CN108905640B - 一种三维自对准微孔阵列高通滤膜及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种三维自对准微孔阵列高通滤膜及其制作方法，滤膜分为操作区和过滤区，操作区位于滤膜四周，过滤区位于滤膜中间，过滤区相对操作区凹陷，过滤区上设置三维自对准微孔，三维自对准微孔由上层孔和下层孔构成，上层孔和下层孔为同轴孔，上层孔为圆柱形孔，上层孔的孔径小于下层孔，上层孔与下层孔连通，下层孔为圆柱形孔或者为孔径至上而下逐渐变大的渐变形孔。本发明一方面通过减小上层孔厚度和增大下层孔孔径来增加流体通量，另一方面通过下层孔增加滤膜的机械强度。本发明滤膜的制作方法结合了光刻技术、软光刻复制技术、压印技术和膜转移技术，此方法简便、快速，适用于不同材质微孔滤膜的制作和不同领域的应用。
Description
技术领域
本发明属于薄膜器件的微纳成型技术领域，涉及一种过滤膜材料，特别涉及一种三维自对准微孔阵列高通滤膜及其制作方法。
背景技术
众所周知，滤膜是用于分离过滤存在于液体或气体中的固态颗粒，通过滤孔对液体或气体中的固态颗粒进行截留，从而达到固态颗粒从液体或气体中分离的目的。在膜分离技术领域中，微孔滤膜是应用范围最广的一类，由于其具有孔隙率高，无介质脱落，质地薄，阻力小，滤速快，吸附小等特点，微孔滤膜被广泛应用于科研、食品检测、化工、纳米技术、能源和环保等方面。
大多数的微孔滤膜由规则分布的圆柱形滤孔构成，滤孔的孔径范围为0.1微米至10微米，滤膜厚度从几微米至几百微米。在实际应用中，我们通过根据流体内所含固态颗粒大小来选择不同孔径大小的滤膜，以此达到对固态颗粒截留分离过滤的目的。具体来说，固态颗粒若比滤孔孔径大，则会被滤孔阻隔，固态颗粒富集于滤膜表面，而比滤膜孔径小的固态颗粒则会通过滤孔排走。因此，根据不同的筛选分离要求，需要选择合适的孔径，保证高截留率。我们知道，在过滤过程中，滤孔孔径越小，过滤阻力越大，过滤的效率越低，并且滤孔越小越容易堵塞，这无疑是提高了对滤膜的要求。
为了解决这些问题，人们通过精密的微加工技术开发了具有精确孔径和形状的滤膜以增强其筛选能力。同时，人们试图提高孔隙率来增加通量。然而，孔隙率增加经常导致二个或多个滤孔重叠串通，又降低了滤膜的筛选能力。除此之外，绝大多数微孔滤膜只有圆孔，而且滤孔上下孔径一致，不适合筛分非圆形颗粒，也不适合部分可形变的柔性颗粒，而且当较大密度颗粒过滤时，部分颗粒会堵塞在滤孔中。特别是在生物医学应用领域，近年来，人们尝试通过滤膜分离血液中的细胞，这种堵塞的发生，不利用后续的检测分析，降低了信噪比，并且随着堵塞孔数的增加，滤膜压力差也会增加，对细胞的活性也会有很大的影响。因此，发明出一种在保证高通量和截留率的情况下减小透膜压力差的滤膜，成为了滤膜领域的追求目标。
发明内容
为了解决现有微孔滤膜的筛选能力低，容易被堵塞，通量和和截留率不理想，透膜压力差大等问题，本发明提供了一种三维自对准微孔阵列高通滤膜及其制作方法。
本发明的目的将通过以下技术方法实现：一种三维自对准微孔阵列高通滤膜，滤膜分为操作区和过滤区，操作区位于滤膜四周，过滤区位于滤膜中间，过滤区相对操作区凹陷，过滤区上设置三维自对准微孔，三维自对准微孔由上层孔和下层孔构成，上层孔和下层孔为同轴孔，上层孔为圆柱形孔，上层孔的孔径小于下层孔，上层孔与下层孔连通，流体依次流经上层孔和下层孔，下层孔为圆柱形孔或者为孔径至上而下逐渐变大的渐变形孔。
优选的，所述的一种三维自对准微孔阵列高通滤膜，所述过滤区分为上层膜和下层膜，上层孔为设置在上层膜上的穿孔，上层膜的厚度为0.1～10μm，上层膜和下层膜连接成一体，下层孔为设置在下层膜上的穿孔，下层膜的厚度为1～50μm。
优选的，所述的一种三维自对准微孔阵列高通滤膜，所述滤膜为圆形，滤膜的直径为1～100mm，滤膜采用感光性透明高分子或者热固性透明高分子制成。
优选的，所述的一种三维自对准微孔阵列高通滤膜，所述三维自对准微孔均匀分布在过滤区，三维自对准微孔呈阵列分布，三维自对准微孔的孔隙率为1～90％。
优选的，所述的一种三维自对准微孔阵列高通滤膜，所述上层孔的直径为1～10μm，上层孔以1.2～50μm为周期分布。
优选的，所述的一种三维自对准微孔阵列高通滤膜，所述下层孔为圆柱形孔，下层孔的直径为1.1～50μm。
优选的，所述的一种三维自对准微孔阵列高通滤膜，所述下层孔为碗形孔，下层孔的顶面直径为1.1～10μm，下层孔的底面直径为1.1～50μm。
一种三维自对准微孔阵列高通滤膜的制作方法，在光学模板上镀上金属层，并在金属层上形成微孔结构，金属层上旋涂感光胶，背曝光显影，显影后在感光胶上沉积高分子，再在高分子上旋涂感光胶，整体偏移一定角度后旋转背向过曝光正常显影，软光刻方法复制得到硅胶阳模，由硅胶阳模采用光压印技术制作微孔滤膜。
优选的，所述的一种三维自对准微孔阵列高通滤膜的制作方法，所述高分子上旋涂感光胶，整体偏移5～30°后旋转背向过曝光正常显影，制得具有碗形孔的微孔滤膜。
优选的，所述的一种三维自对准微孔阵列高通滤膜的制作方法，所述高分子为聚对二甲苯，聚对二甲苯的沉积厚度为10～500nm。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明一方面通过减小上层孔厚度和增大下层孔孔径增加流体通量，另一方面通过下层孔增加滤膜的机械强度。本发明滤膜的制作方法结合了光刻技术、软光刻复制技术、压印技术和膜转移技术，此方法简便、快速，适用于不同材质微孔滤膜的制作和不同领域的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1三维自对准微孔阵列高通滤膜的正面结构示意图；
图2为实施例1三维自对准微孔阵列高通滤膜的反面结构示意图；
图3为实施例1三维自对准微孔阵列高通滤膜的剖视图；
图4为实施例1三维自对准微孔阵列高通滤膜的放大图；
图5为实施例2三维自对准微孔阵列高通滤膜的正面结构示意图；
图6为实施例2三维自对准微孔阵列高通滤膜的反面结构示意图；
图7为实施例2三维自对准微孔阵列高通滤膜的剖视图；
图8为实施例2三维自对准微孔阵列高通滤膜的放大图；
图9为实施例3三维自对准微孔阵列高通滤膜的制作流程图；
图10为实施例3三维自对准微孔阵列高通滤膜的制作方法阳膜的电镜图；
图11为实施例3三维自对准微孔阵列高通滤膜的制作方法滤膜的电镜图；
图12为实施例3三维自对准微孔阵列高通滤膜的制作方法滤膜的截面图；
图中：1操作区；2过滤区，21上层膜，22下层膜；3三维自对准微孔；4上层孔；5下层孔。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面通过以下实施例对本发明作进一步具体的阐述，但不可理解为对本发明的限定，对于本领域的技术人员根据上述发明内容所作的一些非本质的改进与调整，也视为落在本发明的保护范围内。
实施例1
如图1至图4所示，一种三维自对准微孔阵列高通滤膜，滤膜分为操作区1和过滤区2，操作区1位于滤膜四周，过滤区2位于滤膜中间，过滤区2相对操作区1凹陷，过滤区2上设置三维自对准微孔3，三维自对准微孔3由上层孔4和下层孔5构成，上层孔4和下层孔5为同轴孔，上层孔4为圆柱形孔，上层孔4的孔径小于下层孔5，上层孔4与下层孔5连通，流体依次流经上层孔4和下层孔5，下层孔5为孔径至上而下逐渐变大的渐变形孔。
所述滤膜为圆形，滤膜的直径为1～100mm，滤膜采用感光性透明高分子(PEGDA，ORMOCLEAR，NOA等)或者热固性透明高分子(EPOXY，PDMS等)制成。
所述过滤区2分为上层膜21和下层膜22，上层孔4为设置在上层膜21上的穿孔，上层膜21的厚度为0.1～10μm，上层膜21和下层膜22连接成一体，下层孔5为设置在下层膜22上的穿孔，下层膜22的厚度为1～50μm。
所述三维自对准微孔3均匀分布在过滤区2，三维自对准微孔3呈阵列分布，三维自对准微孔3的孔隙率为1～90％。所述上层孔4的直径为1～10μm，上层孔4以1.2～50μm为周期分布。所述下层孔5为碗形孔，下层孔5的顶面直径为1.1～10μm，下层孔5的底面直径为1.2～50μm。
实施例2
如图5至图8所示，在实施例1的基础上，所述下层孔5为圆柱形孔，下层孔5的直径为1.1～50μm。
实施例3
一种三维自对准微孔阵列高通滤膜的制作方法，在光学模板(基座)上镀上金属层(铬、金等)，并在金属层上形成微孔结构，金属层上旋涂感光胶，背曝光显影，显影后在感光胶上沉积高分子，再在高分子上旋涂感光胶，整体向上偏移30°后旋转背向过曝光正常显影，软光刻方法复制得到硅胶阳模(如图10所示)，由硅胶阳模采用光压印技术制作微孔滤膜。
所述高分子为聚对二甲苯，聚对二甲苯的沉积厚度为10～500nm。
通过电镜观察本申请制作的微孔滤膜平面，得到了图11。由图11可知，滤孔均匀分别在滤膜平面上，同时根据标尺计算出滤孔的孔径为3.636μm。为了更好说明本申请滤孔的结构，进一步对微孔滤膜的剖面制样观察，得到了图12。图12清晰地显示了，滤孔中上层孔和下层孔连通的结构，并且上层孔为圆柱形，下层孔为碗形孔，上层孔的孔径为4μm左右，与图11中滤孔的孔径值一致，下层孔的底面半径为20μm左右。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种三维自对准微孔阵列高通滤膜，其特征在于：滤膜分为操作区和过滤区，操作区位于滤膜四周，过滤区位于滤膜中间，过滤区相对操作区凹陷，过滤区上设置三维自对准微孔，三维自对准微孔由上层孔和下层孔构成，上层孔和下层孔为同轴孔，上层孔为圆柱形孔，上层孔的孔径小于下层孔，上层孔与下层孔连通，流体依次流经上层孔和下层孔，下层孔为圆柱形孔或者为孔径至上而下逐渐变大的截面为弧形的碗形孔。
2.根据权利要求1所述的一种三维自对准微孔阵列高通滤膜，其特征在于：所述过滤区分为上层膜和下层膜，上层孔为设置在上层膜上的穿孔，上层膜的厚度为0.1～10μm，上层膜和下层膜连接成一体，下层孔为设置在下层膜上的穿孔，下层膜的厚度为1～50μm。
3.根据权利要求1所述的一种三维自对准微孔阵列高通滤膜，其特征在于：所述滤膜为圆形，滤膜的直径为1～100mm，滤膜采用感光性透明高分子或者热固性透明高分子制成。
4.根据权利要求1所述的一种三维自对准微孔阵列高通滤膜，其特征在于：所述三维自对准微孔均匀分布在过滤区，三维自对准微孔呈阵列分布，三维自对准微孔的孔隙率为1～90％。
5.根据权利要求1所述的一种三维自对准微孔阵列高通滤膜，其特征在于：所述上层孔的直径为1～10μm，上层孔以1.2～50μm为周期分布。
6.根据权利要求1所述的一种三维自对准微孔阵列高通滤膜，其特征在于：所述下层孔为圆柱形孔，下层孔的直径为1.1～50μm。
7.根据权利要求1所述的一种三维自对准微孔阵列高通滤膜，其特征在于：所述下层孔为碗形孔，下层孔的顶面直径为1.1～10μm，下层孔的底面直径为1.1～50μm。
8.一种如权利要求1所述的三维自对准微孔阵列高通滤膜的制作方法，其特征在于：在光学模板上镀上金属层，并在金属层上形成微孔结构，金属层上旋涂感光胶，背曝光显影，显影后在感光胶上沉积高分子，再在高分子上旋涂感光胶，整体偏移一定角度后旋转背向过曝光正常显影，软光刻方法复制得到硅胶阳模，由硅胶阳模采用光压印技术制作微孔滤膜。
9.根据权利要求8所述的一种三维自对准微孔阵列高通滤膜的制作方法，其特征在于：所述高分子上旋涂感光胶，整体偏移5～30°后旋转背向过曝光正常显影，制得具有碗形孔的微孔滤膜。
10.根据权利要求8所述的一种三维自对准微孔阵列高通滤膜的制作方法，其特征在于：所述高分子为聚对二甲苯，聚对二甲苯的沉积厚度为10～500nm。
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