CN106064261A - 基于磁性pdms掩模的微坑阵列电解加工的系统与方法 - Google Patents

基于磁性pdms掩模的微坑阵列电解加工的系统与方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于磁性PDMS掩模的微坑阵列电解加工的系统与方法，属微细电解加工领域。包括：阴极工具（1）、PDMS掩模、阳极工件（3）、夹具（5）、电解液（6）、电源（7）；其特征在于：PDMS掩模为磁性PDMS掩模（2），在阳极工件（3）下方还布置有用于吸引所述磁性PDMS掩模（2），使其紧贴于所述阳极工件（3）表面的永磁体（4）。采用本发明进行电解加工，磁性PDMS掩模在磁场下可以紧密贴合在阳极工件表面，提高电解加工微坑阵列的定域性。

Description

基于磁性PDMS掩模的微坑阵列电解加工的系统与方法
技术领域
本发明涉及一种基于磁性PDMS掩模的微坑阵列电解加工的系统与方法，属于微细电解加工领域。
背景技术
聚二甲基硅氧烷（PDMS）是一种有机硅材料，通常它是由PDMS预聚体和固化剂按照一定的体积比（质量比）混合并聚合而成。液态时的二甲基硅氧烷为一黏稠液体，称作硅油，是一种具有不同聚合度链状结构的有机硅氧烷混合物，固态的PDMS是一种硅胶弹性体，具有无毒、疏水性的特性。PDMS具有良好的复制性和化学稳定性、绝缘性、和耐腐蚀性，适合加工各种生化反应芯片，广泛应用于MEMS中的微接触压印、微流体图形化、模板辅助构图等技术中。
在微坑阵列电解加工中，采用掩模的方式进行电解加工具有显著优势。传统的掩模电解采用光刻胶作为掩模，光刻胶经过旋涂、前烘、曝光、后烘、显影等步骤贴在工件上，然后进行电解加工，加工后需要去除光刻胶，工序复杂且大批量制造成本高。采用带有通孔阵列的PDMS作为柔性掩模进行电解加工具有良好的加工定域性，可以重复使用。加工时，PDMS掩模贴合在阳极工件上，通电后在电解液的作用下，阳极工件上对应PDMS通孔的区域发生电化学反应，逐渐被溶解去除，最终得到一定形状和分布的微坑阵列。对于基于PDMS为掩模的微坑阵列电解加工，特别是微坑阵列的大面积电解加工，为保证掩模电解加工的定域性，减弱微坑周围的杂散腐蚀，需要将PDMS与阳极工件紧密贴合。然而PDMS直接覆盖在工件上，在无外力作用下与工件的粘合力很弱，PDMS掩模表面以及微孔内流动的电解液对PDMS有扰动作用，电解产物如气泡逸出时会造成PDMS的轻微移动，这些可能会造成PDMS掩模无法紧密地贴合在工件上。对PDMS通孔阵列掩模直接施加作用力使其紧密贴合在工件表面，较为复杂，难以实现。因此研究一种新的贴合方式使PDMS掩模紧密贴在工件表面很有必要。
发明内容
本发明提出了一种基于磁性PDMS掩模的微坑阵列电解加工的系统与方法，本发明采用磁场力加强PDMS与工件的贴合，减弱微坑周围的杂散腐蚀，提高微坑阵列电解加工的定域性。
一种基于磁性PDMS掩模的微坑阵列电解加工的系统，包括：阴极工具、PDMS掩模、阳极工件、夹具、电解液、电源；上述夹具内部为工作腔，阳极工件、PDMS掩模、阴极工具、永磁体均位于工作腔内；阳极工件和阴极工具分别连接电源正负极；上述夹具具有进液口和出液口，进液口位于夹具上方，出液口沿周向均匀分布于夹具侧壁；上述阴极工具位于PDMS掩模上方，阳极工件位于PDMS掩模下方，阴极工具具有均匀群缝结构，PDMS掩模具有通孔阵列；其特征在于：上述PDMS掩模为磁性PDMS掩模，在阳极工件下方还布置有用于吸引所述磁性PDMS掩模，使其紧贴于所述阳极工件表面的永磁体。
上述系统电解加工过程中，上述磁性PDMS掩模贴合于阳极工件上表面，永磁体紧贴阳极工件下表面，磁性PDMS掩模在磁场力的作用下贴合在阳极工件表面，有助于阻止电解液渗透进入磁性PDMS掩模和阳极工件表面的贴合处，减小微坑周围的杂散腐蚀。
上述系统中的磁性PDMS掩模的制备方法，其特征在于包括以下步骤：a、制作微群柱模具：根据所需磁性PDMS掩模的厚度及其通孔阵列的尺寸制作带有微群柱模具，微群柱高度在100-300μm；b、制作模具微群柱通道：在微群柱模具上表面贴一层胶带制作微群柱通道，并放入制模容器内；c、磁性PDMS胶混合：将PDMS材料和固化剂按比例混合配制形成PDMS胶，然后加入磁性粒子，使用搅拌机充分搅拌混合；所述加入的磁性粒子的质量分数为所配制的液态PDMS胶的5%-20%，所述磁性粒子的直径为20nm-1μm；d、倒胶：向制模容器中倒入混合的磁性PDMS胶；e、抽真空：将步骤d中的制模容器放入真空箱内抽真空，磁性PDMS胶填充满微群孔通道；f、胶体固化：将步骤e中制模容器放入烘箱内，使PDMS胶固化完全；g、脱模：将固化的PDMS胶与微群柱模具和胶带分离，获得磁性PDMS掩模。
磁场力是一种非接触力，通过磁场力使PDMS掩模贴合在阳极工件表面具有可行性。具有磁性的PDMS掩模，在磁场力的作用下吸附在工件表面。加工时将磁性PDMS掩模贴在工件表面，工件置于强磁场中进行电解加工，可有效的解决PDMS掩模与工件贴合问题，提高微坑阵列加工的定域性。
磁性PDMS掩模中的磁性粒子的含量较少时，PDMS掩模的磁性较弱，在磁场中难以确保磁性PDMS掩模与工件紧密贴合；但是当磁性粒子的含量较大时，混合磁性粒子的PDMS液态胶粘度增大，在抽真空时难以确保PDMS胶充满微群柱通道，难以制备出磁性PDMS掩模。
采用微群柱模具制作带有通孔阵列的PDMS掩模，掩模的形状及尺寸由模具控制，可以大批量制造尺寸稳定的PDMS掩模。采用磁性粒子与PDMS胶混合，固化后得到磁性PDMS掩模，PDMS性质稳定，可以重复使用。本发明制备的磁性PDMS掩模在磁场中可以紧密贴在阳极工件表面，提高微坑阵列的加工定域性。
所述阴极工具到磁性PDMS掩模的距离为10-50mm；所述夹具的进液口与出液口总截面积比为50-200；所述夹具的出液口紧贴阴极工具下表面。
上述方式中，电解液采用正向流动的方式通过阴极工具缝隙流向阳极工件，压强大于0.1MPa；由于出液口位置紧贴阴极工具下表面，出液口处的电解液快速流出，工件上方的电解液缓慢流动，工件表面的流场均匀稳定；加工过程中电解液的压力和重力作用在柔性模板上，有利于柔性模板与阳极工件紧密贴合，阻止电解液渗透进入柔性模板和工件表面的贴合处；同时，在电解液的压力以及重力的共同作用下，微坑内产生的电解加工产物缓慢流离加工区域。
附图说明
图1基于磁性PDMS掩模的微坑阵列电解加工系统示意图；
图2制备磁性PDMS掩模抽真空示意图
图3 PDMS胶与磁性粒子搅拌示意图；
图4微群柱模具示意图；
图5 PDMS通孔阵列掩模示意图；
其中标号名称： 1、阴极工具，2、磁性PDMS掩模，3、阳极工件，4、永磁体，5、夹具，6、电解液，7、电源，8、胶带，9、磁性粒子，10、微群柱模具，11、制模容器，12、真空箱，13、PDMS胶，14、真空泵，15、真空计，16、搅拌器。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明：基于磁性PDMS掩模的微坑阵列电解加工的系统与方法，包含以下步骤：
a、制作阴极工具1和夹具5，阴极工具1具有均匀群缝结构，夹具进液口直径为20mm，在位于阴极工具下表面处设置两个出液口，直径为1mm；
b、制作具有通孔阵列的磁性PDMS掩模2，如图5；
c、将磁性PDMS掩模2贴在阳极工件3上表面，永磁体4紧贴阳极工件下表面，使用夹具5将阴极工具1和阳极工件3装夹在一起，其中阴极工具1和磁性PDMS掩模2的距离为15mm；
d、阳极工件3和阴极工具4分别连接电源7正负极；
e、电解液6通过阴极工具群缝流向阳极工件，电解液压强为0.2MPa；
f、接通电源7，进行电解加工。
其中磁性PDMS掩模的制备包含以下步骤：
a、制作微群柱模具：制作微群柱模具10，其中微群柱高250μm，微群柱直径100μm，微群柱间距300，如图3；
b、制作模具微群柱通道：在模具微群柱10上表面贴一层胶带8制作微群柱通道，并放入制模容器11内；
c、磁性PDMS胶混合：将PDMS材料和固化剂按1:1混合配制形成PDMS胶13，然后加入四氧化三铁颗粒9，颗粒直径为100nm，使用搅拌机充分搅拌混合，其中所述加入的磁性粒子的质量分数为所配制的液态PDMS胶的15%，如图4；
d、倒胶：向制模容器4中倒入混合的磁性PDMS胶；
e、抽真空：将步骤d中的制模容器放入真空箱12内抽真空，使模具内部处于真空状态，当真空度达到10Pa之后卸压，磁性PDMS胶填充满微群孔通道；
f、胶体固化：将步骤e中制模容器放入干燥箱内，在70℃固化30min，使PDMS胶固化完全；
g、脱模：将固化的PDMS胶与模具10和胶带8分离，得到磁性PDMS掩模，如图5。

Claims (5)

1.一种基于磁性PDMS掩模的微坑阵列电解加工的系统，包括：阴极工具（1）、PDMS掩模、阳极工件（3）、夹具（5）、电解液（6）、电源（7）；
上述夹具（5）内部为工作腔，阳极工件（3）、PDMS掩模、阴极工具（1）、永磁体（4）均位于工作腔内；阳极工件（3）和阴极工具（1）分别连接电源（7）正负极；
上述夹具（5）具有进液口和出液口，进液口位于夹具上方，出液口沿周向均匀分布于夹具侧壁；
上述阴极工具（1）位于PDMS掩模上方，阳极工件（3）位于PDMS掩模下方，阴极工具具有均匀群缝结构，PDMS掩模具有通孔阵列；
其特征在于：
上述PDMS掩模为磁性PDMS掩模（2），在阳极工件（3）下方还布置有用于吸引所述磁性PDMS掩模（2），使其紧贴于所述阳极工件（3）表面的永磁体（4）。
2.根据权利要求1所述基于磁性PDMS掩模的微坑阵列电解加工的系统，其特征在于：
所述阴极工具（1）到磁性PDMS掩模（2）的距离为10-50mm；
所述夹具（5）的进液口与出液口的总截面积比为50-200；
所述夹具（5）的出液口紧贴阴极工具（1）下表面。
3.根据权利1所述一种基于磁性PDMS掩模的微坑阵列电解加工的系统的方法，其特征在于：
电解加工过程中，上述磁性PDMS掩模（2）贴合于阳极工件（3）上表面，永磁体（4）紧贴阳极工件（3）下表面，磁性PDMS掩模（2）在磁场力的作用下贴合在阳极工件表面，有助于阻止电解液渗透进入磁性PDMS掩模和阳极工件表面的贴合处，减小微坑周围的杂散腐蚀。
4.根据权利2所述一种基于磁性PDMS掩模的微坑阵列电解加工的系统的方法，其特征在于：
所述阴极工具（1）到磁性PDMS掩模（2）的距离为10-50mm；所述夹具（5）的进液口与出液口的总截面积比为50-200；所述夹具（5）的出液口紧贴阴极工具（1）下表面;
电解液采用正向流动的方式通过阴极工具缝隙流向阳极工件，压强大于0.1MPa；由于出液口紧贴阴极工具（4）下表面，出液口处的电解液快速流出，工件上方的电解液缓慢流动，工件表面的流场均匀稳定；加工过程中电解液的压力和重力作用在柔性模板上，有利于柔性模板与阳极工件紧密贴合，阻止电解液渗透进入柔性模板和工件表面的贴合处；同时，在电解液的压力以及重力的共同作用下，微坑内产生的电解加工产物缓慢流离加工区域。
5.根据权利要求1所述基于磁性PDMS掩模的微坑阵列电解加工的系统中的磁性PDMS掩模的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
a、制作微群柱模具：根据所需磁性PDMS掩模（2）的厚度及其通孔阵列的尺寸制作带有微群柱模具（10），微群柱高度在100-300μm；
b、制作模具微群柱通道：在微群柱模具（10）上表面贴一层胶带（8）制作微群柱通道，并放入制模容器（11）内；
c、磁性PDMS胶混合：将PDMS材料和固化剂按比例混合配制形成PDMS胶（13），然后加入磁性粒子，使用搅拌机充分搅拌混合；所述加入的磁性粒子的质量分数为所配制的液态PDMS胶的5%-20%，所述磁性粒子的直径为20nm-1μm；
d、倒胶：向制模容器（4）中倒入混合的磁性PDMS胶；
e、抽真空：将步骤d中的制模容器放入真空箱（12）内抽真空，磁性PDMS胶填充满微群孔通道；
f、胶体固化：将步骤e中制模容器放入烘箱内，使PDMS胶固化完全；
g、脱模：将固化的PDMS胶与微群柱模具（10）和胶带（8）分离，获得磁性PDMS掩模（2）。
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