一種聚合物微流控芯片微通道模壓成形裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微流控芯片成形加工領(lǐng)域，特指基于激光透射加熱的一種聚合物微流控芯片微通道模壓成形裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]聚合物微流控芯片是指基體表面上有微米尺度的微孔、微溝槽通道等特征的熱塑性塑料件及其組合產(chǎn)品，是微分析系統(tǒng)和微機(jī)電系統(tǒng)的主要零部件，廣泛應(yīng)用在微電子、精密儀器、生物醫(yī)療和環(huán)境監(jiān)測等多個(gè)領(lǐng)域，隨著微分析系統(tǒng)和微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展，市場上聚合物微流控芯片的需求量迅猛增加，并對其加工工藝、加工質(zhì)量和加工成本提出了更高要求。目前，聚合物微流控芯片主要是注塑成型、熱壓成形、微切削和激光微成形等。
[0003]傳統(tǒng)的聚合物微流控芯片微通道成形加工主要是注塑成型和熱壓成形，例如中國專利 CN201110072477.7、CN201010119177.5、CN200910308065.1、CN200910308065.1、CN201010300409.7、CN101791840 A提供了各種不同的成型表面具有微通道結(jié)構(gòu)的微流控芯片注塑模具，但由于微尺度效應(yīng)，都存在微通道充填成形困難的問題，而且，聚合物微流控芯片的注塑模具制造難度大、注塑工藝復(fù)雜、生產(chǎn)成本高；熱壓成形則存在加熱時(shí)間長、能源消耗高、成形壓力大、熱變形和成形精度受限制等問題。
[0004]另外，微切削、激光微成形等方法各自具有加工適用范圍和條件限制，例如微切削加工的加工生產(chǎn)效率低，加工的微通道尺寸和精度有限制；激光微刻蝕加工雖然加工效率較高，但加工的表面精度不高，加工的微結(jié)構(gòu)通道壁面粗糙，這是由于微通道壁面容易黏附殘留廢料和凸起物，如文獻(xiàn)(JOURNAL OF FUNCT1NALMATERIALSAND DEVICES Apr.Vol.14，N0.2，2008)報(bào)道了 CO2激光輔助加工PMMA微流控芯片中的重鑄物現(xiàn)象。
[0005]利用激光的熱效應(yīng)進(jìn)行聚合物加工已得到廣泛應(yīng)用，例如聚合物的激光燒結(jié)成型、透射焊接、表面改性、彎曲、燒蝕和切割等加工方法，但尚未涉及基于激光透射加熱的聚合物微流控芯片成形加工方法。中國專利CN201070823Y公開了一種基于激光加工的微型塑料件成形裝置，利用激光沖擊產(chǎn)生的壓力和激光照射塑料產(chǎn)生的熱量，獲得微型塑料件的成形，該專利對于激光加工的溫度沒有嚴(yán)格要求，成形的塑料為微型件，其尺度為微米級，屬于微體積成型，該專利并不適用于宏觀塑料件基體表面上的微結(jié)構(gòu)成形。中國專利CN201210491845.6公開一種基于激光加熱的塑料微結(jié)構(gòu)件成形方法和裝置，這是通過聚合物表面直接吸收激光能量，聚合物表面融化后，由透光模壓板(透光玻璃材料)表面的微結(jié)構(gòu)特征復(fù)制塑料微結(jié)構(gòu)件的方法，其缺點(diǎn)是透光玻璃一般為硬脆性材料，表面不容易加工高精度和形狀復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)特征，且制造成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為解決上述問題，本發(fā)明提供一種聚合物微流控芯片微通道模壓成形裝置及其方法，用于復(fù)制成型表面具有微通道特征的微流控芯片基體，微流控芯片可以是普通件或微小型件，微流控芯片成形效率高、成形精度好。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
一種聚合物微流控芯片微通道模壓成形裝置，包括激光輸出系統(tǒng)、擠壓模具以及自動控制系統(tǒng)，激光輸出系統(tǒng)包括激光器和光路整形機(jī)構(gòu)，擠壓模具包括上模、下模、模架，上模包括定模板、透光約束層，透光約束層固定在定模板上，定模板固定于模架上，透光約束層位于光路整形機(jī)構(gòu)的正下方，下模包括活動連接于模架內(nèi)的成型模板，在成型模板上放置塑料件，透光約束層的下方正對塑料件，在塑料件的下表面設(shè)有吸收涂層，在成型模板的上表面設(shè)有與聚合物微流控芯片微通道相對應(yīng)的微結(jié)構(gòu)凸起，自動控制系統(tǒng)與激光器及擠壓模具控制連接。
[0008]激光器為光纖激光器或Nd-YAG固體激光器，激光器輸出激光波長為800?1064nm，功率為I?50 W，激光器的激光束經(jīng)光路整形機(jī)構(gòu)整形為與聚合物微流控芯片的微通道結(jié)構(gòu)區(qū)域外形一致。
[0009]透光約束層為透光玻璃。
[0010]吸收涂層為碳黑。
[0011]成型模板為模具鋼。
[0012]在模架的內(nèi)壁設(shè)有導(dǎo)軌，成型模板活動連接于導(dǎo)軌。
[0013]實(shí)施聚合物微流控芯片微通道模壓成形裝置的方法，聚合物微流控芯片微通道模壓成形加工方法的具體實(shí)施步驟如下:
a.準(zhǔn)備塑料件基體材料；
b.打開激光器，根據(jù)塑料件的基體材料和聚合物微流控芯片的微通道尺寸，確定激光器的激光參數(shù)和成型工藝，調(diào)節(jié)光路整形機(jī)構(gòu)，設(shè)定工作指令和控制程序；
c.啟動自動控制系統(tǒng)，擠壓模具的上模、下模兩部分分開，成型模板下移，放置塑料件在具有微結(jié)構(gòu)凸起特征的成型模板的表面，并定位固定；
d.自動控制系統(tǒng)控制成型模板上移，擠壓模具閉合，塑料件緊貼透光約束層；
e.激光投射加熱:激光器開始工作，輸出激光，激光器輸出的激光經(jīng)過光路整形機(jī)構(gòu)整形，整形為與聚合物微流控芯片微通道結(jié)構(gòu)區(qū)域外形一致的能量均勻分布的激光束，激光垂直透過透光約束層，透射塑料件并輻照加熱塑料件下表面的吸收涂層，定位輻照時(shí)間l_5s，吸收涂層吸收激光能量進(jìn)而加熱融化塑料件的下表面，塑料件的下表面由固態(tài)轉(zhuǎn)化為高彈態(tài)或粘流態(tài)；
f.擠壓成型:塑料件的下表面融化后，自動控制系統(tǒng)控制成型模板向上擠壓塑料件，擠壓成形塑料件微通道；
g.開模取件:塑料件微通道成型面冷卻固化后，自動控制系統(tǒng)控制成型模板下移，取下塑料件，完成一個(gè)工作循環(huán)。
[0014]準(zhǔn)備塑料件基體材料包括塑料件的基體成形加工和在塑料件的下表面涂上吸收涂層，塑料件的基體成形加工通過注塑、擠塑、壓塑模具完成，成型模板上表面的微結(jié)構(gòu)凸起與聚合物微流控芯片微通道的結(jié)構(gòu)尺寸和形狀相對應(yīng)，成型模板上表面的微結(jié)構(gòu)凸起是利用光刻或微切削或電火花加工方法精密制造而成。
[0015]激光器采用單次連續(xù)定位輻照方式。
[0016]激光器采用多次間隙定位輻照方式。
[0017]本發(fā)明聚合物微流控芯片微通道模壓成形加工由基于激光透射加熱的模壓成形裝置完成，通過激光透射微流控芯片基體并加熱吸收涂層，高溫吸收涂層加熱融化微流控芯片基體表面，即塑料件的下表面，隨后具有微結(jié)構(gòu)凸起特征的成型模板模壓復(fù)制微流控芯片基體表面，形成微流控芯片基體表面的微通道，本發(fā)明也可以適用于表面有微孔、微凸起等微結(jié)構(gòu)特征的熱塑性塑料件，如導(dǎo)光板、細(xì)胞培養(yǎng)皿等精密微型塑料件的激光透射模壓成形加工。本發(fā)明包括四個(gè)工作流程:工作初始一激光投射加熱一擠壓成型一開模取件。
[0018]本發(fā)明以激光透射聚合物塑料件基體輻照吸收涂層，通過精確控制激光參數(shù)和采用適當(dāng)?shù)某尚喂に嚄l件，利用激光對吸收涂層的光熱效應(yīng)，吸收激光能量后的高溫涂層融化聚合物微流控芯片基體表面，基體表面溫度快速達(dá)到高彈態(tài)和粘流態(tài)溫度范圍，與此同時(shí)，成型模板對基體施加成形壓力，實(shí)現(xiàn)聚合物微流控芯片基體表面的微通道復(fù)制成形加工。自動控制系統(tǒng)連接激光輸出系統(tǒng)和擠壓模具，控制激光輸出、成型模板上下移動和模具擠壓成形過程。成型模板通過模架的導(dǎo)軌或?qū)е舷律狄苿印?br>[0019]本發(fā)明的激光能量沉積在微流控芯片基體表面的吸收涂層，通過控制激光功率大小、輻照時(shí)間、輻照方式等，吸收涂層吸收激光能量，并對微流控芯片基體由表及里的熱量傳遞，微流控芯片基體由表及里為粘流態(tài)、高彈態(tài)和玻璃態(tài)。本發(fā)明的聚合物微流控芯片微通道成形，是在激光透射加熱下的微流控芯片基體表面微通道成形，基體表面由固體玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)或高彈態(tài)，在成型模壓板力作用下流動成型，再經(jīng)過冷卻后得到微通道。
[0020]本發(fā)明的微流控芯片微通道成形加工分為基體和微通道加工兩部分，即基體由通常的注塑、擠塑、壓塑等模具完成成型加工后的基體材料，基體經(jīng)過激光透射加熱擠壓成形裝置完成微通道成型加工。
[0021]本發(fā)明的激光器輸出的激光能夠有效透過聚合物基體并被涂層吸收，涂層為碳黑或其它吸收材料；根據(jù)聚合物微流控芯片基體外形尺寸，激光器輸出的激光束經(jīng)過光路整形機(jī)構(gòu)整形，整形為與微流控芯片微通道結(jié)構(gòu)區(qū)域外形一致的能量均勻分布的激光束，并垂直輻照聚合物微流控芯片基體表面的吸收涂層。
[0022]本發(fā)明的透光約束層為K9玻璃或其他石英玻璃；根據(jù)微流控芯片及其微通道的尺寸和形狀分布，在成型模板表面上利用光刻、微切削或電火花等加工技術(shù)精密制造微結(jié)構(gòu)凸起特征。
[0023]本發(fā)明根據(jù)微流控芯片基體的尺寸大小和形狀分布，采用的激光輻照方式是單次連續(xù)定位輻照或多次間隙定位輻照；光路整形機(jī)構(gòu)對激光整形后，激光束通過吸收涂層可以對微流控芯片基體表面全部或微通道區(qū)域進(jìn)行輻照加熱。
[0024]本發(fā)明優(yōu)點(diǎn):
1.由于是基體與微通道特征分開加工，微流控芯片可以是普通件或微小型件。
[0025]2.由于采用吸收涂層吸收激光能量，吸收涂層相當(dāng)于微流控芯片基體表面的面熱源，因而能量高度集中，加熱效果顯著，在較短時(shí)間內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)微流控芯片基體表面的物理形態(tài)轉(zhuǎn)變，即微流控芯片基體表面由固態(tài)轉(zhuǎn)化為熱塑性可變形狀態(tài)，可以在不改變微流控芯片基體外形尺寸的情況下，實(shí)現(xiàn)微流控芯片基體表面的微通道成形。
[0026]3.由于采用光路整形機(jī)構(gòu)對輸出的激光整形，激光束形狀與微通道結(jié)構(gòu)區(qū)域一致，激光可以僅僅是加熱微通道結(jié)構(gòu)成形區(qū)域，加