CN110142069B - 基于微纳工艺的微流道芯片加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于微纳工艺的微流道芯片加工方法，属于微流道芯片加工领域，包括：第一直写过程，沿第一直线方向静电纺丝；第二直写过程，沿与第一直线方向不重叠的第二直线方向静电纺丝，第二直线方向平行第一直线方向但与第一直线方向反向；转向过程，将静电纺丝从第一直线方向改变至第二直线方向，转向过程中对产品持续施加转向力，该转向力能够分解成垂直于第二直线方向以及沿第二直线方向相同的分力；任一过程以及相互衔接的两个过程连续不停顿。本发明在转向过程对产品施加斜向的作用力，该作用力使得产品转向无需停顿也可以平滑过渡，解决了因电机不稳定和原方向残余速度，而导致的后续直线结构形状失真的问题。

Description

基于微纳工艺的微流道芯片加工方法
技术领域
本发明涉及微流道器件加工制作领域，特别是涉及一种基于微纳工艺的微流道芯片加工方法。
背景技术
CN108031498A公开了微流道芯片的加工系统和方法，这种加工方法在熔体直写过程中，要打印出满足微流控芯片的复杂图案需经过多次转向。然而实际中，使用这种或者类似的熔体直写装置按照预设路径（如图1所示）完成转弯时，会出现拐角处拐角尖锐（图2）和曲线卷曲（图3）等现象。
上述的原因在于电纺直线运动方向发生变化时，电机通常需要一定的时间来达到预定的稳定状态。如果在很短时间内发生连续的快速加减速及方向的变化，电机本身的运动就会处于不稳定的状态，单轴方向上出现振动，如果结合另一轴的运动，就会出现连续波浪状的振动状的运动形貌，如图3所示。而这种波浪振动在宏观上不容易被变现出来，但是可以从电纺直写的微观结构捕捉到。电机在高速过弯，并且线间距很小的情况下，没有足够的时间让电机运动稳定下来，从而导致了后续的直线结构形状失真，成波浪形。即使通过合理控制电机速度与直写速度的比例关系，也仅仅能尽可能避免曲线卷曲的情况，但是依然会形成如图2所示拐角尖锐的状况，使得直写效果不理想。
为此，产生了一种解决方案，其在拐角处做0.3s的停顿，尽量让电机在单轴上运动稳定，从而获得更好的直线形貌。因为在短暂停顿的过程中，纺丝过程仍在继续，会导致纤维出现大量沉积，同时当射流撞击收集器时，因为收集器无相对移动，纤维没有进行拉伸，所以轴向压缩引起靠近收集器的屈曲区域的线圈以随机取向沉积，导致出现严重沉积、图形不精确、产生波浪形的情况（如图4所示）。这些都是现有存在的问题和现有方案没有很好解决的内在因素。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种基于微纳工艺的微流道芯片加工方法，能够得到符合要求的纤维沉积轨迹。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于微纳工艺的微流道芯片加工方法，包括：
第一直写过程，沿第一直线方向静电纺丝；
第二直写过程，沿与第一直线方向不重叠的第二直线方向静电纺丝，第二直线方向平行第一直线方向但与第一直线方向反向；
转向过程，将静电纺丝从第一直线方向改变至第二直线方向，转向过程中对产品持续施加转向力，该转向力能够分解成垂直于第二直线方向以及沿第二直线方向相同的分力；
任一过程以及相互衔接的两个过程连续不停顿。
作为本发明的进一步改进，由控制软件预先规划各过程的路径，并且转向过程的规划路径设置补偿。
作为本发明的进一步改进，各规划路径均为直线段，转向过程规划路径的直线段与第一直写过程规划路径的直线段成一锐角，构成所述补偿。
作为本发明的进一步改进，转向过程的规划路径长度为0.3mm。
作为本发明的进一步改进，各过程的实际纺丝轨迹均由搭载收集器的运动平台相对于直写针头的相对运动构成。
作为本发明的进一步改进，所述运动平台为具有x轴方向以及y轴方向的宏动平台，宏动平台配备有x轴驱动电机和y轴驱动电机，第一直线方向、第二直线方向与x轴或者y轴平行。
作为本发明的进一步改进，纺丝过程中保持纺丝直写速度v2，控制运动平台的平移速度v1，使得各过程的v1 /v2的平均值保持在1.5~1.8。
本发明的有益效果是：本发明在转向过程对产品施加斜向的作用力，该作用力使得产品转向无需停顿也可以平滑过渡，解决了因电机不稳定和原方向残余速度，而导致的后续直线结构形状失真的问题，也避免因停止直写而出现的沉积问题。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。
图1是传统熔体直写技术中预设路径示意图；
图2是根据图1的预设路径在不停顿情况且直写速度合适时熔体直写的实际路径图；
图3是根据图1的预设路径在不停顿情况且直写速度较快时熔体直写的实际路径图；
图4是根据图1的预设路径在停顿0.3s情况下熔体直写的实际路径图；
图5是本发明预设路径的示意图；
图6是根据图5的预设路径在不停顿情况下熔体直写的实际路径图；
图7是实施本发明方法的装置示意图；
图8是运动平台的受力示意图。
具体实施方式
实施例公开的一种微流道芯片加工装置，如图7所示，包括直写针头1，直写针头1的下方为可以沿水平x轴、y轴方向平移的运动平台3，运动平台3上搭载产品（收集装置2）。运动平台3为宏动平台，宏动平台配备有x轴驱动电机和y轴驱动电机。直写针头1配备有是精密调压阀5，负责调节直写环境气压；还配备有高速摄像头4，用于监测熔体直写情况。
在上述加工装置的基础上对微流道芯片的加工方法，包括至少三个过程：第一直写过程、转向过程和第二直写过程。
其中，同时参考图8，第一直写过程是直写针头1与产品的相对运动，即产品相对于直写针头1沿第一直线方向进行静电纺丝，具体来说是运动平台3沿x轴方向的平移运动；
第二直写过程是产品相对于直写针头1沿第二直线方向进行静电纺丝，第一直线方向与第二直线方向平行但不重叠，第二直线方向与第一直线方向为反向，具体为运动平台3沿-x轴方向的平移运动；
转向过程，将静电纺丝从第一直线方向改变至第二直线方向，该过程中，产品相对于直写针头1来说进行了180度的拐弯转向。具体是运动平台3首先转向y轴方向，再从y轴方向转至-x轴方向运动。
上述每一过程中以及相互衔接的两个过程为连续不停顿的过程，即与现有技术中转向拐弯停顿0.3s形成了区别。
为了避免连续转向过程中由于驱动电机减速导致运动平台3不稳定振动以及x轴运动方向速度未减为零引起直写的直线结构形状失真，实施例中在运动平台3即将转向时以及在转向的过程中，对搭载了收集装置2的运动平台3持续施加一个斜向的转向力F。
如图8所示，运动平台3最先沿第一直线方向（x轴方向Vx）方向平移，在转向90度朝y轴方向（Vy）方向平移的过程中，以及从Vy方向转向90度朝第二直线方向（-Vx）方形平移的过程中，对转向平台施加转向力F，该转向力F能够分解成垂直于第二直线方向的力Fy以及沿第二直线方向相同的分力F-x。
由于该斜向力F，使得直写轨迹每一90度转向均为平滑过渡，180度转向后形成如图5所示的拐角处呈平滑弧形的直写轨迹。
上述的对运动平台3的斜向力F由x轴驱动电机和y轴驱动电机共同提供，F的大小由程序控制不同的驱动电机的出力大小进行调整。
上述仅对第一直写过程、转向过程以及第二直写过程进行了说明，在大多数复杂的直写加工中，还会存在多次的转向和多次的直线直写，这些过程都采用上述的三个过程，只是转向的方向会有所差异。
进一步优选的，上述运动平台3的运动轨迹首先需要预先进行规划，具体来说在控制系统中由控制软件预先规划各过程的路径，比如采用CAD绘图的方式预先描绘路径，另外，实施例还在转向过程的规划路径设置补偿。
具体的，参考图5，各规划路径均为直线段，第一直写过程的规划直线段为由左至右，第二直写过程的规划直线段为由右至左，转向过程规划路径的直线段向左方倾斜，其与第一直写过程规划路径的直线段成一锐角，构成补偿。该规划的路径实际上与运动平台3的受力方向一致。
进一步优选的，上述的转向过程的规划路径长度为0.3mm。
进一步优选的，直写纺丝过程中，保持直写针头1的纺丝直写速度v2，控制运动平台3的平移速度v1，使得上述各过程的v1 /v2的平均值保持在1.5~1.8。
实施例中的加工方法，通过在规划直写路线时将电机本身的运动和另一轴方向的运动提前考虑进去，调控合适的收集装置2运动速度，结合CAD补偿方法，解决了因收集装置2（运动平台3）减速的平台振动，原方向存在残余速度和纤维拉伸力度不稳定，而导致的后续直线结构形状失真的问题，避免传统方法因停止直写而出现的大量沉积问题。
以上所述只是本发明优选的实施方式，其并不构成对本发明保护范围的限制。

Claims (5)

1.一种基于微纳工艺的微流道芯片加工方法，其特征在于，包括：
第一直写过程，沿第一直线方向静电纺丝；
第二直写过程，沿与第一直线方向不重叠的第二直线方向静电纺丝，第二直线方向平行第一直线方向但与第一直线方向反向；
转向过程，将静电纺丝从第一直线方向改变至第二直线方向，转向过程中对产品持续施加转向力，该转向力能够分解成垂直于第二直线方向以及沿第二直线方向相同的分力；
任一过程以及相互衔接的两个过程连续不停顿；
由控制软件预先规划各过程的路径，并且转向过程的规划路径设置补偿；
各规划路径均为直线段，转向过程规划路径的直线段与第一直写过程规划路径的直线段成一锐角，构成所述补偿。
2.根据权利要求1所述的基于微纳工艺的微流道芯片加工方法，其特征在于：转向过程的规划路径长度为0.3mm。
3.根据权利要求1或2所述的基于微纳工艺的微流道芯片加工方法，其特征在于：各过程的实际纺丝轨迹均由搭载收集器的运动平台相对于直写针头的相对运动构成。
4.根据权利要求3所述的基于微纳工艺的微流道芯片加工方法，其特征在于：所述运动平台为具有x轴方向以及y轴方向的宏动平台，宏动平台配备有x轴驱动电机和y轴驱动电机，第一直线方向、第二直线方向与x轴或者y轴平行。
5.根据权利要求3所述的基于微纳工艺的微流道芯片加工方法，其特征在于：纺丝过程中保持纺丝直写速度v2，控制运动平台的平移速度v1，使得各过程的v1 /v2的平均值保持在1.5~1.8。
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