)紫外激光與玻璃無機材料的相互作用機理激光微孔加工中依據(jù)被加工材料的不同特性及對不同波長的激光的吸收程度不同，往往選擇某一特定波長的激光對材料進行加工，以期達到最好的加工效果?？紤]到玻璃材料的特性，申請人選擇輸出波長范圍為266nm 355nm的紫外激光器來對玻璃膜片鉗芯片的微孔進行加工。該波長的激光非常適合于無機材料。由于光束的衍射現(xiàn)象是限制加工部件最小尺寸的主要因素，激光可達到的聚焦點的最小光斑直徑隨著波長的增加而線性增加，因此較短波長的激光能夠加工出更小的部件。另外，紫外激光微處理過程從本質(zhì)上來說不是“熱”處理過程，紫外激光高能量的光子可以直接破壞玻璃材料的化學(xué)鍵，這一加工過程稱為“光蝕”效應(yīng)，紫外激光加工是實質(zhì)上是冷處理過程，熱影響微乎其微，高能量的紫外光直接破壞玻璃材料的化學(xué)鍵，使得這種“冷”加工出來的孔徑直徑可控并具有光滑均勻的邊緣。2)微孔成型機理激光器發(fā)出的激光理論上是高斯光束，理想的高斯光束有利于圖2所示的漏洞狀微孔的成型，但是實際上激光不可能達到這種理想狀態(tài)。為了能夠使激光盡可能的接近理想高斯光束模式，本發(fā)明將擴束鏡和調(diào)節(jié)光圈組合起來起到篩選光束的作用(如圖3所示)。首先，紫外激光器發(fā)出的紫外高斯激光經(jīng)過擴束鏡擴束，擴束鏡擴束后的光束比較粗， 該光束到達調(diào)節(jié)光圈后只有光軸中間部分可以通過調(diào)節(jié)光圈。如圖4所示，通過控制調(diào)節(jié)光圈中心孔直徑的大小可以起到選擇光束的作用，光圈中心孔直徑越小透過去的激光越接近高斯光束，也確保了得到更小的聚焦光斑，從調(diào)節(jié)光圈出來的激光束經(jīng)過遠(yuǎn)心透鏡聚焦后焦點的激光功率密度分布也是高斯分布，靠近紫外高斯激光束光軸的激光經(jīng)過聚焦后功率密度更高，在極短的時間內(nèi)破壞玻璃材料的分子結(jié)構(gòu)形成微孔，遠(yuǎn)離紫外高斯激光束光軸的激光功率密度要小很多，所以在短時間內(nèi)難以穿透玻璃材料，遠(yuǎn)離紫外高斯激光束光軸的激光打在玻璃膜片鉗芯片上形成微孔的錐面。通過控制調(diào)節(jié)光圈的中心直徑，可使玻璃膜片鉗芯片上形成漏斗狀微孔。本實用新型裝置通過在紫外激光器的激光輸出側(cè)依次設(shè)置位置相互對應(yīng)的擴束鏡、調(diào)節(jié)光圈、反射鏡、聚焦鏡和玻璃膜片鉗芯片夾具，使得聚焦后的紫外激光的高能量在極端的時間內(nèi)能破壞玻璃膜片鉗芯片夾具上玻璃材料的分子結(jié)構(gòu)，并在玻璃材料上形成均勻的孔洞；另外，調(diào)節(jié)光圈的主要的作用是控制擴束后的激光光斑大小，通過控制光斑的大小可以調(diào)節(jié)玻璃材料上微孔的直徑；并且，本實用新型還通過計算機數(shù)控系統(tǒng)控制紫外激光器和運動控制平臺，實現(xiàn)了整個加工流程的自動化。

圖1為單個膜片鉗芯片的工作原理圖；圖2為膜片鉗芯片微孔的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實用新型的膜片鉗芯片微孔加工裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為高斯光束調(diào)節(jié)的原理圖；其中，1-紫外激光器、2-擴束鏡、3-調(diào)節(jié)光圈、4-反射鏡、5-聚焦鏡、6_膜片鉗芯片夾具、7-運動控制平臺、8-計算機數(shù)控系統(tǒng)。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步的詳細(xì)說明如圖1所示的一種膜片鉗芯片微孔加工裝置，它包括紫外激光器1、擴束鏡2、調(diào)節(jié)光圈3、反射鏡4、聚焦鏡5、玻璃膜片鉗芯片夾具6、計算機數(shù)控系統(tǒng)8和運動控制平臺7，其中，紫外激光器1的輸出光路上設(shè)置擴束鏡2，擴束鏡2的輸出光路上設(shè)置調(diào)節(jié)光圈3，調(diào)節(jié)光圈3的輸出光路上設(shè)置反射鏡4，反射鏡4的反射輸出光路上設(shè)置聚焦鏡5，聚焦鏡5的輸出光路上設(shè)置玻璃膜片鉗芯片夾具6，上述計算機數(shù)控系統(tǒng)8的激光控制信號輸出端連接紫外激光器1的控制接口，計算機數(shù)控系統(tǒng)8的位置控制信號輸出端連接運動控制平臺 7的控制接口，玻璃膜片鉗芯片夾具6置于運動控制平臺7上。上述技術(shù)方案中，擴束鏡2的激光擴束倍數(shù)優(yōu)選為8 10倍。調(diào)節(jié)光圈3的光圈直徑可調(diào)范圍優(yōu)選為1. 2mm 1. 8mm。聚焦鏡5為遠(yuǎn)心透鏡，聚焦鏡5的聚焦半徑最小為 0. 7μπι。紫外激光器發(fā)出的紫外高斯激光束的波長范圍為266 355nm，頻率范圍為10 ΙΟΟΚΗζ，脈寬范圍為15 50ns，功率為1 7瓦。本實用新型的工作過程為將待加工的玻璃膜片嵌芯片放置在運動控制平臺上， 通過紅光指示找到第一個待加工孔的位置，打開紫外激光器1，設(shè)置紫外激光器1相應(yīng)的工作參數(shù)(包括電流20A、頻率為15-20KHZ)，使激光器工作在額定電流和溫度下，紫外激光器 1的模式設(shè)置為M0DE_1(首脈沖抑制模式)，使輸出的激光能量處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。紫外高斯激光束通過擴束鏡2擴束后再由調(diào)節(jié)光圈3取出孔徑范圍為1. 2 1. 8mm的紫外高斯激光束的中心光斑，然后由反射鏡4改變紫外高斯激光束的角度，最后通過聚焦鏡5對紫外激光聚焦，聚焦后到達玻璃膜片鉗鉗芯片夾具6夾住的玻璃材料上的光功率為1 2W之間，并在玻璃材料上鉆出微孔洞，調(diào)節(jié)聚焦鏡5將使紫外高斯激光束的焦點剛好落在待加工玻璃膜片嵌芯片的上表面。通過控制調(diào)節(jié)光圈的中心直徑，來使玻璃膜片鉗芯片上形成入口孔徑范圍為2 10 μ m，微孔出口孔徑范圍為1 2μπι的漏斗狀微孔，使用中，玻璃膜片鉗芯片厚度為0. Imm 0. 12mm。另外，通過計算機數(shù)控系統(tǒng)8控制紫外激光器1和運動控制平臺7，實現(xiàn)了整個加工流程的自動化。另外，本方法具體實施時，調(diào)節(jié)光圈直徑大小為1. 5mm，開激光并延時1秒鐘后， 取下玻璃膜片鉗芯片夾具6在光學(xué)顯微鏡下測量孔徑大??；如果玻璃材料沒有被打穿，則無法測量其大小，表明激光能量還不夠，需要將激光能量適度調(diào)大直到剛好能打穿為止，反之，如果出光孔孔徑大于了 2 μ m，則需要將激光能量適度調(diào)小直到滿足要求為止；如果入光孔孔徑偏大則將調(diào)節(jié)光圈的直徑調(diào)小，反之亦然。通過反復(fù)的調(diào)節(jié)測試最終確保加工的孔徑達到所要求的值為止。根據(jù)第一個孔的加工參數(shù)，通過數(shù)控軟件完成批量加工。本實用新型采用紫外激光加工玻璃材料的膜片鉗芯片，高峰值功率的紫外激光在極短時間內(nèi)破壞材料的微觀結(jié)構(gòu)形成大小均勻孔洞，為在玻璃上加工出微米級的孔洞以及使芯片進行大規(guī)模生產(chǎn)開辟了一條新途徑。本說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求1.一種膜片鉗芯片微孔加工裝置，其特征在于它包括紫外激光器(1)、擴束鏡O)、調(diào)節(jié)光圈(3)、聚焦鏡(5)和玻璃膜片鉗芯片夾具(6)，其中，所述紫外激光器(1)的輸出光路上設(shè)置擴束鏡0)，擴束鏡O)的輸出光路上設(shè)置調(diào)節(jié)光圈(3)，調(diào)節(jié)光圈(3)的輸出光路上設(shè)置聚焦鏡(5)，聚焦鏡(5)的輸出光路上設(shè)置玻璃膜片鉗芯片夾具(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜片鉗芯片微孔加工裝置，其特征在于它還包括反射鏡G)，調(diào)節(jié)光圈(3)的輸出光路上設(shè)置反射鏡G)，反射鏡(4)的反射輸出光路上設(shè)置聚焦鏡 ⑶。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的膜片鉗芯片微孔加工裝置，其特征在于它還包括計算機數(shù)控系統(tǒng)(8)和運動控制平臺(7)，其中，所述計算機數(shù)控系統(tǒng)(8)的激光控制信號輸出端連接紫外激光器(1)的控制接口，計算機數(shù)控系統(tǒng)(8)的位置控制信號輸出端連接運動控制平臺(7)的控制接口，所述玻璃膜片鉗芯片夾具(6)置于運動控制平臺(7)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的膜片鉗芯片微孔加工裝置，其特征在于所述擴束鏡(2) 的激光擴束倍數(shù)為8 10倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的膜片鉗芯片微孔加工裝置，其特征在于所述調(diào)節(jié)光圈 (3)的光圈直徑可調(diào)范圍為1. 2mm 1. 8mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的膜片鉗芯片微孔加工裝置，其特征在于所述聚焦鏡(5) 為遠(yuǎn)心透鏡，聚焦鏡(5)的聚焦半徑最小為0.7 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的膜片鉗芯片微孔加工裝置，其特征在于所述紫外激光器(1)發(fā)出的紫外高斯激光束的波長范圍為266 355nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的膜片鉗芯片微孔加工裝置，其特征在于所述紫外激光器(1)發(fā)出的紫外高斯激光束的頻率范圍為10 ΙΟΟΚΗζ，脈寬范圍為15 50ns，功率為 1 7瓦。
專利摘要本實用新型公開了一種膜片鉗芯片微孔加工裝置，它包括紫外激光器、擴束鏡、調(diào)節(jié)光圈、聚焦鏡和玻璃膜片鉗芯片夾具，紫外激光器的輸出光路上設(shè)置擴束鏡，擴束鏡的輸出光路上設(shè)置調(diào)節(jié)光圈，調(diào)節(jié)光圈的輸出光路上設(shè)置聚焦鏡，聚焦鏡的輸出光路上設(shè)置玻璃膜片鉗芯片夾具。本實用新型裝置使得聚焦后的紫外激光的高能量在極端的時間內(nèi)能破壞鉗芯片夾具上玻璃材料的分子結(jié)構(gòu)，并在玻璃材料上形成均勻的孔洞；并且，本實用新型還通過計算機數(shù)控系統(tǒng)控制紫外激光器和運動控制平臺，實現(xiàn)了整個加工流的自動化。
文檔編號C03B33/09GK202038984SQ20112003473
公開日2011年11月16日 申請日期2011年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月31日
發(fā)明者劉斌波, 吳浩, 應(yīng)花山, 徐駿平, 胡兵 申請人:華中科技大學(xué)