塑料微流控芯片的注塑成型

中國(guó)注塑網(wǎng)

塑料微流控芯片的注塑成型宋滿倉(cāng)劉瑩祝鐵麗杜立群2，王敏杰劉沖2（1.大連理工大學(xué)模塑制品教育部工程研究中心，大連116023；2.大連理工大學(xué)微納米技術(shù)及系統(tǒng)遼寧省重點(diǎn)是一種典型的微流控芯片，外形整體鑲塊3置于定模鑲塊4內(nèi)，可使塑料熔體直接沖擊微尺寸長(zhǎng)76. 5mm；芯片上帶有細(xì)加工鑲塊上的微突起，且推桿不會(huì)在芯片微通道一（b）。芯片材料為PMMA.由于樣品的分離、檢測(cè)是沿在開(kāi)模的瞬間，使微通道從定模鑲塊2中順利脫出，避著“十字”形微通道的縱向進(jìn)行，所以本文將重點(diǎn)研究免在推出時(shí)拉傷微通道?！　∥⒘骺匦酒╩icrofluidicchip），又稱芯片，該注塑成型模具型腔由定模鑲塊2、動(dòng)模鑲塊4及微細(xì)加工鑲塊3組成。成型芯片微通道的微細(xì)加工鑲塊3配合于定模鑲塊2內(nèi)且與之連接，其上微凸起結(jié)構(gòu)用于成型芯片微通道；微細(xì)加工鑲塊3與動(dòng)模鑲塊4之間形成型腔?！　?一動(dòng)模板；6―推桿模具設(shè)計(jì)裝配圖復(fù)制不完全這種缺陷會(huì)影響后續(xù)的芯片鍵合以及取樣液體的電泳分離，對(duì)于微流控芯片來(lái)說(shuō)應(yīng)力求避免，也是微流控芯片注塑成型的主要難點(diǎn)?！　∥⑼ǖ缽?fù)制不完全1.2模具制造由可知，成型微通道必須在模具型芯上加工出寬80pm、高50pm的矩形截面凸起。顯然利用常規(guī)的加工方法難以加工出來(lái)，因此微流控芯片注塑模具制造的核心問(wèn)題是微細(xì)加工鑲塊的制造。本文采用微細(xì)加工中常用的UV1IGA技術(shù)制備，即通過(guò)微電鑄在鎳板上生長(zhǎng)出鎳微結(jié)構(gòu)，制備出的微細(xì)加工鑲塊如所示M.微細(xì)加工鑲塊對(duì)于不同規(guī)格或形狀的微流控芯片，均可以依照上述方法進(jìn)行模具設(shè)計(jì)與制造，為一種“雙十字”　　微流控芯片注塑成型產(chǎn)品，左側(cè)為一光板，在其上加工出儲(chǔ)液池后，與右側(cè)具有微通道的芯片鍵合在一起，形成一完整的微流控芯片。這種設(shè)計(jì)使得形成微流控芯片的兩部分來(lái)自同一種塑料、同一種成型方式，更有利于后續(xù)的鍵合工作?！　∥⒘骺匦酒暧^呈一平板狀，由于其上存在微通道，增加了成型的不確定性。在注塑成型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，微流控芯片產(chǎn)生了一種很明顯的成型缺陷，即芯片的微通道復(fù)制不完全（出現(xiàn)圓角），如所示為電子顯微鏡拍攝的微通道截面放大圖，其他如縮痕、翹曲等缺2.2微通道復(fù)制不完全成因分析與數(shù)值模擬微通道復(fù)制不完全的產(chǎn)生，主要是由于所成型微通道型芯的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于基體型腔的尺寸，在微通道處熔體流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜，熔體溫度、注射速度和注射壓力等損失較大，熔體充填的阻力加大，會(huì)出現(xiàn)滯流現(xiàn)象。　　滯流現(xiàn)象導(dǎo)致微通道處熔體的充填始終落后于芯片其他部分的充填，當(dāng)芯片其他部分充填結(jié)束時(shí)，微通道還未完全充填，從而產(chǎn)生微通道復(fù)制不完全的成型缺陷?！　鳜F(xiàn)象可結(jié)合模擬結(jié)果加以分析?！　镸oldflow軟件模擬填充時(shí)間結(jié)果云圖，為熔體速度3D結(jié)果云圖。為得到理想的模擬結(jié)果，首先定義模型網(wǎng)格密度，微通道附近的網(wǎng)格邊長(zhǎng)設(shè)為0.08mm，芯片整體的網(wǎng)格邊長(zhǎng)設(shè)為1mm.劃分完成后的網(wǎng)格模型，還要通過(guò)網(wǎng)格修復(fù)工具修復(fù)網(wǎng)格，使網(wǎng)格匹配率達(dá)到85以上，最大縱橫比限制到10以下。從中可以明顯看到熔體前沿在微通道處出現(xiàn)滯流，從中可以觀察到熔體在微通道的速度明顯落后于其他區(qū)域，也就是說(shuō)在微通道處熔體流動(dòng)減慢，料流首先充填基體部分，當(dāng)基體部分充滿以后在注射壓力的持續(xù)作用下才充填微通道，如所示?！　∧M填充時(shí)間結(jié)果云圖陷通過(guò)調(diào)整注塑成型工藝參數(shù)較為客易解決。微通道hi置在非微通道-側(cè)平面邊緣，充模時(shí)熔體除沿著芯片（a）是熔體充模流動(dòng)截面示意圖，由于澆口設(shè)可視化觀察系統(tǒng)角在觀察視場(chǎng)中呈現(xiàn)為暗的區(qū)域，即陰影部分。在微通道顯微平面圖片上，兩個(gè)外邊沿之間的距離代表了微通道的開(kāi)口寬度，兩個(gè)內(nèi)邊沿之間的距離代表了微通道的底部寬度，如1所示?！　r(shí)，熔體流動(dòng)前沿平穩(wěn)；而當(dāng)熔體接觸到微通道時(shí)，可經(jīng)型腔表面進(jìn)行二次反射，因此塑件微通道的開(kāi)口圓以看到陰影部分發(fā)生變化，后沿在微通道處變寬，并有熔體充模流動(dòng)分析長(zhǎng)度方向流動(dòng)外，同時(shí)會(huì)在此截面內(nèi)向微通道方向流動(dòng)，與低溫模具壁面接觸在微通道處形成冷凝層，如（b）所示。由于在模具型腔微凸起拐角處熔體表面張力的存在，需要更大壓力才能完整復(fù)制。與此同時(shí)，料流前鋒在微通道處會(huì)先行冷卻，甚至凝固。微通道的存在不但增加了熔體的充填難度，同時(shí)也加快了熔體的冷卻速度。PMMA本身熔體黏度較高，冷卻速率較快，微通道處的復(fù)制更為困難。　　2.3微通道復(fù)制不完全成因可視化研究為了對(duì)上述的數(shù)值模擬和理論分析加以驗(yàn)證，設(shè)計(jì)制造了一套可視化模具，對(duì)微流控芯片的注塑成型過(guò)程進(jìn)行了可視化觀察。所示為設(shè)計(jì)的利用反射光進(jìn)行可視化觀察的模具及光路安排。依照觀察微通道或觀察全景的需要，可分別采用同軸照明長(zhǎng)距離顯微鏡或微距鏡頭與高速攝像機(jī)相連?！　∪?所示，當(dāng)采用同軸照明長(zhǎng)距離顯微鏡觀察微通道處的充填時(shí)，照明光線為垂直入射。在塑料熔體與模具型腔完全接觸的地方，入射光線經(jīng)型腔表面反射后，沿原路返回，在觀察視場(chǎng)中呈現(xiàn)為亮的區(qū)域；在塑料熔體與模具型腔未接觸的地方，入射光線首先在塑料熔體與空氣的界面上發(fā)生反射與折射，折射光又圖U光反射觀察方式得到的微通道充填圖像運(yùn)用可視化技術(shù)可以明顯地觀察到熔體在微通道處的滯流現(xiàn)象，如2所示，圖中的陰影部分顯示微通道處熔體前沿的流動(dòng)狀況。在熔體未到達(dá)微通道處表1因素水平表因素模具溫度t/C注射速度3工藝參數(shù)優(yōu)化后的微通道為定量研究微通道復(fù)制的情況，將微通道設(shè)計(jì)寬度與實(shí)際開(kāi)口寬度的比值定義為微通道復(fù)制度，通過(guò)注塑試驗(yàn)來(lái)研究各注塑工藝參數(shù)對(duì)微通道復(fù)制度的影響。為獲得最佳的參數(shù)，這里選用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法。為分析各注塑成型工藝參數(shù)對(duì)成型質(zhì)量的影響，安排了一系列的單因素試驗(yàn)，以考察各工藝參數(shù)的取值對(duì)復(fù)制度的影響趨勢(shì)，確定各工藝參數(shù)的取值范圍?！　∥⑼ǖ缽?fù)制不完全的影響因素有很多，也很復(fù)雜。　　根據(jù)正交試驗(yàn)挑因素的原則，排除人為及環(huán)境因素等不可控因素和固定用量因素，依照單因素的試驗(yàn)結(jié)果，考慮較為可取的影響因素為注射壓力、注射速度、熔體溫度和模具溫度4個(gè)因素，取微通道復(fù)制度為考察特性指標(biāo)。各因素水平表見(jiàn)表1.由于微通道在縱向方向較長(zhǎng)，試驗(yàn)時(shí)首先沿縱向分別間隔10mm選取3個(gè)截面進(jìn)行開(kāi)口寬度的考察，經(jīng)檢測(cè)尺寸一致性較好。本文選取其中的一個(gè)截面為例，正交試驗(yàn)的安排、數(shù)據(jù)的記錄及計(jì)算結(jié)果均列于表2中。從結(jié)果（極差R值）中可以看出，4個(gè)因素中，模具溫度是影響微通道復(fù)制度的決定性因素，注射速度和熔體溫度是次要因素，而注射壓力相對(duì)其他因素影選取因素的水平與要求的指標(biāo)有關(guān)。要求的指標(biāo)即微通道復(fù)制度越大越好，應(yīng)該取使指標(biāo)值增加的水平，即各因素中使微通道復(fù)制度最大的那個(gè)水平。所以，把各因素的好水平簡(jiǎn)單地組合起來(lái)就是較好的生產(chǎn)條件，即模具溫度取水平3、注射速度取水平1、注射壓力取水平1、熔體溫度取水平3.在此基礎(chǔ)上，試驗(yàn)時(shí)再加以適當(dāng)調(diào)整，最佳的工藝參數(shù)組合是：模具溫度95°C，注射速度192mm/s，注射壓力120MPa，熔體溫度240°C，保壓壓力96MPa，保壓時(shí)間10s.最終得到的芯片微通道如3所示，微通道復(fù)制度達(dá)到90%.經(jīng)鍵合和電泳試驗(yàn)，滿足使用要求。后續(xù)的試驗(yàn)表明，對(duì)于其他具有不同寬度微通道的微流控芯片，使用上述工藝條件也可獲得滿意的效果。目前，通過(guò)注塑成型生產(chǎn)的微流控芯片已批量推向市場(chǎng)?！　№懥^差，但必須維持在——個(gè)較高的水平。bode柯blishingH<本文針對(duì)微流控芯片的具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制造明顯的拖后現(xiàn)象，從而直觀地觀察到滯后現(xiàn)象。這個(gè)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了熔體在微通道處滯流現(xiàn)象的存在。　　2微通道可視化照片3微流控芯片注塑成型質(zhì)量的改善bookmark1試驗(yàn)號(hào)模具溫度t/C注射速度s-1）注射壓力p/MPa熔體溫度/C微通道復(fù)制度表基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2007CB714502）。），男，博士，副教授。