塑料微流控芯片的注塑成型

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塑料微流控芯片的注塑成型宋满仓刘莹祝铁丽杜立群2，王敏杰刘冲2（1.大连理工大学模塑制品教育部工程研究中心，大连116023；2.大连理工大学微纳米技术及系统辽宁省重点是一种典型的微流控芯片，外形整体镶块3置于定模镶块4内，可使塑料熔体直接冲击微尺寸长76. 5mm；芯片上带有细加工镶块上的微突起，且推杆不会在芯片微通道一（b）。芯片材料为PMMA.由于样品的分离、检测是沿在开模的瞬间，使微通道从定模镶块2中顺利脱出，避着“十字”形微通道的纵向进行，所以本文将重点研究免在推出时拉伤微通道。　　微流控芯片（microfluidicchip），又称芯片，该注塑成型模具型腔由定模镶块2、动模镶块4及微细加工镶块3组成。成型芯片微通道的微细加工镶块3配合于定模镶块2内且与之连接，其上微凸起结构用于成型芯片微通道；微细加工镶块3与动模镶块4之间形成型腔。　　5一动模板；6―推杆模具设计装配图复制不完全这种缺陷会影响后续的芯片键合以及取样液体的电泳分离，对于微流控芯片来说应力求避免，也是微流控芯片注塑成型的主要难点。　　微通道复制不完全1.2模具制造由可知，成型微通道必须在模具型芯上加工出宽80pm、高50pm的矩形截面凸起。显然利用常规的加工方法难以加工出来，因此微流控芯片注塑模具制造的核心问题是微细加工镶块的制造。本文采用微细加工中常用的UV1IGA技术制备，即通过微电铸在镍板上生长出镍微结构，制备出的微细加工镶块如所示M.微细加工镶块对于不同规格或形状的微流控芯片，均可以依照上述方法进行模具设计与制造，为一种“双十字”　　微流控芯片注塑成型产品，左侧为一光板，在其上加工出储液池后，与右侧具有微通道的芯片键合在一起，形成一完整的微流控芯片。这种设计使得形成微流控芯片的两部分来自同一种塑料、同一种成型方式，更有利于后续的键合工作。　　微流控芯片宏观呈一平板状，由于其上存在微通道，增加了成型的不确定性。在注塑成型试验中发现，微流控芯片产生了一种很明显的成型缺陷，即芯片的微通道复制不完全（出现圆角），如所示为电子显微镜拍摄的微通道截面放大图，其他如缩痕、翘曲等缺2.2微通道复制不完全成因分析与数值模拟微通道复制不完全的产生，主要是由于所成型微通道型芯的尺寸远远小于基体型腔的尺寸，在微通道处熔体流动状态复杂，熔体温度、注射速度和注射压力等损失较大，熔体充填的阻力加大，会出现滞流现象。　　滞流现象导致微通道处熔体的充填始终落后于芯片其他部分的充填，当芯片其他部分充填结束时，微通道还未完全充填，从而产生微通道复制不完全的成型缺陷。　　滞流现象可结合模拟结果加以分析。　　为Moldflow软件模拟填充时间结果云图，为熔体速度3D结果云图。为得到理想的模拟结果，首先定义模型网格密度，微通道附近的网格边长设为0.08mm，芯片整体的网格边长设为1mm.划分完成后的网格模型，还要通过网格修复工具修复网格，使网格匹配率达到85以上，最大纵横比限制到10以下。从中可以明显看到熔体前沿在微通道处出现滞流，从中可以观察到熔体在微通道的速度明显落后于其他区域，也就是说在微通道处熔体流动减慢，料流首先充填基体部分，当基体部分充满以后在注射压力的持续作用下才充填微通道，如所示。　　模拟填充时间结果云图陷通过调整注塑成型工艺参数较为客易解决。微通道hi置在非微通道-侧平面边缘，充模时熔体除沿着芯片（a）是熔体充模流动截面示意图，由于浇口设可视化观察系统角在观察视场中呈现为暗的区域，即阴影部分。在微通道显微平面图片上，两个外边沿之间的距离代表了微通道的开口宽度，两个内边沿之间的距离代表了微通道的底部宽度，如1所示。　　时，熔体流动前沿平稳；而当熔体接触到微通道时，可经型腔表面进行二次反射，因此塑件微通道的开口圆以看到阴影部分发生变化，后沿在微通道处变宽，并有熔体充模流动分析长度方向流动外，同时会在此截面内向微通道方向流动，与低温模具壁面接触在微通道处形成冷凝层，如（b）所示。由于在模具型腔微凸起拐角处熔体表面张力的存在，需要更大压力才能完整复制。与此同时，料流前锋在微通道处会先行冷却，甚至凝固。微通道的存在不但增加了熔体的充填难度，同时也加快了熔体的冷却速度。PMMA本身熔体黏度较高，冷却速率较快，微通道处的复制更为困难。　　2.3微通道复制不完全成因可视化研究为了对上述的数值模拟和理论分析加以验证，设计制造了一套可视化模具，对微流控芯片的注塑成型过程进行了可视化观察。所示为设计的利用反射光进行可视化观察的模具及光路安排。依照观察微通道或观察全景的需要，可分别采用同轴照明长距离显微镜或微距镜头与高速摄像机相连。　　如0所示，当采用同轴照明长距离显微镜观察微通道处的充填时，照明光线为垂直入射。在塑料熔体与模具型腔完全接触的地方，入射光线经型腔表面反射后，沿原路返回，在观察视场中呈现为亮的区域；在塑料熔体与模具型腔未接触的地方，入射光线首先在塑料熔体与空气的界面上发生反射与折射，折射光又图U光反射观察方式得到的微通道充填图像运用可视化技术可以明显地观察到熔体在微通道处的滞流现象，如2所示，图中的阴影部分显示微通道处熔体前沿的流动状况。在熔体未到达微通道处表1因素水平表因素模具温度t/C注射速度3工艺参数优化后的微通道为定量研究微通道复制的情况，将微通道设计宽度与实际开口宽度的比值定义为微通道复制度，通过注塑试验来研究各注塑工艺参数对微通道复制度的影响。为获得最佳的参数，这里选用正交试验设计法。为分析各注塑成型工艺参数对成型质量的影响，安排了一系列的单因素试验，以考察各工艺参数的取值对复制度的影响趋势，确定各工艺参数的取值范围。　　微通道复制不完全的影响因素有很多，也很复杂。　　根据正交试验挑因素的原则，排除人为及环境因素等不可控因素和固定用量因素，依照单因素的试验结果，考虑较为可取的影响因素为注射压力、注射速度、熔体温度和模具温度4个因素，取微通道复制度为考察特性指标。各因素水平表见表1.由于微通道在纵向方向较长，试验时首先沿纵向分别间隔10mm选取3个截面进行开口宽度的考察，经检测尺寸一致性较好。本文选取其中的一个截面为例，正交试验的安排、数据的记录及计算结果均列于表2中。从结果（极差R值）中可以看出，4个因素中，模具温度是影响微通道复制度的决定性因素，注射速度和熔体温度是次要因素，而注射压力相对其他因素影选取因素的水平与要求的指标有关。要求的指标即微通道复制度越大越好，应该取使指标值增加的水平，即各因素中使微通道复制度最大的那个水平。所以，把各因素的好水平简单地组合起来就是较好的生产条件，即模具温度取水平3、注射速度取水平1、注射压力取水平1、熔体温度取水平3.在此基础上，试验时再加以适当调整，最佳的工艺参数组合是：模具温度95°C，注射速度192mm/s，注射压力120MPa，熔体温度240°C，保压压力96MPa，保压时间10s.最终得到的芯片微通道如3所示，微通道复制度达到90%.经键合和电泳试验，满足使用要求。后续的试验表明，对于其他具有不同宽度微通道的微流控芯片，使用上述工艺条件也可获得满意的效果。目前，通过注塑成型生产的微流控芯片已批量推向市场。　　响力较差，但必须维持在——个较高的水平。bode柯blishingH<本文针对微流控芯片的具体结构特点，设计制造明显的拖后现象，从而直观地观察到滞后现象。这个试验结果验证了熔体在微通道处滞流现象的存在。　　2微通道可视化照片3微流控芯片注塑成型质量的改善bookmark1试验号模具温度t/C注射速度s-1）注射压力p/MPa熔体温度/C微通道复制度表基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）资助项目（2007CB714502）。），男，博士，副教授。