基于CO_2激光雕刻机的微流控分析芯片快速制造系统的研究

　　现代仪器（www.基于CO2激光雕刻机的微流控分析芯片快速制造系统的研究赵小网张思祥（河北工业大学现代测控技术研究所天津300130）加工微流控芯片的方法。基于C2激光雕刻机控制器原理及图像处理理论，开发研究针对BMP图像文件格式适用于激光雕刻的软件，通过图形处理生成加工路径文件后，经过再处理得到插补数据，利用半步偏差-几何最优法插补程序实现对XY轴步进电机和激光电源的控制，从而实现雕刻加工，将激光雕刻加工出的盖片和基片进行键合，从而制作出微流控芯片。

　　微型全分析系统，或称芯片实验室（Lab-on-a-chip）是一个跨学科的新领域〔12.其中的关键部分微流控芯片的加工方法起源于微电子工业的微机电加工技术和微电子加工技术，但它又不同于以硅材料二维浅深度加工为主的集成电路芯片加工技术。微管道的加工宽度和深度比集成电路芯片大的多，加工精度要求则相对较低。近来，随着微流控芯片应用领域的扩大，微流控芯片的加工技术已经成为人们关心的热点课题。本文采用的微流控芯片加工技术是建立在激光雕刻技术（LASER CARVING）基础之上的，并对之作一定的改进。

　　激光雕刻采用数控技术或计算机控制，所以只要在计算机上编程，即可实现激光雕刻输出，更改图案内容非常容易，从根本上替代传统的模具制作过程，为缩短产品升级换代周期及柔性生产提供有力工具。激光雕刻加工方式灵活，既可以适应实验室式单件小批量生产的需要，又可以满足工业化大批量、高效率、快节奏的现代化生产的要求。

　　1光学系统的布局设计光学系统是影响激光雕刻质量的重要因素之一，其作用是产生激光然后把激光引入聚焦物镜并聚焦在加工芯片上，主要由激光器、激光电源、反射镜、激光头等几部分组成。合理选用各个部件并最优化地安装在1.激光管；2反射镜；3聚焦镜；4加工芯片；工作台2控制系统设计是基于PC并口的激光雕刻机具体组成示意图，它主要是由光学系统、机械系统、计算机控制系统组成。中可以看出激光雕刻机的加工主要是通过激光头相对加工芯片运动来完成，光学系统为激光头提供加工所需的激光，XY轴步进电机由计算机通过直线插补方法控制激光头进给，在进给过程中随着激光电源的开、关在芯片基片上雕刻出芯片加工图形。

　　激光管的功率和出光效率、反射系统的反射率和反射效率都会直接影响激光雕刻机的雕刻深度。因此，设计时必须遵循以下几个原则：（1）在激光电源和激光功率一定的情况下，尽量选用出光效率高的激光管。（2）激光管的直线度应能满足激光雕刻机雕刻、扫描两种加工方式的要求。（3）选用反射效率高的反射镜，并保持其镜面洁净。（4）各反射镜的中心两两之间应保持在同一直线上。（5）合理布局，使激光管、反射镜、激光头相互之间的传输距离最短，尽量减少在传输过程中激光功率的损耗。

　　3控制系统的工作原理激光雕刻机控制系统的工作原理比较简单，首先，将HPGL格式的加工路径文件转成插补程序所需要的数据格式；通过插补程序将进给数据（AxAy）以及激光电源开、关数据（IO）从并口的数据寄存器境外围放大电路输出，从而来控制步进电机的进给和激光电源的开关。

　　对于激光雕刻机必须保证在雕刻加工时，加工芯片固定在工作台上，而激光头相对于加工芯片作横向（X向）和纵向（Y向）运动，所以需要有X向和Y向的进给驱动。本激光雕刻机采用步进电机进给系统，通过与机械驱动结构组合来实现所要求的功能。步进电机进给系统由步进电机本体、驱动器以及机械驱动结构所组成（见）。

　　驱动器步进电机机械驱动结构步进电机进给系统组成框Y向步进电机；2 Y向主动齿轮；3Y向被动齿轮；4Y向驱动齿轮；5同步带；6. X向步进电机；7滚动导轨；8.固定滑轮；9反光镜；10.横梁；11X向主动齿轮；12传动杆是整个激光雕刻机的进给系统在工作台上布局示意图。激光雕刻机的Y向进给工作过程是通过步进电机带动主动齿轮将步进电机的转动传递给被动齿轮，后者带动传动杆上的驱动齿轮转动，从而再由同步带使安装在其上的横梁上下移动，这样，安装在横梁上的反光镜便完成纵向进给。激光雕刻机的X向进给工作过程比较简单，直接由安装在横梁上的步进电机带动同步带，再由同步带带动反光镜做左右移动，完成横向进给。当激光雕刻机的步进电机同时工作时，XY向进给装置便配合插补程序实现各种几何图形（直线、圆弧等）的加工（本激光雕刻机中主要是直线进给，因为芯片雕刻中大部分的图形都是由直线构成）。

　　4芯片的键合设备5结果分析本芯片激光雕刻加工系统制作的芯片采用PMMA或其它有机板材为机板材料，这种材料较为普遍，并且适应性较好，易键合，小批量生产成本低。

　　采用激光刻蚀方法，步骤简便，灵活性高，加工周期较短，精度好，不必在超净实验室中进行。加工沟道宽度可达50Mm，如能米用点光源精度更好的YAG激光器，加工精度会更高，可达1~.