專利名稱：可控型微生物刻蝕裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微生物刻蝕裝置，特別涉及一種通過對加工對象及其附著微生物的熱場、電場、磁場、光場或氧、二氧化碳濃度場等加以精細(xì)控制，以制造出特定空間結(jié)構(gòu)的可控型微生物刻蝕裝置。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們的注意力逐漸從宏觀物體轉(zhuǎn)向那些發(fā)生在小尺度中的現(xiàn)象及其相應(yīng)器件上。微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS-Micro Electro MechanicalSystem)越來越受到重視，各種微/納米器件不僅改善了人們的生活質(zhì)量更進(jìn)一步推動了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。然而，隨著尺度的減小，加工的難度也隨之提高，如何實現(xiàn)對微/納米尺度結(jié)構(gòu)的加工就成為一大類重要問題。目前的微加工技術(shù)主要由半導(dǎo)體集成電路(IC)制造業(yè)中的微細(xì)加工技術(shù)與機(jī)械制造業(yè)中的精密機(jī)械加工技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生，它是發(fā)展微/納米機(jī)械電子工程的基礎(chǔ)和保證?，F(xiàn)在，各種微加工技術(shù)主要依賴于微電子技術(shù)的發(fā)展，微加工技術(shù)和用于加工MEMS器件的材料均直接借鑒自IC工業(yè)，各種成熟的表面加工技術(shù)已經(jīng)可以制造出復(fù)雜的MEMS器件。然而，傳統(tǒng)的微加工技術(shù)通常加工成本昂貴，加工環(huán)境苛刻，加工過程復(fù)雜，存在一定的環(huán)境污染問題。
與此同時，生物工程技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展為實現(xiàn)仿生學(xué)和生物工程學(xué)微加工提供了技術(shù)支持。在這種趨勢中，生物加工技術(shù)正逐漸引起注意。此方面，氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillus ferrooxidans，簡稱T.f菌)屬于硫桿菌屬，是革蘭氏陰性的極端嗜酸性的專性化無機(jī)營養(yǎng)細(xì)菌；利用氧化亞鐵硫桿菌新陳代謝過程中的生化反應(yīng)對金屬基片進(jìn)行生物氧化，可以實現(xiàn)一些特殊的微結(jié)構(gòu)。在整個氧化過程中，該菌能夠?qū)⑾牡舻难趸瘎┩ㄟ^代謝重新生成，并且自身得到增殖，這種物質(zhì)循環(huán)保證了生物刻蝕過程的延續(xù)。比如鐵類金屬的生物刻蝕就是利用氧化亞鐵硫桿菌在生長過程中將Fe2+氧化成Fe3+為自身提供能量的特點，將具有很強(qiáng)氧化性的產(chǎn)物Fe3+作為化學(xué)蝕刻的生物試劑對那些能夠起還原反應(yīng)的金屬材料進(jìn)行加工。其中的生化過程是建立在鐵氧化系統(tǒng)上的，主要通過氧化亞鐵硫桿菌的一個92KD的外膜蛋白，一個鐵質(zhì)藍(lán)素(內(nèi)含鐵硫菌藍(lán)蛋白)，許多c和a1型細(xì)胞色素及鐵(II)氧化酶等來實現(xiàn)。Fe3+將金屬原子氧化，達(dá)到刻蝕的目的。生物加工銅的總反應(yīng)式為 (2)所以，利用氧化亞鐵硫桿菌自養(yǎng)過程中產(chǎn)生的三價Fe離子的強(qiáng)氧化性，可以實現(xiàn)對銅和銅合金的蝕刻加工方法。不過，迄今為止，已開展的加工過程，要么是其加工方式很難控制，要么就是復(fù)雜代價昂貴。實際上，基于微生物的各種生化反應(yīng)特性，可借助于工程上精確可控的外場實現(xiàn)復(fù)雜的生物微細(xì)加工技術(shù)。我們知道，由于微生物的生長是要求一定的溫度或其他物理場環(huán)境的，不同的溫度條件下其活性也會發(fā)生改變。因而利用微尺度傳熱學(xué)和流體力學(xué)技術(shù)控制局部溫度場變化，達(dá)到對微尺度范圍微生物生存環(huán)境溫度的有序控制，就能夠?qū)崿F(xiàn)對微生物加工技術(shù)的可控操作。這種途徑可望是一種相對廉價、快速的加工方式。本發(fā)明的目的正是基于設(shè)計并實現(xiàn)對微生物在溫度場及其他多種物理場進(jìn)行精確控制下來實現(xiàn)對對微/納結(jié)構(gòu)的精細(xì)加工。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可控型微生物刻蝕裝置，通過計算機(jī)控制加熱微元件陣列中各元件工作的時間、空間分布，得到可控的復(fù)雜溫度場及多種物理化學(xué)場分布，從而使得容器內(nèi)微生物處于不同的工作溫度或其他場濃度，利用其在不同溫度和其他物理場下生物活性不同的特點，調(diào)控其與加工對象的反應(yīng)速率，進(jìn)而實現(xiàn)特定的空間結(jié)構(gòu)。這種刻蝕加工過程具有可控、加工結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡便、環(huán)境污染小、材料消耗少的特點，可以高效實現(xiàn)對多種材料及三維微結(jié)構(gòu)的加工。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明提供的可控型微生物刻蝕裝置，如圖1所示，包括一透明耐酸箱體2，放置在透明耐酸箱體2內(nèi)底面上的帶有滑輪23的微加工控制臺22；所述微加工控制臺22上表面上放置有半導(dǎo)體制冷元件陣列21；與透明耐酸箱體2的上頂蓋7由上至下依次相連的垂直運動固定件16、垂直運動伸縮件17、陣列基板18、微加熱或其他物理化學(xué)場元件陣列19；
待刻蝕工件20放置在所述半導(dǎo)體制冷元件陣列21的上表面，所述刻蝕工件20的上表面上放置微生物菌膜，微生物菌膜與微加熱或其他物理化學(xué)場元件陣列19之間留有10微米到1毫米的熱隔離間隙；與微加熱或其他物理化學(xué)場元件陣列19相連的控制電源電路9穿過設(shè)置在上頂蓋7上的帶有密封材料10的微孔與數(shù)據(jù)采集器11相連，位于透明耐酸箱體2內(nèi)的水氣管路(14)穿過設(shè)置在上頂蓋7上的帶有密封材料10的微孔與氧氣瓶、二氧化碳?xì)馄亢退?5相連；所述數(shù)據(jù)采集器11與計算機(jī)12相連；所述透明耐酸箱體2的內(nèi)底面上設(shè)置有滑軌3，所述設(shè)置在微加工控制臺(22)底面的滑輪23與所述滑軌3滾動配合，步進(jìn)電機(jī)4控制滑輪23在滑軌3上作水平方向的二維滾動運動；一電、磁和光場控制器5位于透明耐酸箱體2之內(nèi)，包括用于在透明耐酸箱體2內(nèi)產(chǎn)生電場的由金屬板組成的電極、用于在透明耐酸箱體2內(nèi)產(chǎn)生磁場的永磁體薄片、由可移動的半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的激光光源。
本發(fā)明的可控型微生物刻蝕裝置，還可包括可調(diào)節(jié)的穩(wěn)定底座1，所述透明耐酸箱體2水平放置其上，該可調(diào)節(jié)的穩(wěn)定底座1控制透明耐酸箱體2，使其內(nèi)底面處于水平位置。
所述微生物菌膜為氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillus ferrooxidans)生長的微生物菌膜，但不限于該菌膜。
所述的微加工控制臺22、微加熱或其他物理化學(xué)場元件陣列19及其陣列基板18上涂有耐酸涂料或使用耐酸材料制作。
所述的微加工控制臺22的水平方向上的二維運動和垂直運動伸縮件17的上下運動相互配合，呈三維運動狀態(tài)，其中微加工控制臺22作縱向和橫向的水平移動，垂直運動伸縮件17作垂直方向的上下運動。
微加熱或其他物理化學(xué)場元件陣列19通過時序控制，得到溫度場精確的空間、時間以及單點的溫度分布；或者得到電場、磁場、光場、酸堿度、氧濃度的空間和時間分布。
所述計算機(jī)12控制微加熱或其他物理化學(xué)場元件陣列19中微加熱元件陣列的加熱，實現(xiàn)各種時序加熱矩陣和空間局陣。
所述的透明耐酸箱體2的幾何尺寸在150mm×150mm×100mm到1500mm×1500mm×1000mm范圍。
所述的微加工控制臺22的平面幾何尺寸在100mm×100mm到1000mm×1000mm范圍。
所述微加熱或其他物理化學(xué)場元件陣列19可為平面陣列、曲面陣列或分布在三維不規(guī)則面上的三維陣列。
本發(fā)明的可控型微生物刻蝕裝置還進(jìn)一步包括工件卡具13，通過工件卡具13將所述待刻蝕工件20固定在所述半導(dǎo)體制冷元件陣列21上表面上。
由圖1可知，透明耐酸箱體2由耐酸透明材料如玻璃等制成，通過鉸鏈6將箱體2和頂蓋7相連，箱體2由于透明因而便于觀測加工過程。頂蓋7上開有2×φ10mm的通孔，并充填密封材料10如樹脂等密封，控制電源電路9和水氣管路14穿過這兩個通孔連接到箱體內(nèi)，據(jù)此可保證在加工過程中，能夠精確控制箱內(nèi)環(huán)境，以減少外界的干擾和污染。在箱體2的內(nèi)底面鋪設(shè)有滑軌3，并通過步進(jìn)電機(jī)4控制整個微加工操作臺作平面二維運動。如圖2所示，微加工控制臺22、滑輪23、開有微槽道的半半導(dǎo)體制冷元件陣列21，其內(nèi)安裝有溫度傳感器、用來夾持待刻蝕工件20的工件卡具13；當(dāng)半導(dǎo)體制冷元件陣列21工作時，產(chǎn)生的冷量可以將待刻蝕工件20溫度保持在適于加工用微生物活性較低的溫區(qū)，并通過半導(dǎo)體制冷元件陣列21中的溫度傳感器精確控制。半導(dǎo)體制冷陣列產(chǎn)生的熱量通過微加工控制臺22散失。必要時可通過在半導(dǎo)體制冷陣列上的微流道中通以冷氣流或冷水來冷卻，以得到所需的較大冷量。頂蓋7上連接的是用以精確控制微加工過程的主要裝置，通過垂直運動固定件16、垂直運動伸縮件17來固定并控制陣列基板18和微加熱或其他物理化學(xué)場元件陣列19在垂直方向上的微位移，從而最終實現(xiàn)三維微結(jié)構(gòu)的加工。陣列基板18要求使用隔熱材料制成，以防止微加熱元件之間的相互熱干擾，各個元件通過在陣列基板18上開出微/納尺度的槽道來實現(xiàn)互相之間的熱隔離，從而可以通過微加熱元件陣列在加工微生物形成的微生物菌膜上，形成精確的熱分布，進(jìn)而調(diào)節(jié)微生物的活性及反應(yīng)速率。此外，控制電源電路9同數(shù)據(jù)采集器11和計算機(jī)12相連接，為微加工操作臺的步進(jìn)電機(jī)4、半導(dǎo)體制冷元件陣列21、微加熱或其他物理化學(xué)場元件陣列19提供編程控制信號和電源；水氣管路14同氧氣瓶、二氧化碳?xì)馄?5和潔凈的水源相連，提供微生物生存所必須的氣分和水源。最后，圖3-1至圖3-4顯示了微加熱元件陣列實現(xiàn)計算機(jī)控制的一種時序編碼工作過程。除了如上說述通過有序加熱來實現(xiàn)的可控型生物加工外，通過在陣列基板18或加工對象底部單獨或者同時選配不同的電場、磁場、光場控制元件陣列，它們各自可在微/納米尺度范圍，因而可以實現(xiàn)多物理場控制下的精確加工。
本發(fā)明的可控型微生物刻蝕裝置，具有如下特點本發(fā)明的可控型微生物刻蝕裝置，通過計算機(jī)控制微加熱或其他物理化學(xué)場元件陣列中各元件的工作時間、空間分布，得到可控的復(fù)雜溫度場及多種物理化學(xué)場分布，從而使得容器內(nèi)微生物處于不同的工作溫度或其他場濃度，利用其在不同溫度和其他物理場下生物活性不同的特點，調(diào)控其與待刻蝕工件的反應(yīng)速率，進(jìn)而實現(xiàn)特定的空間結(jié)構(gòu)。這種刻蝕加工過程具有可控、加工結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡便、環(huán)境污染小、材料消耗少的特點，可以高效實現(xiàn)對多種材料及三維微結(jié)構(gòu)的加工。


附圖1為本發(fā)明的可控型微生物刻蝕裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2為微加工工件臺和微加熱元件陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖3和圖3-1至圖3-4為本發(fā)明實現(xiàn)計算機(jī)編程控制精確熱場的時序圖；其中底座1 透明耐酸箱體2 滑軌3步進(jìn)電機(jī)4 鉸鏈6 電、磁、光場控制器5頂蓋7 控制電源線路9 滑輪23密封材料10 數(shù)據(jù)采集器11 計算機(jī)12工件卡具13 水氣管路14垂直運動固定件16陣列基板18 待刻蝕工件20 垂直運動伸縮件17微加工控制臺22 半導(dǎo)體制冷陣列元件21氧氣瓶、二氧化碳?xì)馄亢退?5微加熱或其他物理化學(xué)場元件陣列19具體的實施方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
如圖1所示為本發(fā)明提供的可控型微生物刻蝕裝置，包括一透明耐酸箱體2，放置在透明耐酸箱體2內(nèi)底面上的帶有滑輪23的微加工控制臺22；所述微加工控制臺22上表面上放置有半導(dǎo)體制冷元件21；與透明耐酸箱體2的上頂蓋7由上至下依次相連的垂直運動固定件16、垂直運動伸縮件17、陣列基板18和微加熱或其他物理化學(xué)場元件陣列19；
待刻蝕工件20放置在所述半導(dǎo)體制冷元件陣列21的上表面，所述刻蝕工件20的上表面上放置微生物菌膜，微生物菌膜與微加熱或其他物理化學(xué)場元件陣列19之間留有10微米到1毫米的熱隔離間隙；與微加熱或其他物理化學(xué)場元件陣列19相連的控制電源電路9穿過設(shè)置在上頂蓋7上的帶有密封材料10的微孔與數(shù)據(jù)采集器11相連，位于透明耐酸箱體(2)內(nèi)的水氣管路14穿過設(shè)置在上頂蓋7上的帶有密封材料10的微孔與氧氣瓶、二氧化碳?xì)馄亢退?5相連；所述數(shù)據(jù)采集器11與計算機(jī)12相連；所述透明耐酸箱體2的內(nèi)底面上設(shè)置有滑軌3，所述設(shè)置在微加工控制臺22底面的滑輪23與所述滑軌3滾動配合，步進(jìn)電機(jī)4控制滑輪23在滑軌3上作水平方向的二維滾動運動；一電、磁和光場控制器5位于透明耐酸箱體2之內(nèi)，包括用于在透明耐酸箱體2內(nèi)產(chǎn)生電場的由金屬板組成的電極、用于在透明耐酸箱體2間產(chǎn)生磁場的永磁體薄片、由可移動的半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的激光光源。
本發(fā)明的可控型微生物刻蝕裝置，還包括可調(diào)節(jié)的穩(wěn)定底座1，所述透明耐酸箱體2水平放置其上，該可調(diào)節(jié)的穩(wěn)定底座1控制透明耐酸箱體2，使其內(nèi)底面處于水平位置。
所述微生物菌膜為氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillus ferrooxidans)生長的微生物菌膜或更多種類的菌膜。
所述的微加工控制臺22、微加熱元件陣列19及其基板18上涂有耐酸涂料或使用耐酸材料制作。
所述的微加工工件臺22的水平方向上的二維運動和垂直運動伸縮件17的上下運動相互配合，呈三維運動狀態(tài)，其中微加工工件臺22作縱向和橫向的水平移動，垂直運動伸縮件17作垂直方向的上下運動。
所述的微加熱或其他物理化學(xué)場元件陣列19通過時序控制，得到各加熱元件開關(guān)的精確空間和時間分布，從而得到溫度場精確的空間、時間以及單點的溫度分布。
所述計算機(jī)12控制微加熱或其他物理化學(xué)場元件陣列19的加熱，實現(xiàn)各種時序加熱矩陣和空間局陣。
所述的透明耐酸箱體2的幾何尺寸為150mm×150mm×100mm到1500mm×1500mm×1000mm。所述的微加工控制臺22的平面幾何尺寸為100mm×100mm到1000mm×1000mm。
本發(fā)明的可控型微生物刻蝕裝置還進(jìn)一步包括工件卡具13，通過工件卡具13將所述待刻蝕工件20固定在所述半導(dǎo)體制冷元件陣列21上表面上。
由圖1可知，透明耐酸箱體2由耐酸透明材料如玻璃等制成，通過鉸鏈6將箱體2和頂蓋7相連，透明耐酸箱體2由于透明因而便于觀測加工過程。頂蓋7上開有2×φ10mm的通孔，并充填密封材料10如樹脂等密封，控制、供電線路9和氣、水管路14穿過這兩個通孔連接到箱體內(nèi)，據(jù)此可保證在加工過程中，能夠精確控制箱內(nèi)環(huán)境，以減少外界的干擾和污染。在箱體2的內(nèi)底面鋪設(shè)有滑軌3，并通過步進(jìn)電機(jī)4控制整個微加工操作臺作平面二維運動。如圖2所示，微加工工件臺22、滑輪23、開有微槽道的半導(dǎo)體制冷陣列21，其內(nèi)安裝有溫度傳感器、用來夾持待刻蝕工件20的工件卡具13；當(dāng)半導(dǎo)體制冷陣列21工作時，產(chǎn)生的冷量可以將待刻蝕工件20溫度保持在適于加工用微生物活性較低的溫區(qū)，并通過半導(dǎo)體制冷陣列21中的溫度傳感器精確控制。半導(dǎo)體制冷陣列產(chǎn)生的熱量通過微加工工件臺22散失。必要時可通過在半導(dǎo)體制冷陣列上的微流道中通以冷氣流或冷水來冷卻，以得到所需的較大冷量。頂蓋7上連接的是用以精確控制微加工過程的主要裝置，通過固定件16、垂直運動伸縮件17來固定并控制基板18和微加熱元件陣列19在垂直方向上的微位移，從而最終實現(xiàn)三維微結(jié)構(gòu)的加工?；?8要求使用隔熱材料制成，以防止微加熱元件之間的相互熱干擾，各個元件通過在基板18上開出微/納尺度的槽道來實現(xiàn)互相之間的熱隔離，從而可以通過微加熱元件陣列在加工微生物形成的微生物菌膜上，形成精確的熱分布，進(jìn)而調(diào)節(jié)微生物的活性及反應(yīng)速率。此外，控制、供電線路9同數(shù)據(jù)采集器11和計算機(jī)12相連接，為微加工操作臺的步進(jìn)電機(jī)4、半導(dǎo)體制冷陣列21、微加熱元件陣列19提供編程控制信號和電源；氣、水管路14同氧氣瓶、二氧化碳?xì)馄?5和潔凈的水源相連，提供微生物生存所必須的氣分和水源。最后，圖3-1至圖3-4顯示了微加熱元件陣列實現(xiàn)計算機(jī)控制的一種時序編碼工作過程。除了如上說述通過有序加熱來實現(xiàn)的可控型生物加工外，通過在基板18或加工對象底部單獨或者同時選配不同的電場、磁場、光場控制元件陣列，它們各自可在微/納米尺度范圍，因而可以實現(xiàn)多物理場控制下的精確加工。
本發(fā)明裝置的一個具體實施例的使用過程如下1.準(zhǔn)備加工材料，包括清洗好的待刻蝕工件20，培養(yǎng)好的微生物菌膜，氧氣、二氧化碳?xì)馄亢退?5，編制好控制加工微結(jié)構(gòu)的微熱元件陣列程序。
2.對本裝置進(jìn)行清潔，并按照圖1所示，打開半導(dǎo)體制冷元件21，保持在微生物活性很低的環(huán)境溫度，將工件20夾持在微加工控制臺22上，微加工控制臺22上附著菌膜，關(guān)閉頂蓋7，加工裝置安裝完畢并密封。
3.調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)4，控制微加工控制臺22運動到合適位置，使得待刻蝕工件20位置同微加熱或其他物理化學(xué)場元件陣列19對應(yīng)，然后調(diào)節(jié)垂直運動伸縮控制件17，降低微加熱或其他物理化學(xué)場元件陣列19高度接近微生物菌膜并與待刻蝕工件20保持一個很小的距離如10微米到1毫米，保證熱隔離。
4.通過計算機(jī)12和數(shù)據(jù)采集器11對微加熱或其他物理化學(xué)場元件陣列19編程，編碼過程如下例，并檢測其溫度場，得到精確控制的溫度場。
5.如圖3所示為一個簡單的3×3加熱元件矩陣的實例，說明一種時序編碼的微熱元件陣列控制方法。首先，圖3-1所示的0時刻，加熱元件都處于關(guān)閉狀態(tài)，行、列的二進(jìn)制控制信號分別為
；在圖3-2所示的1時刻，時序控制第一排加熱元件啟動，其他兩排處在關(guān)閉狀態(tài)，行(圖中的縱向)、列(圖中的橫向)的二進(jìn)制控制信號分別為[100]
；在圖3-3所示的2時刻，控制第二排加熱元件啟動，行、列的二進(jìn)制控制信號分別為
[100]；在圖3-4所示的3時刻，除了第三排加熱元件，其他排都處在關(guān)閉狀態(tài)，行、列的二進(jìn)制控制信號分別為
。這樣一個周期中就通過了一個時序信號控制排動作，一個編碼的加工信號控制列上的加熱元件動作。其中時序矩陣為100010001,]]>加工控制矩陣為010100010,]]>通過這樣的數(shù)字化方法，可以編制相應(yīng)的軟件實現(xiàn)計算機(jī)輔助加工。
綜上所述，本發(fā)明的可控型微生物刻蝕裝置包括底座1、箱體2、微加工控制臺22及其水平控制機(jī)構(gòu)(步進(jìn)電機(jī)4、滑軌3、滑輪22)、工作菌膜、半導(dǎo)體制冷元件陣列21、工件卡具13、微加熱或其他物理化學(xué)場元件陣列19、控制電源電路9、水氣管路14；用于在其內(nèi)產(chǎn)生電場的由金屬板組成的電極、用于在其間產(chǎn)生磁場的永磁體薄片、由可移動的半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的光源(可選5)、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器11、計算機(jī)12、電源等。其中電場和磁場大小可通過裝置上設(shè)置的滑道改變電極或磁極的相對位置來調(diào)節(jié)，制冷可由半導(dǎo)體制冷器及微/納米級換熱槽道實現(xiàn)，受控的局部、有序加熱由電加熱元件陣列在計算機(jī)控制下實現(xiàn)，由此獲得相當(dāng)復(fù)雜的多種場分布模式。透明耐酸箱體2的幾何尺寸可在150mm×150mm×100mm到1500mm×1500mm×1000mm之間，本實施例為150mm×150mm×100mm。微加工控制臺22的平面幾何尺寸在100mm×100mm到1000mm×1000mm之間，本實施例的微加工控制臺22的幾何尺寸為100mm×100mm。微加熱或其他物理化學(xué)場元件陣列19集成在陣列基底18之上，并通過電路、控制器、計算機(jī)實現(xiàn)編程控制，加熱微元件間通過開微/納米級槽道實現(xiàn)熱屏蔽，并在表面附著保護(hù)用的聚合物薄膜；經(jīng)過培養(yǎng)的特異性加工某種材料的菌種形成菌膜附著在加熱元件微陣列上；待加工工件被工件卡具夾持貼近菌膜并保持接觸；工件卡具上集成加工有半導(dǎo)體致冷器和換熱用微槽道，整個工件、卡具組合體通過夾持控制臺控制實現(xiàn)三維的空間運動；加工室外部通過電極、磁極、半導(dǎo)體激光器提供電、磁、光環(huán)境；基底上的微槽道為微生物提供必要的氧氣和二氧化碳。所有的器件通過電流導(dǎo)線連接電源，并通過傳感器、控制器、計算機(jī)集中控制整個加工過程。
權(quán)利要求
1.一種可控型微生物刻蝕裝置，其特征在于，包括一透明耐酸箱體(2)，放置在透明耐酸箱體(2)內(nèi)底面上的帶有滑輪(23)的微加工控制臺(22)；所述微加工控制臺(22)上表面上放置有半導(dǎo)體制冷元件陣列(21)；與透明耐酸箱體(2)的上頂蓋(7)由上至下依次相連的垂直運動固定件(16)、垂直運動伸縮件(17)、陣列基板(18)、微加熱或其他物理化學(xué)場元件陣列(19)；所述微加熱或其他物理化學(xué)場元件陣列(19)安裝于陣列基板(18)的下表面；待刻蝕工件(20)放置在所述半導(dǎo)體制冷元件陣列(21)的上表面，所述刻蝕工件(20)的上表面上放置微生物菌膜，微生物菌膜與微加熱或其他物理化學(xué)場元件陣列(19)之間留有10微米到1毫米的熱隔離間隙；與微加熱或其他物理化學(xué)場元件陣列(19)相連的控制電源電路(9)穿過設(shè)置在上頂蓋(7)上的帶有密封材料(10)的微孔與數(shù)據(jù)采集器(11)相連，位于透明耐酸箱體(2)內(nèi)的水氣管路(14)穿過設(shè)置在上頂蓋(7)上的帶有密封材料(10)的微孔與氧氣瓶、二氧化碳?xì)馄亢退?15)相連；所述數(shù)據(jù)采集器(11)與計算機(jī)(12)相連；所述透明耐酸箱體(2)的內(nèi)底面上設(shè)置有滑軌(3)，所述設(shè)置在微加工控制臺(22)底面的滑輪(23)與所述滑軌(3)滾動配合，步進(jìn)電機(jī)(4)控制滑輪(23)在滑軌(3)上作水平方向的二維滾動運動；一電、磁和光場控制器(5)位于透明耐酸箱體(2)之內(nèi)，包括用于在透明耐酸箱體(2)內(nèi)產(chǎn)生電場的由金屬板組成的電極、用于在透明耐酸箱體(2)內(nèi)產(chǎn)生磁場的永磁體薄片、由可移動的半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的激光光源。
2.按權(quán)利要求1所述的可控型微生物刻蝕裝置，其特征在于，還包括可調(diào)節(jié)的穩(wěn)定底座(1)，所述透明耐酸箱體(2)水平放置其上，該可調(diào)節(jié)的穩(wěn)定底座(1)控制透明耐酸箱體(2)，使其內(nèi)底面處于水平位置。
3.按權(quán)利要求1所述的可控型微生物刻蝕裝置，其特征在于，所述微生物菌膜為氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillus ferrooxidans)生長的微生物菌膜。
4.按權(quán)利要求1所述的可控型微生物刻蝕裝置，其特征在于，所述的微加工控制臺(22)、微加熱或其他物理化學(xué)場元件陣列(19)及其基板(18)上涂有耐酸涂料或使用耐酸材料制作。
5.按權(quán)利要求1所述的可控型微生物刻蝕裝置，其特征在于，所述的微加工控制臺(22)的水平方向上的二維運動和垂直運動伸縮件(17)的上下運動相互配合，呈三維運動狀態(tài)，其中微加工控制臺(22)作縱向和橫向的水平移動，垂直運動伸縮件(17)作垂直方向的上下運動。
6.按權(quán)利要求1所述的可控型微生物刻蝕裝置，其特征在于，微加熱或其他物理化學(xué)場元件陣列(19)通過時序控制，得到溫度場精確的空間、時間以及單點的溫度分布；或者得到電場、磁場、光場、酸堿度、氧濃度的空間和時間分布。
7.按權(quán)利要求1所述的可控型微生物刻蝕裝置，其特征在于，所述計算機(jī)(12)控制微加熱或其他物理化學(xué)場元件陣列(19)中微加熱元件陣列的加熱，實現(xiàn)各種時序加熱矩陣和空間局陣。
8.按權(quán)利要求1所述的可控型微生物刻蝕裝置，其特征在于，所述的透明耐酸箱體(2)的幾何尺寸在150mm×150mm×100mm到1500mm×1500mm×1000mm范圍。
9.按權(quán)利要求1所述的可控型微生物刻蝕裝置，其特征在于，所述的微加工控制臺(22)的平面幾何尺寸在100mm×100mm到1000mm×1000mm范圍。
10.按權(quán)利要求1所述的可控型微生物刻蝕裝置，其特征在于，所述的微加熱或其他物理化學(xué)場元件陣列(19)為平面陣列、曲面陣列或分布在三維不規(guī)則面上的三維陣列。
11.按權(quán)利要求1所述的可控型微生物刻蝕裝置，其特征在于，還進(jìn)一步包括工件卡具(13)，通過工件卡具(13)將所述待刻蝕工件(20)固定在所述半導(dǎo)體制冷元件陣列(21)上表面上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過對加工對象及其附著微生物的熱場、電場、磁場、光場、氧及二氧化碳濃度場等加以精細(xì)控制，從而借助于微生物與加工對象之間可控的生化反應(yīng)，制造出特定空間結(jié)構(gòu)的可控型生物微細(xì)加工裝置。本裝置可通過計算機(jī)控制加熱微元件、電學(xué)或光學(xué)等微元件陣列中各單元工作的時間、空間分布，得到可控的復(fù)雜溫度場及多種物理、化學(xué)場，從而在容器內(nèi)的微生物中實現(xiàn)不同的工作溫度或其他物理化學(xué)場強(qiáng)度，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)微生物的生化反應(yīng)活性，并改變其與加工對象的反應(yīng)速率，以加工出特定的空間微結(jié)構(gòu)。通過卡具的三維運動，可以實現(xiàn)對工件的多維加工。根據(jù)不同微生物種類及加工對象，由本裝置所加工出的物體結(jié)構(gòu)尺寸可在從毫米到納米這樣一個較寬的量級范圍。該裝置是一種集成化的微型可控的多功能生物微細(xì)加工系統(tǒng)。
文檔編號C23F1/08GK1696347SQ20041003794
公開日2005年11月16日 申請日期2004年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月14日
發(fā)明者劉靜, 白曉丹 申請人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所