一种基于微流控技术的微结构气体探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及气体探测器技术领域，特别是涉及一种基于微流控技术的微结构气体探测器及其制备方法。

背景技术

微结构气体探测器（Micro-Pattern Gaseous Detector，MPGD）具有高计数率、抗辐射、高精度位置灵敏等诸多优异特性，是当前气体探测器研究的前沿方向，在核与粒子物理实验研究、核工业辐射探测、放射医疗影像等方面有着广泛的应用需求。微网格气体探测器（Micro-Mesh Gaseous Structure，Micromegas）是MPGD的典型代表之一，高性能、高效率的Micromegas制造方法研究具有重大的科学价值和实用意义。

面对越来越丰富的微流控制造技术的应用需求，在现有技术中，主要包括法国Saclay实验室和CERN研发的Bulk技术和申请人团队研发的热压接制作技术。

现有技术中的Bulk技术，首先将光敏薄膜、不锈钢丝网，层层压接在读出电路板上，然后利用紫外光辐照和化学刻蚀实现丝网和读出阳极板之间支撑结构的制作。这种方法制作的支撑结构通常直径为200μm-400μm，间距为2mm。该技术方案存在如下缺点：

(1)技术复杂，污染环境：这种方法对准直曝光，刻蚀有较苛刻的要求，需要专门的仪器设备，而且化学刻蚀不可避免对环境有较大的污染，所以很难推广使用。

(2)对材料限制苛刻，扩展性差：曝光刻蚀技术也决定了探测器的雪崩支撑间距不能太大，限制了探测器结构的演变。比如在一些低气压应用环境下，需要探测器的雪崩气隙由100μm增大到500μm，或者采用双层丝网结构的新结构探测器，Bulk工艺就无法适用。

(3)大面积清洗困难，打火问题突出：当探测器的面积达到米量级时，这种技术中的刻蚀清洗过程将变得非常困难，所以在ATLAS升级项目中，采用Bulk技术的微网格气体探测器（Micromegas）被迫采用可拆卸的悬浮丝网来应对这一问题。

而现有技术中的热压接技术，目前仍然采用手动制作，制作耗时，且人工操作控制精度重复性差，其批量化制作问题尚未解决，这些问题制约着探测器性能的进一步提升以及新型结构的研制。比如当探测器面积增大到500mm×500mm，受限于手动制作的精度和效率，现有的方法已经很难实现；而且，双层及多层丝网结构的新结构探测器要求极高的工艺控制精度，现有的方法也无法满足。

综上，现有技术的技术方案存在工艺复杂，刻蚀所需的溶剂不易处理、污染环境，大面积探测器容易打火等不足，更无法实现批量化制作。大面积、低成本、高效率的探测器制作技术需求日益紧迫，但当前制造技术的制作效率不高，且制作品质难以控制，严重制约了微结构气体探测器的发展和应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于微流控技术的微结构气体探测器及其制备方法，能够提高微结构气体探测器的制作效率和探测器品质。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于微流控技术的微结构气体探测器的制备方法，包括：

将多个支撑垫片吸附于微流控系统的微流控芯片表面，使多个所述支撑垫片在所述微流控芯片表面以设定间距单层排布；

利用图像识别方法控制机械臂将所述微流控芯片表面的多个所述支撑垫片固定于读出电路板上，固定于所述读出电路板上的多个所述支撑垫片形成支撑结构；所述图像识别方法包括霍夫找圆、边缘检测和轮廓提取；

在所述支撑结构上设置微网电极；

在所述微网电极上设置固定胶层；

将漂移电极设置于气盒的内顶壁上；

将所述气盒的底部与所述读出电路板的边缘密封连接，使所述漂移电极、所述固定胶层、所述微网电极和所述支撑结构密封于所述气盒内部，得到微结构气体探测器。

可选地，所述微流控系统包括微流控芯片、循环泵、驱动控制电路、连接管路和流体控制阀；所述微流控芯片通过所述连接管路与所述循环泵连接；所述驱动控制电路和所述流体控制阀均与所述循环泵连接；

所述将多个支撑垫片吸附于微流控系统的微流控芯片表面，使多个所述支撑垫片在所述微流控芯片表面以设定间距单层排布，具体包括：

将所述微流控芯片放置于盛放有分散液和多个所述支撑垫片的托盘中；

通过所述驱动控制电路和所述流体控制阀协同调控所述循环泵的流速，使所述托盘中的多个所述支撑垫片吸附于所述微流控芯片表面；

控制所述循环泵以设定流速对所述微流控芯片表面进行冲刷，直至所述微流控芯片表面的多个所述支撑垫片以设定间距单层排布。

可选地，所述分散液为乙醇或水。

可选地，所述利用图像识别方法控制机械臂将所述微流控芯片表面的多个所述支撑垫片固定于读出电路板上，固定于所述读出电路板上的多个所述支撑垫片形成支撑结构，具体包括：

利用图像识别方法对所述微流控芯片表面的多个所述支撑垫片进行筛选，确定除具有缺陷状态的支撑垫片以外的支撑垫片为目标支撑垫片；所述缺陷状态包括垫片毛刺、切割不完全和形状不规则；

控制所述机械臂将所述目标支撑垫片抓取并固定于读出电路板上，固定于所述读出电路板上的多个所述目标支撑垫片形成所述支撑结构。

可选地，控制所述机械臂将所述目标支撑垫片固定于读出电路板上，具体包括：

当所述目标支撑垫片为热粘接型支撑垫片时，加热所述读出电路板的温度至设定温度，控制机械臂将所述目标支撑垫片抓取并固定于设定温度的读出电路板上。

可选地，所述控制所述机械臂将所述目标支撑垫片抓取并固定于读出电路板上，具体包括：

当所述目标支撑垫片为非粘接型材料的支撑垫片时，先利用自动点胶机或丝网印刷方法对所述读出电路板进行粘接胶涂覆，然后控制所述机械臂将所述目标支撑垫片粘接固定于读出电路板上；所述非粘接型材料包括：陶瓷、聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯。

可选地，所述气盒材质为玻璃、陶瓷或金属。

本发明还提供了一种基于微流控技术的微结构气体探测器，采用上述的制备方法制备，所述微结构气体探测器包括：读出电路板、支撑结构、微网电极、固定胶层、气盒和漂移电极；

所述支撑结构包括多个支撑垫片；多个所述支撑垫片的排布方式是采用微流控系统和图像识别方法确定的；多个所述支撑垫片的排布方式是以设定间距单层排布；所述气盒为底部开口的腔体；

所述读出电路板上由底到顶依次设置所述支撑结构、所述微网电极和所述固定胶层；所述气盒的底部与所述读出电路板密封连接；所述支撑结构、所述微网电极和所述固定胶层封装于所述气盒内；所述漂移电极设置于所述气盒的内顶壁上。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种基于微流控技术的微结构气体探测器及其制备方法，在制备该微结构气体探测器中的支撑结构时，首先使支撑垫片在微流控系统的微流控芯片表面以设定间距单层排布，然后利用图像识别方法控制机械臂将微流控芯片表面的支撑垫片固定于读出电路板上，固定于读出电路板上的多个支撑垫片形成该支撑结构，可见，本发明的制备方法通过微流控系统和图像识别方法实现多个支撑垫片的整齐排布，提高了微结构气体探测器的制作效率，采用上述制备方法制备的微结构气体探测器，提高了探测器品质。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明微结构气体探测器的制备方法的流程示意图；

图2为本实施例中将支撑垫片放在托盘中的结构示意图；

图3为本实施例中微流控系统应用时的流程示意图；

图4为本实施例中完成排布的支撑垫片示意图；

图5为本实施例中利用图像识别控制机械臂的位置示意图；

图6为本实施例中第四步进行微结构气体探测器制作的结果示意图；

图7为本发明微结构气体探测器的结构示意图；

符号说明：

1-读出电路板；2-支撑结构；3-微网电极；4-固定胶层；5-漂移电极；6-气盒。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于微流控技术的微结构气体探测器及其制备方法，能够提高微结构气体探测器的制作效率和探测器品质。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种基于微流控技术的微结构气体探测器的制备方法，包括：

步骤100：将多个支撑垫片吸附于微流控系统的微流控芯片表面，使多个所述支撑垫片在所述微流控芯片表面以设定间距单层排布。

步骤200：利用图像识别方法控制机械臂将所述微流控芯片表面的多个支撑垫片固定于读出电路板上，固定于所述读出电路板上的多个支撑垫片形成支撑结构；所述图像识别方法包括霍夫找圆、边缘检测和轮廓提取。

步骤300：在所述支撑结构上设置微网电极。

步骤400：在所述微网电极上设置固定胶层。其中，固定胶层为点状分布，对应支撑结构位置上方，胶点透过微网电极网孔与支撑结构垫片接触，从而将支撑结构和微网电极粘接成一体（图6所示）。支撑结构将微网电极与阳极电路（读出电路板）间隔形成100微米量级的间隙是探测器倍增的核心结构。

步骤500：将漂移电极设置于气盒的内顶壁上。

步骤600：将所述气盒的开口处与所述读出电路板的边缘密封连接，使所述漂移电极、所述固定胶层、所述微网电极和所述支撑结构密封于所述气盒内部，得到微结构气体探测器。

其中，所述气盒材质为玻璃、陶瓷或金属。

作为步骤100的一种具体的实施方式，具体包括：

所述微流控系统包括微流控芯片、循环泵、驱动控制电路、连接管路和流体控制阀；所述微流控芯片通过所述连接管路与所述循环泵连接；所述驱动控制电路和所述流体控制阀均与所述循环泵连接。

将所述微流控芯片放置于盛放有分散液和多个所述支撑垫片的托盘中；通过所述驱动控制电路和所述流体控制阀协同调控所述循环泵的流速，使所述托盘中的多个所述支撑垫片吸附于所述微流控芯片表面；控制所述循环泵以设定流速对所述微流控芯片表面进行冲刷，直至所述微流控芯片表面的多个所述支撑垫片以设定间距单层排布。

其中，所述分散液为乙醇或水。

作为步骤200的一种具体的实施方式，具体包括：

利用图像识别方法对所述微流控芯片表面的多个所述支撑垫片进行筛选，确定除具有缺陷状态的支撑垫片以外的支撑垫片为目标支撑垫片；所述缺陷状态包括垫片毛刺、切割不完全和和形状不规则；控制所述机械臂将所述目标支撑垫片抓取并固定于读出电路板上，固定于所述读出电路板上的多个所述目标支撑垫片形成所述支撑结构。其中，缺陷情况可根据实际应用情况进行选择及调整。

在对目标支撑垫片进行固定时，主要包括以下两种方式：

第一种，当所述目标支撑垫片为热粘接型支撑垫片时，加热所述读出电路板的温度至设定温度，控制机械臂将所述目标支撑垫片抓取并固定于设定温度的读出电路板上。

第二种，当所述目标支撑垫片为非粘接型材料的支撑垫片时，先利用自动点胶机或丝网印刷方法对所述读出电路板进行粘接胶涂覆，然后控制所述机械臂将所述目标支撑垫片粘接固定于所述读出电路板上；所述非粘接型材料包括：陶瓷、PEEK（聚醚醚酮）、PI(聚酰亚胺)、PET(聚对苯二甲酸乙二酯)。

实施例2

本实施例对上述基于微流控技术的微结构气体探测器的制备方法进行进一步详细的说明。

第一步，准备支撑垫片：

通常为直径0.5mm到2mm之间、厚度为0.05mm到0.5mm之间的圆形绝缘材料垫片，通常采用激光切割、模具切割等方法制作。采用酒精浸泡、超声等方法清洗支撑结构垫片，并置于托盘中，如图2所示。

第二步，利用微流控系统排布支撑垫片：

首次将微流控（microfluidics）技术用于该类型的探测器制作中，实现上述垫片的整齐排布。不同于常规微米尺度的微流控应用，本实施例针对绝缘支撑垫片结构，采用了微流控芯片。微流控系统包括微流控芯片、循环泵、驱动控制电路、连接管路以及流体控制阀，微流控芯片通过连接管路与循环泵连接，通过驱动控制电路与流体控制阀协同调控循环泵流速，实现微流控芯片的主动流体控制，以确保支撑垫片的高通量、高密度、高效率、单层整齐有序排列。其中，微流控芯片上开设有多个以设定孔间隙排布的用于吸附的孔。在本实施例中，该孔的吸附孔径的尺寸为1.01-1.5倍支撑垫片直径，设定孔间隙的尺寸为1.5-3倍支撑垫片直径。

支撑垫片在托盘中无序分散于乙醇、水等溶液中，将微流控芯片放置于有垫片分散液的托盘中，打开循环泵并调节到合适的流速，使支撑垫片整齐有序吸附于微流控芯片表面，循环流体冲刷微流控芯片表面可清除多余支撑垫片，进而实现支撑垫片在微流控芯片表面上的单层整齐有序排布，如图3-图4所示。

第三步，控制机械臂将支撑垫片在读出电路板上排布：

首次将图像识别与智能控制系统用于该类型探测器制作，实现支撑结构在读出板上的高效率排布。利用高分辨的图像识别方法控制智能机械臂，完成支撑垫片的抓取、筛选和排布，如图5所示，相比于原有手动排布方法，效率提升10倍以上，且利于探测器品质控制。

其中，采用霍夫找圆、边缘检测、轮廓提取等图像识别方法，对支撑垫片中的毛刺、切割不完全等有缺陷的支撑垫片进行剔除，具体过程包括：在支撑结构抓取前，用高分辨相机拍照后，使用轮廓提取、霍夫找圆确定支撑垫片在微流控芯片上的坐标分布，并采用边缘检测分析支撑垫片的完整性等。抓取时，迭代上述过程，对抓取的单个垫片继续进行高精度的完整性检测，然后固定到读出电路板之后，再进行读出电路板上的排布平整度和间距等检测。

经过上述过程能够降低探测器打火风险，提升微结构气体探测器品质。机械臂抓手为微型负压吸盘，以保证在不损伤支撑垫片的条件下牢固抓住垫片，安放于读出电路板表面时，对于热粘接型支撑垫片（如热熔胶膜），对读出板对应位置进行预加热，支撑垫片接触到读出板上受热与其粘接固定在一起。对于普通型支撑垫片（如陶瓷片），采用自动点胶机或丝网印刷方法进行涂覆粘结胶，以实现支撑垫片与读出电路板的粘接；支撑垫片在读出板上的排布间距（中心距）通常为垫片直径尺寸的5倍到20倍。

第四步，进行微结构气体探测器制作：

将微网电极与排布好支撑垫片的读出板贴合，使用涂胶或热压接等方式将微网型电极与读出电路板粘接，完成探测器雪崩结构制作，如图6所示。

其中，微网电极为金属丝编织网或者金属薄膜是通过刻蚀、钻孔等方式制作，通常厚度为3-50微米之间，光学开窗率为30%-70%之间。其中编织通过拉伸的方式保持平整，张力一般不低于25N/cm。固定胶层，采用环氧类胶涂覆方式，或者热熔型胶膜粘接方式，与支撑结构一起将微网电极固定，确保其与读出电路板保持固定的间距。读出电路板的边缘通常制作金属或阻性电极作为探测器阳极。

第五步，微结构气体探测器气室组装：

安装漂移电极和气盒结构，完成气体密封型或流气型探测器，通常漂移电极固定于探测器的读出板上方3-20mm处，其中闭气型探测器采用玻璃、陶瓷或金属外壳作为气盒和读出板材料，降低材料气体释放，气盒与读出板通过激光或钎焊密封成整体。

基于上述实施例，本发明具有以下有益效果：

微结构气体探测器在科学实验研究、核工业辐射检测、放射医疗成像等方面有着重大的应用前景，本发明提供了一种高品质、高效率的微结构气体探测器的制备方法，为其广泛应用提供了关键技术条件。本发明采用微流控技术实现微小支撑结构的整齐排布，高分辨图像识别引导智能机械臂实现支撑结构的快速抓取和排布，大幅提升了探测器制作效率。高分辨图像识别垫片中的毛刺、切割不完全等有缺陷的垫片进行剔除，降低探测器打火风险，提升探测器的成品率和可靠性。

实施例3

本实施例重点对采用上述实施例1或实施例2的制备方法制备得到的微结构气体探测器的结构进行介绍。

如图7所示，本发明提供了一种基于微流控技术的微结构气体探测器，包括：读出电路板1、支撑结构2、微网电极3、固定胶层4、气盒6和漂移电极5。

所述支撑结构2包括多个支撑垫片；多个所述支撑垫片的排布方式是采用微流控系统和图像识别方法确定的；多个所述支撑垫片的排布方式是以设定间距单层排布；所述气盒6为底部开口的腔体；所述读出电路板1上由底到顶依次设置所述支撑结构2、所述微网电极3和所述固定胶层4；所述气盒6的底部与所述读出电路板1密封连接；所述支撑结构2、所述微网电极3和所述固定胶层4封装于所述气盒6内；所述漂移电极5设置于所述气盒6的内顶壁上。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。