一種pdms薄膜液容測量裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種PDMS薄膜液容測量裝置及方法，該裝置包括輸出壓力可調的壓力施加模塊、觀測記錄模塊和處理分析模塊，所述壓力施加模塊將不同的壓力施加到帶有PDMS薄膜的半封裝微芯片，所述觀測記錄模塊獲取所述PDMS薄膜在不同壓力下發生變形的薄膜輪廓圖像，所述處理分析模塊對不同壓力下的薄膜輪廓圖像進行分析，得到變形后薄膜包裹的體積與所受到的壓力的一系列壓力/體積對應值，獲得壓力體積關系曲線，并根據所述壓力體積關系曲線得到PDMS薄膜液容與施加載荷壓力的壓力液容關系曲線。本發明可實現在微流控芯片制作過程中測量微芯片上PDMS薄膜液容，能夠在不知道材料參數和薄膜幾何尺寸的條件下準確測得薄膜液容。
【專利說明】
一種PDMS薄膜液容測量裝置及方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種PDMS薄膜液容測量裝置及方法。
【背景技術】
[0002]微流體芯片特別是具備高密度、大規模、高通量、多功能等特點的集成微流體芯片，已經在化學和生物學等領域發揮著重要的作用。與宏觀尺度的實驗裝置相比，這一技術顯著降低了樣品的消耗量，提高了反應效率。同時也降低了實驗產生廢物對環境的污染;集成微流體芯片操作的并行優勢可以實現實驗的高通量、自動化控制;并且可以通過微閥微栗等微細結構進行精確控制。這使得微流體芯片在分析領域中具有不可替代的優勢。此外，微流控制作工藝逐漸延伸到其他領域，例如微流控光學等。
[0003]微流控芯片的一種主要制備材料是聚二甲基硅氧烷(PDMS)，PDMS在微流控，微流控光學等領域有巨大的優勢，例如:PDMS具有超彈性，良好的透光性、生物相容性，易于表面改性處理，可以通過軟光刻制作廉價的微流控器件等優點。基于以上有點，PDMS廣泛用于生物，化學，光學等領域。在設計PDMS器件時常常設計出PDMS薄膜結構來實現特定的功能，例如，微流控薄膜微栗、微傳感器、薄膜濾波器、直流/交流轉換結構、PDMS光學透鏡等。在實際應用中，這些薄膜結構變形后的輪廓或變形時的薄膜固有性質對PDMS器件的性能有重要影響，甚至起決定性作用。例如I3DMS光學透鏡對PDMS薄膜曲面的曲率半徑和透鏡焦距有嚴格要求，曲面輪廓決定透鏡的特性;在薄膜微栗中，薄膜的固有頻率和變形能力決定微栗的排量和動態頻率上限等，在薄膜濾波器中決定其濾波能力。而這些都和薄膜的變形能力和薄膜固有屬性——液容密切相關。超彈性薄膜液容的定義為薄膜變形時，單位壓力變化引起的體積變化，即體積對壓力的微分。
[0004]已有薄膜變形理論可以很好得求出小變形時薄膜液容，而大變形理論是復雜的近似求解過程，在實際應用時多有不便。目前對薄膜大變形時薄膜液容的研究還有不足。由于PDMS薄膜的液容對微芯片性能有重要影響，在芯片應用時必須已知薄膜液容，但是芯片制作完成后，薄膜完全封裝在芯片內部無法測量，因此需要在微芯片制作完成之前測得薄膜液容。
【發明內容】
[0005]本發明的主要目的在于克服現有技術的不足，提供一種PDMS薄膜液容測量裝置及方法。
[0006]為實現上述目的，本發明采用以下技術方案:
[0007 ] 一種PDMS薄膜液容測量裝置，包括輸出壓力可調的壓力施加模塊、觀測記錄模塊和處理分析模塊，所述壓力施加模塊將不同的壓力施加到帶有PDMS薄膜的半封裝微芯片，所述觀測記錄模塊獲取所述PDMS薄膜在不同壓力下發生變形的薄膜輪廓圖像，所述處理分析模塊對不同壓力下的薄膜輪廓圖像進行分析，得到變形后薄膜包裹的體積與所受到的壓力的一系列壓力/體積對應值，獲得壓力體積關系曲線，并根據所述壓力體積關系曲線得到PDMS薄膜液容與施加載荷壓力的壓力液容關系曲線。
[0008]進一步地:
[0009]所述壓力施加模塊包括氣源和氣壓控制器，所述氣源輸出的氣壓經過所述氣壓控制器的調節后輸送到所述半封裝微芯片，所述氣壓控制器受計算機指令控制進行氣壓的調
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[0010]所述壓力施加模塊包括注射栗與壓力控制器，所述注射栗輸出的液壓經過所述壓力控制器的調節后輸送到所述半封裝微芯片，所述壓力控制器受計算機指令控制進行液壓的調節。
[0011]所述觀測記錄模塊包括顯微鏡和相機，所述相機與所述顯微鏡的相機接口對接。
[0012]所述半封裝微芯片放置在顯微鏡載物臺上，所述PDMS薄膜所在平面與所述顯微鏡載物臺垂直，與所述顯微鏡的物鏡光軸平齊。
[0013]所述半封裝微芯片與長方體基準塊固定在一起，通過所述長方體基準塊放置在所述顯微鏡載物臺上。
[0014]一種PDMS薄膜液容測量方法，使用所述PDMS薄膜液容測量裝置進行PDMS薄膜液容的測量，其中通過所述壓力施加模塊將不同的壓力施加到帶有PDMS薄膜的半封裝微芯片，通過所述觀測記錄模塊獲取所述PDMS薄膜在不同壓力下發生變形的薄膜輪廓圖像，由所述處理分析模塊對不同壓力下的薄膜輪廓圖像進行分析，得到變形后薄膜包裹的體積與所受到的壓力的一系列壓力/體積對應值，獲得壓力體積關系曲線，并根據所述壓力體積關系曲線得到PDMS薄膜液容與施加載荷壓力的壓力液容關系曲線。
[0015]進一步地:
[0016]測量過程中，以在一定壓力載荷范圍內取相同壓力步長的方式逐步調節所述壓力施加模塊施加到所述半封裝微芯片的壓力載荷，同時觀測和記錄所述PDMS薄膜在不同壓力下發生變形的薄膜輪廓圖像，優選地，壓力載荷范圍取Ombar到25mbar，步長為0.5mbar。
[0017]對不同壓力下的薄膜輪廓圖像進行分析包括以下步驟:
[0018]將薄膜輪廓圖像調整成圖像基線處于水平狀態；
[0019]使用圖像處理算法由所述薄膜輪廓圖像獲得薄膜邊界輪廓線；
[0020]利用薄膜邊界輪廓線，通過積分求得變形薄膜形成的類球缺體積，其中每一個不同的壓力載荷對應一個不同的體積，得到一系列壓力/體積對應值，進而獲得壓力體積關系曲線，優選地，通過壓力/體積對應值做多項式擬合，得到的擬合曲線為所述壓力體積關系曲線；
[0021]對所述壓力體積關系曲線進行微分，得到所述壓力液容關系曲線。
[0022]所述薄膜邊界輪廓線使用直接閾值法和/或CV水平集算法獲得。
[0023]本發明的有益效果:
[0024]本發明提供了一種PDMS薄膜液容的測量裝置和方法，通過壓力施加模塊將不同的壓力施加到帶有PDMS薄膜的半封裝微芯片，觀測獲取所述PDMS薄膜在不同壓力下發生變形的薄膜輪廓圖像，再對不同壓力下的薄膜輪廓圖像進行分析，最終得到TOMS薄膜液容與施加載荷壓力的壓力液容關系曲線，從而實現在微流控芯片制作過程中測量微芯片上PDMS薄膜液容，能夠在不知道薄膜的材料參數和幾何尺寸參數的條件下，方便而又準確地測得薄膜液容。因為是實際測量，所以本發明比有限元仿真更加方便準確，并且也彌補了 PDMS薄膜大變形時薄膜液容研究的不足，能夠為PDMS器件上薄膜結構的設計提供十分有益的、重要的指導。本發明的另一優勢在于，由于對在微芯片制作過程中的半封裝微芯片進行薄膜結構的液容測量，有效避免了芯片制作完成后，薄膜封裝在芯片內部而無法測量的困難。因此，本發明尤其適用于封裝在微芯片內部的薄膜液容的測量。
【附圖說明】
[0025]圖1示出了一種半封裝微芯片樣片的制作過程。
[0026]圖2示出了本發明實施例的PDMS薄膜液容測量裝置結構示意圖。
[0027]圖3示出了液容測量中抓取的薄膜變形圖片和圖片處理。
[0028]圖4示出了薄膜變形體積與施加壓力的關系和薄膜液容與施加壓力的關系。
【具體實施方式】
[0029]以下對本發明的實施方式作詳細說明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發明的范圍及其應用。
[0030]參閱圖2至圖4，在一種實施例中，一種PDMS薄膜液容測量裝置，包括輸出壓力可調的壓力施加模塊、觀測記錄模塊和處理分析模塊，所述壓力施加模塊將不同的壓力施加到帶有PDMS薄膜的半封裝微芯片208(帶薄膜未完成的微芯片)，所述觀測記錄模塊獲取所述PDMS薄膜在不同壓力下發生變形的薄膜輪廓圖像，所述處理分析模塊對不同壓力下的薄膜輪廓圖像進行分析，得到變形后薄膜包裹的體積與所受到的壓力的一系列壓力/體積對應值，獲得壓力體積關系曲線，并根據所述壓力體積關系曲線得到PDMS薄膜液容與施加載荷壓力的壓力液容關系曲線。
[0031]在一些實施例中，所述壓力施加模塊包括氣源和氣壓控制器202，所述氣源輸出的氣壓經過所述氣壓控制器202的調節后輸送到所述半封裝微芯片208，所述氣壓控制器202受計算機203指令控制進行氣壓的調節。
[0032]在另一些實施例中，所述壓力施加模塊包括注射栗與壓力控制器，所述注射栗輸出的液壓經過所述壓力控制器的調節后輸送到所述半封裝微芯片208，所述壓力控制器受計算機指令控制進行液壓的調節。
[0033]在一些實施例中，所述觀測記錄模塊包括顯微鏡205和相機204，所述相機204與所述顯微鏡205的相機接口對接。
[0034]在優選的實施例中，所述半封裝微芯片208放置在顯微鏡載物臺206上，所述PDMS薄膜所在平面與所述顯微鏡載物臺206上垂直，與所述顯微鏡的物鏡光軸平齊。
[0035]在更優選的實施例中，所述半封裝微芯片208與長方體基準塊207固定在一起，通過所述長方體基準塊207放置在所述顯微鏡載物臺206上。
[0036]參閱圖2至圖4，在另一種實施例中，一種PDMS薄膜液容測量方法，使用前述任一實施例的PDMS薄膜液容測量裝置進行PDMS薄膜液容的測量，其中通過所述壓力施加模塊將不同的壓力施加到帶有I3DMS薄膜的半封裝微芯片208，通過所述觀測記錄模塊獲取所述PDMS薄膜在不同壓力下發生變形的薄膜輪廓圖像，由所述處理分析模塊對不同壓力下的薄膜輪廓圖像進行分析，得到變形后薄膜包裹的體積與所受到的壓力的一系列壓力/體積對應值，獲得壓力體積關系曲線，并根據所述壓力體積關系曲線得到PDMS薄膜液容與施加載荷壓力的壓力液容關系曲線。
[0037]在優選的實施例中，測量過程中，以在一定壓力載荷范圍內取相同壓力步長的方式逐步調節所述壓力施加模塊施加到所述半封裝微芯片208的壓力載荷，同時觀測和記錄所述PDMS薄膜在不同壓力下發生變形的薄膜輪廓圖像，優選地，壓力載荷范圍取Ombar到25mbar，步長為0.5mbar。
[0038]在優選的實施例中，對不同壓力下的薄膜輪廓圖像進行分析包括以下步驟:
[0039]將薄膜輪廓圖像調整成圖像基線處于水平狀態；
[0040]使用圖像處理算法由所述薄膜輪廓圖像獲得薄膜邊界輪廓線；
[0041]利用薄膜邊界輪廓線，通過積分求得變形薄膜形成的類球缺體積，其中每一個不同的壓力載荷對應一個不同的體積，得到一系列壓力/體積對應值，進而獲得壓力體積關系曲線，優選地，通過壓力/體積對應值做多項式擬合，得到的擬合曲線為所述壓力體積關系曲線；
[0042]對所述壓力體積關系曲線進行微分，得到所述壓力液容關系曲線。
[0043]在具體的實施例中，所述薄膜邊界輪廓線可使用直接閾值法和/或CV水平集算法等圖像處理算法獲得。
[0044]以下結合附圖對本發明的具體實施例及其優點作進一步說明。
[0045]半封裝微芯片樣片的制備方法
[0046]參閱圖1，經過軟光刻制作等步驟完成半封裝微芯片樣片制備，具體包括以下過程:101.拋光硅片，102.旋涂光刻膠(負膠)、前烘，103.光刻、后烘，104.顯影、堅模，105.傾倒H)MS(10:1)復制光刻圖形、烘烤，106.等離子處理PDMS微結構一側，107.拋光硅片，108.旋涂PDMS(RTV615固化劑和預聚物的比例為1:10)、烘烤、等離子處理PDMS薄膜表面，109.鍵合106、108的等離子處理面、烘烤，110.使微流道充滿水、防止薄膜與流道壁面貼合，111.使PDMS結構與硅片分離、形成半封裝的微芯片。半封裝微芯片流道一側僅鍵合一層PDMS薄膜，薄膜覆蓋圓形微結構后形成圓形薄膜，作為測量部分，微芯片的進液(進氣)孔通過金屬毛細管與外部導管相連。芯片制作過程還可以使用玻璃，PMMA等材料，使用電子束，化學等刻蝕手段，薄膜可為圓形，矩形等具有對稱性的幾何形狀。
[0047]PDMS薄膜液容測量裝置
[0048]PDMS薄膜液容測量裝置包括壓力施加模塊(包括氣壓控制器202、氮氣瓶201、導管209)和觀測記錄模塊(包括計算機203、相機204、顯微鏡205的物鏡、顯微鏡載物臺206)。將半封裝微芯片208與一長方體的基準塊207固定在一起并放置在顯微鏡載物臺上，以保證薄膜所在平面與載物臺垂直。相機204可采用科研數碼相機，相機204與顯微鏡205的相機接口對接，數據線與計算機相203連，相機受計算機控制。氣壓控制器202由氮氣瓶201供氣，并接受計算機氣壓控制命令，氣壓控制器202的輸出經過導管209作用在208的薄膜上。
[0049]PDMS薄膜液容測量平臺由氮氣瓶201 (或其他手段，如空壓機與氣動三聯件的組合)提供氣源，氮氣瓶201輸出氣壓經過氣壓控制器202調節，輸出穩定的氣體壓力。氣壓控制器202可以接受來自計算機203的命令，調節氣壓控制器202輸出氣壓的大小，氣壓控制器202輸出的氣體經過導管209進入半封裝微芯片208并作用在其薄膜上。另外，也可以使用注射栗等恒流源與壓力傳感器并聯的方式為薄膜提供壓力載荷。
[0050]對PDMS薄膜液容進行測量時，氣壓控制器202可由操作人員通過計算機203的軟件界面進行控制，調節其輸出氣壓的大小，將不同的壓力分別作用于半封裝微芯片208的PDMS薄膜上，同時，通過顯微鏡觀測不同壓力下的薄膜變形，并用相機204獲取薄膜輪廓圖片301。較佳地，可以以在一定壓力范圍內取相同壓力步長的方式調節氣壓控制器202輸出氣壓的大小。
[0051]為了保證薄膜液容測量的準確性，優選使半封裝微芯片208上的薄膜所在平面與顯微鏡載物臺206垂直，從而保證薄膜變形后，相機可以獲取準確的薄膜輪廓。較佳地，將基準塊207與半封裝微芯片208固定在一起，置于顯微鏡載物臺206上，調整顯微鏡載物臺，使薄膜處于顯微鏡視場中。
[0052]PDMS薄膜液容測量方法
[0053]將半封裝的微流控芯片與基準塊固定后置于顯微鏡載物臺上;氣體氣壓控制器由氮氣瓶提供氣源，由計算機控制其輸出壓力的大小;所述氣體氣壓控制器輸出一系列穩定壓力，通過導管進入所述半封裝微流控芯片，作用于微芯片上的PDMS薄膜上，薄膜變形后凸起;將顯微鏡和數碼相機相結合，用來獲取變形薄膜的輪廓圖片;通過圖像處理獲取薄膜外輪廓邊界，考慮薄膜幾何形狀的對稱性，可以利用薄膜輪廓邊界，通過積分獲得變形后薄膜包裹的體積，通過調節壓力可獲得一系列壓力/體積值;再將實驗所得壓力體積離散點做多項式擬合，根據液容定義，對擬合曲線求微分得到液容與壓力的關系。
[°°54] 測量過程中，壓力載荷范圍取Ombar到25mbar，步長為0.5mbar。通過計算機控制氣壓控制器202輸出不同的壓力。通過顯微鏡205調節使相機204成像呈最清晰狀態并抓取不同壓力值下的薄膜變形，如301所示。
[0055]圖像處理算法及后期數據處理步驟如下:首先，將薄膜變形圖片301做旋轉微調使圖片基線處于水平狀態，如圖302所示；其次，將薄膜變形圖片302切割，只取薄膜部分303;再次，使用圖像處理算法處理薄膜變形圖片303，獲得薄膜邊界輪廓線，例如，使用直接閾值或者CV水平集等圖像處理算法獲得薄膜邊界輪廓線，如薄膜邊界輪廓線304中的紅線(直接閾值法)和藍線(CV水平集算法)，圖像處理算法不限于以上兩種；由于薄膜的對稱性，利用薄膜邊界輪廓線304，通過積分求得變形薄膜形成的類球缺體積，而每一個不同的壓力載荷對應一個不同的體積，得到一系列壓力/體積對應值，從而可獲得壓力體積關系曲線401(可對實驗所得的一系列壓力、體積對應值做多項式擬合，得到擬合曲線)；再對壓力體積關系曲線401求微分，得到壓力液容關系曲線402，即PDMS薄膜液容與施加載荷壓力的關系。
[0056]以上內容是結合具體/優選的實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，其還可以對這些已描述的實施方式做出若干替代或變型，而這些替代或變型方式都應當視為屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種roMS薄膜液容測量裝置，其特征在于，包括輸出壓力可調的壓力施加模塊、觀測記錄模塊和處理分析模塊，所述壓力施加模塊將不同的壓力施加到帶有PDMS薄膜的半封裝微芯片，所述觀測記錄模塊獲取所述PDMS薄膜在不同壓力下發生變形的薄膜輪廓圖像，所述處理分析模塊對不同壓力下的薄膜輪廓圖像進行分析，得到變形后薄膜包裹的體積與所受到的壓力的一系列壓力/體積對應值，獲得壓力體積關系曲線，并根據所述壓力體積關系曲線得到PDMS薄膜液容與施加載荷壓力的壓力液容關系曲線。2.如權利要求1所述的PDMS薄膜液容測量裝置，其特征在于，所述壓力施加模塊包括氣源和氣壓控制器，所述氣源輸出的氣壓經過所述氣壓控制器的調節后輸送到所述半封裝微芯片，所述氣壓控制器受計算機指令控制進行氣壓的調節。3.如權利要求1所述的PDMS薄膜液容測量裝置，其特征在于，所述壓力施加模塊包括注射栗與壓力控制器，所述注射栗輸出的液壓經過所述壓力控制器的調節后輸送到所述半封裝微芯片，所述壓力控制器受計算機指令控制進行液壓的調節。4.如權利要求1至3任一項所述的PDMS薄膜液容測量裝置，其特征在于，所述觀測記錄模塊包括顯微鏡和相機，所述相機與所述顯微鏡的相機接口對接。5.如權利要求4所述的PDMS薄膜液容測量裝置，其特征在于，所述半封裝微芯片放置在顯微鏡載物臺上，所述PDMS薄膜所在平面與所述顯微鏡載物臺垂直，與所述顯微鏡的物鏡光軸平齊。6.如權利要求5所述的PDMS薄膜液容測量裝置，其特征在于，所述半封裝微芯片與長方體基準塊固定在一起，通過所述長方體基準塊放置在所述顯微鏡載物臺上。7.一種PDMS薄膜液容測量方法，其特征在于，使用如權利要求1至6任一項所述PDMS薄膜液容測量裝置進行PDMS薄膜液容的測量，其中通過所述壓力施加模塊將不同的壓力施加到帶有PDMS薄膜的半封裝微芯片，通過所述觀測記錄模塊獲取所述PDMS薄膜在不同壓力下發生變形的薄膜輪廓圖像，由所述處理分析模塊對不同壓力下的薄膜輪廓圖像進行分析，得到變形后薄膜包裹的體積與所受到的壓力的一系列壓力/體積對應值，獲得壓力體積關系曲線，并根據所述壓力體積關系曲線得到PDMS薄膜液容與施加載荷壓力的壓力液容關系曲線。8.如權利要求7所述的PDMS薄膜液容測量方法，其特征在于，測量過程中，以在一定壓力載荷范圍內取相同壓力步長的方式逐步調節所述壓力施加模塊施加到所述半封裝微芯片的壓力載荷，同時觀測和記錄所述PDMS薄膜在不同壓力下發生變形的薄膜輪廓圖像，優選地，壓力載荷范圍取Ombar到25mbar，步長為0.5mbar。9.如權利要求7或8所述的PDMS薄膜液容測量方法，其特征在于，對不同壓力下的薄膜輪廓圖像進行分析包括以下步驟: 將薄膜輪廓圖像調整成圖像基線處于水平狀態； 使用圖像處理算法由所述薄膜輪廓圖像獲得薄膜邊界輪廓線； 利用薄膜邊界輪廓線，通過積分求得變形薄膜形成的類球缺體積，其中每一個不同的壓力載荷對應一個不同的體積，得到一系列壓力/體積對應值，進而獲得壓力體積關系曲線，優選地，通過壓力/體積對應值做多項式擬合，得到的擬合曲線為所述壓力體積關系曲線； 對所述壓力體積關系曲線進行微分，得到所述壓力液容關系曲線。10.如權利要求9所述的PDMS薄膜液容測量方法，其特征在于，所述薄膜邊界輪廓線使用直接閾值法和/或CV水平集算法獲得。
【文檔編號】G01N19/00GK105842151SQ201610157510
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月18日
【發明人】錢翔, 張文輝, 劉興陽, 彭誠, 王曉浩, 彌勝利, 倪凱, 余泉
【申請人】清華大學深圳研究生院