塑料微流控芯片的注塑成型

塑料微流控芯片的注塑成型宋滿倉劉瑩祝鐵麗杜立群2，王敏杰劉沖2（1.大連理工大學模塑制品教育部工程研究中心，大連116023；2.大連理工大學微納米技術及系統遼寧省重點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，可使塑料熔體直接沖擊微尺寸長76. 5mm；芯片上帶有細加工鑲塊上的微突起，且推桿不會在芯片微通道一（b）。芯片材料為PMMA.由于樣品的分離、檢測是沿在開模的瞬間，使微通道從定模鑲塊2中順利脫出，避著“十字”形微通道的縱向進行，所以本文將重點研究免在推出時拉傷微通道。
微流控芯片（microfluidicchip），又稱芯片，該注塑成型模具型腔由定模鑲塊2、動模鑲塊4及微細加工鑲塊3組成。成型芯片微通道的微細加工鑲塊3配合于定模鑲塊2內且與之連接，其上微凸起結構用于成型芯片微通道；微細加工鑲塊3與動模鑲塊4之間形成型腔。
5一動模板；6―推桿模具設計裝配圖復制不完全這種缺陷會影響后續的芯片鍵合以及取樣液體的電泳分離，對于微流控芯片來說應力求避免，也是微流控芯片注塑成型的主要難點。
微通道復制不完全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。顯然利用常規的加工方法難以加工出來，因此微流控芯片注塑模具制造的核心問題是微細加工鑲塊的制造。本文采用微細加工中常用的UV1IGA技術制備，即通過微電鑄在鎳板上生長出鎳微結構，制備出的微細加工鑲塊如所示M.微細加工鑲塊對于不同規格或形狀的微流控芯片，均可以依照上述方法進行模具設計與制造，為一種“雙十字”
微流控芯片注塑成型產品，左側為一光板，在其上加工出儲液池后，與右側具有微通道的芯片鍵合在一起，形成一完整的微流控芯片。這種設計使得形成微流控芯片的兩部分來自同一種塑料、同一種成型方式，更有利于后續的鍵合工作。
微流控芯片宏觀呈一平板狀，由于其上存在微通道，增加了成型的不確定性。在注塑成型試驗中發現，微流控芯片產生了一種很明顯的成型缺陷，即芯片的微通道復制不完全（出現圓角），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微通道復制不完全成因分析與數值模擬微通道復制不完全的產生，主要是由于所成型微通道型芯的尺寸遠遠小于基體型腔的尺寸，在微通道處熔體流動狀態復雜，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，會出現滯流現象。
滯流現象導致微通道處熔體的充填始終落后于芯片其他部分的充填，當芯片其他部分充填結束時，微通道還未完全充填，從而產生微通道復制不完全的成型缺陷。
滯流現象可結合模擬結果加以分析。
為Moldflow軟件模擬填充時間結果云圖，為熔體速度3D結果云圖。為得到理想的模擬結果，首先定義模型網格密度，微通道附近的網格邊長設為0.08mm，芯片整體的網格邊長設為1mm.劃分完成后的網格模型，還要通過網格修復工具修復網格，使網格匹配率達到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域，也就是說在微通道處熔體流動減慢，料流首先充填基體部分，當基體部分充滿以后在注射壓力的持續作用下才充填微通道，如所示。
模擬填充時間結果云圖陷通過調整注塑成型工藝參數較為客易解決。微通道hi置在非微通道-側平面邊緣，充模時熔體除沿著芯片（a）是熔體充模流動截面示意圖，由于澆口設可視化觀察系統角在觀察視場中呈現為暗的區域，即陰影部分。在微通道顯微平面圖片上，兩個外邊沿之間的距離代表了微通道的開口寬度，兩個內邊沿之間的距離代表了微通道的底部寬度，如1所示。
時，熔體流動前沿平穩；而當熔體接觸到微通道時，可經型腔表面進行二次反射，因此塑件微通道的開口圓以看到陰影部分發生變化，后沿在微通道處變寬，并有熔體充模流動分析長度方向流動外，同時會在此截面內向微通道方向流動，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制。與此同時，料流前鋒在微通道處會先行冷卻，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，微通道處的復制更為困難。
2.3微通道復制不完全成因可視化研究為了對上述的數值模擬和理論分析加以驗證，設計制造了一套可視化模具，對微流控芯片的注塑成型過程進行了可視化觀察。所示為設計的利用反射光進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距離顯微鏡或微距鏡頭與高速攝像機相連。
如0所示，當采用同軸照明長距離顯微鏡觀察微通道處的充填時，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，入射光線經型腔表面反射后，沿原路返回，在觀察視場中呈現為亮的區域；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用可視化技術可以明顯地觀察到熔體在微通道處的滯流現象，如2所示，圖中的陰影部分顯示微通道處熔體前沿的流動狀況。在熔體未到達微通道處表1因素水平表因素模具溫度t/C注射速度3工藝參數優化后的微通道為定量研究微通道復制的情況，將微通道設計寬度與實際開口寬度的比值定義為微通道復制度，通過注塑試驗來研究各注塑工藝參數對微通道復制度的影響。為獲得優質的參數，這里選用正交試驗設計法。為分析各注塑成型工藝參數對成型質量的影響，安排了一系列的單因素試驗，以考察各工藝參數的取值對復制度的影響趨勢，確定各工藝參數的取值范圍。
微通道復制不完全的影響因素有很多，也很復雜。
根據正交試驗挑因素的原則，排除人為及環境因素等不可控因素和固定用量因素，依照單因素的試驗結果，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個因素，取微通道復制度為考察特性指標。各因素水平表見表1.由于微通道在縱向方向較長，試驗時首先沿縱向分別間隔10mm選取3個截面進行開口寬度的考察，經檢測尺寸一致性較好。本文選取其中的一個截面為例，正交試驗的安排、數據的記錄及計算結果均列于表2中。從結果（極差R值）中可以看出，4個因素中，模具溫度是影響微通道復制度的決定性因素，注射速度和熔體溫度是次要因素，而注射壓力相對其他因素影選取因素的水平與要求的指標有關。要求的指標即微通道復制度越大越好，應該取使指標值增加的水平，即各因素中使微通道復制度最大的那個水平。所以，把各因素的好水平簡單地組合起來就是較好的生產條件，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.在此基礎上，試驗時再加以適當調整，優質的工藝參數組合是：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，保壓時間10s.最終得到的芯片微通道如3所示，微通道復制度達到90%.經鍵合和電泳試驗，滿足使用要求。后續的試驗表明，對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，通過注塑成型生產的微流控芯片已批量推向市場。
響力較差，但必須維持在——個較高的水平。bode柯blishingH<本文針對微流控芯片的具體結構特點，設計制造明顯的拖后現象，從而直觀地觀察到滯后現象。這個試驗結果驗證了熔體在微通道處滯流現象的存在。