CN111589477A - 一种微通道器件加工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微通道器件加工工艺，依序包括以下步骤：在计算机内建立待加工的微通道器件三维数据模型；使用光固化打印机按照所得三维数据模型打印凹型板及平面板，所述微通道器件的微通道凹槽打印在所述凹形板表面，所述平面板表面平整无凹槽；对凹型板及平面板进行清洗干燥；将经过上述处理的凹型板及平面板进行真空贴合，所述凹槽板打印有凹槽的面为贴合面；真空贴合后再对其进行UV固化处理。相对于现有技术，本发明采用低成本的光固化打印机进行面成型，具有基板平整度好、制作效率高、操作简单和成本低的特点，可直接用于单件或小批量的微通道器件的快速制造，降低了微通道器件的生产成本，方法针对单件或小批量生产微通道器件非常高效。

Description

一种微通道器件加工工艺
技术领域
本发明涉及微通道器件加工领域，尤其涉及一种微通道器件加工工艺。
背景技术
微通道器件又称微流控芯片，是生化分析、医疗诊断的重要器件，可以将生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。从材质上主要包括玻璃芯片、高分子聚合物芯片及金属材质芯片等种类，其中高分子聚合物芯片中又以PDMS(聚二甲基硅氧烷)芯片最为常见。
现有的微通道器件的加工方式主要有包括湿法腐蚀、光刻及倒模、CNC(数控机床)设备加工和开模及注塑。湿法腐蚀主要应用于制作玻璃芯片，该工艺的加工精度可至10-25微米，但是通常需要结合光刻等工艺来进行加工，加工成本高昂且操作繁琐。光刻及倒模工艺主要应用于PDMS芯片的加工，其加工精度可以达到几微米，但是该工艺需要使用光刻胶制作模具，工艺过程复杂，且模具成本高昂。CNC设备加工可以用于加工聚合物材质芯片及金属材质芯片，其加工通道宽度的最小极限为100微米左右，但是CNC设备自身价格高昂。开模及注塑工艺则受限于模具的加工工艺，对通道形状有限制，难以加工较为复杂的结构，且使用该方法加工需先加工模具，耗时长且模具价格昂贵，灵活性差，芯片结构变动时需要重新开模，模具成本较高。
上述四类加工工艺均无法兼顾加工灵活性及低成本，加工工艺过程复杂、配置成本高，主要适用于微通道器件的批量化生产，但在针对单件、小批量的微通道器件加工时，加工效率低、加工工艺繁琐，难以在满足个性化定制需求的前提下降低成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种可以满足个性化定制需求且成本低廉的微通道器件加工工艺。
一种微通道器件加工工艺，依序包括以下步骤：
S1：在计算机内建立待加工的微通道器件三维数据模型；
S2：使用光固化打印机按照步骤S1所得三维数据模型分别打印出凹型板及平面板，其中，所述凹型板表面上打印有微通道器件的微通道凹槽，所述平面板表面平整无凹槽；
S3：对S2所得的凹型板及平面板进行清洗干燥；
S4：将经过步骤S3处理的凹型板及平面板进行真空贴合，其中，所述凹型板上打印有微通道凹槽的面为贴合面；
S5：对步骤S4所得的真空贴合后的凹型板及平面板进行UV固化处理。
相对于现有技术，本发明采用低成本的光固化打印机进行面成型，具有成型基板平整度好、制作效率高、操作简单和成本低的特点。可直接用于单件或小批量的微通道器件的快速制造，大幅降低了微通道器件的生产成本，简化了微通道器件的生产工艺，该工艺方法针对单件或小批量生产微通道器件非常高效。
进一步，所述步骤S1中的所述三维数据模型在建立好后，沿所述微通道器件模型的微通道凹槽其中一侧底面所在平面，对所述三维数据模型进行形状分割，分割成带有凹槽的凹型板模型和不带凹槽的平面板模型。便于后续对凹型板及平面板的打印。
进一步，所述凹型板与所述平面板贴合面投影形状相同，在所述凹型板与所述平面板贴合面的相同位置，分别设置有相匹配的定位槽与定位凸台，所述定位槽的深度大于所述定位凸台的凸起高度。便于真空贴合时凹型板与平面板的定位，同时也不会导致二者无法紧密贴合。
进一步，所述步骤S2中所述凹型板与所述平面板为同时打印。可以保证凹型板与平面板上下表面具有相同的平面度和材料属性。
进一步，所述步骤S2中所述光固化打印机为基于LCD屏透射式面成型技术的光固化打印机或DLP光固化打印机。基于LCD屏透射式面成型技术的光固化打印机最高可制造通道尺寸为100微米的微通道器件，基于面投影成型技术的DLP光固化打印机最高可制造通道尺寸为50微米的微通道器件。
进一步，所述步骤S3中清洗所使用的清洗剂为无水乙醇。确保清洗过程无毒无害且成本低廉。
进一步，所述步骤S3中清洗的方式为流动清洗十秒至三十秒。可将所述凹型板与平面板表面的多余树脂冲洗干净。
进一步，所述步骤S3中干燥方式为鼓风烘干。可以将清洗剂快速烘干。
进一步，所述步骤S4中在进行真空贴合前先对所述凹型板与所述平面板相对应的所述定位槽与所述定位凸台对齐。可以避免在真空贴合过程中所述凹型板与平面板发生错位。
进一步，所述步骤S4中的真空贴合在真空贴合机中进行，真空贴合时间至少为5分钟。确保所述凹型板与所述平面板实现完全贴合。
附图说明
图1为微通道器件加工工艺流程图；
图2为液滴生成器三维数据模型示意图；
图3为液滴生成器模型形状分割示意图；
图4为制得的液滴生成器微通道器件示意图。
具体实施方式
请参阅图1，图1为微通道器件加工工艺流程图。本发明的微通道器件加工工艺主要包括以下流程：
S1：根据所要制备的微通道器件设计在计算机中建立相应的三维数据模型，然后对所述三维数据模型进行形状分割，将所述三维数据模型分割成凹型板模型与平面板模型，将微通道的三维数据模型分割至所述凹型板模型的表面，所述平面板模型上不设置微通道，同时在所述凹型板模型与所述平面板模型的分割面上的相同位置分别建立相匹配的定位凹槽与定位凸台的三维数据模型；
S2：使用光固化打印机依据步骤S1所述凹型板模型与所述平面板模型用树脂同时打印出凹型板和平面板，以保证凹型板与平面板上下表面具有相同的平面度和材料属性，所述微通道分布在打印出的所述凹型板表面，所述平面板表面不设置所述微通道，所述光固化打印机优选为基于LCD屏透射式面成型技术的光固化打印机或基于面投影成型技术的DLP光固化打印机；
S3：将步骤S2中打印好的所述凹型板和所述平面板从打印平台上取下，然后将其置于清洗剂中流动清洗数秒至数十秒，所述清洗剂优选为无水乙醇，将粘附在凹型板和平面板表面的液态树脂清洗干净，将清洗后的所述凹型板和所述平面板置于烘干箱内进行鼓风烘干，将清洗剂蒸发去除；
S4：将步骤S3中洗涤烘干后的所述凹型板和所述平面板通过所述定位槽与定位凸台进行人工定位并使二者轻微贴合，然后将二者置于真空贴合机内，进行真空贴合；
S5：将步骤S4中真空贴合后的所述凹型板和所述平面板从真空贴合机中取出，置于UV(紫外线)固化箱内进行二次固化，二次固化后便得到微通道器件成品。
以下通过具体实施例来详细说明本发明的技术方案。
本实施例通过具有4种通道尺寸(通道尺寸从内往外依次为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm)的液滴生成器这一微通道器件的工艺流程来说明本发明的技术方案。图4为制得的液滴生成器微通道器件示意图。
首先建立液滴生成器三维数据模型示意图，请参阅图2，图2为液滴生成器三维数据模型示意图。液滴生成器的三维数据模型整体为板状，其内部通道结构为三条环形通道以及从内至外的第四条直线通道，且所述直线通道的一端连通至模型一边侧面，并在该侧面上设置有通道出口，上述每一种尺寸的通道与模型表面之间均垂直与通道所在平面设置有圆柱形小孔，圆柱形小孔靠外表面一侧为通道入口。对所述液滴生成器三维数据模型进行形状分割，分割面为所述凹槽所在的表面，分割后的模型请参阅图3，图3为液滴生成器模型形状分割示意图。所有凹槽均分布于一块模型的表面，该模型为凹型版模型，另一块模型表面为平面，是平面板模型。在所述凹型板模型与平面板模型的分割面四角的相同位置分别建立相匹配的圆柱形定位凸台与定位槽模型，所述定位凸台模型设置于所述平面板上，所述定位凹槽设置于所述凹型板上，所述定位凸台的高度比所述定位槽的深度小0.05mm，便于贴合时所述凹型板与所述平面板的定位，同时避免所述定位凸台过高导致所述凹型板与所述平面板不能全完贴合。
依据所述凹型板模型与所述平面板模型，采用X、Y方向分辨率为47.25微米、Z方向分辨率为2.5微米的LCD光固化打印机对凹型板和平面板同时进行打印制作，以保证所述凹型板与所述平面板的上下表面具有相同的平面度和材料属性。
将打印好的所述凹型板和所述平面板从打印平台上取下，然后将二者置于装有无水乙醇的容器中，浸泡数秒后拿出，然后用无水乙醇对所述凹型板和所述平面板上下面进行20秒左右的缓慢冲洗，冲洗速度不可过大，以免损坏凹型板内部凹槽结构的棱边，冲洗至无明显液态树脂残留。将清洗干净后的所述凹型板和所述平面板放置于内部温度在50℃左右的烘干箱内，进行30秒左右的鼓风烘干，观察凹型板和平面板表面无明显乙醇液珠即可停止烘干，避免过分烘干，以免影响贴合效果。
人工将烘干后的所述凹型板和所述平面板利用定位凹槽和定位凸台对准位置进行轻微贴合，避免按压，以免在贴合面产生气泡，然后将相互定位后的所述凹型板和所述平面板置于气压调压至0.3MPa的真空贴合机内，关闭真空贴合机盖子，进行5分钟以上的真空贴合，以保证贴合面充分粘附。
完成真空贴合后，将贴合在一起的所述凹型板和所述平面板从真空贴合机内取出，然后将其置于UV固化箱内进行二次固化，固化时间为2分钟，固化后便可得到得到具有微通道结构的液滴生成器。
本技术方案采用低成本、易获取的面成型光固化打印机、真空贴合机、烘干箱和UV固化箱等简单的配置，依序按照打印、清洗、烘干、贴合及再固化的工艺流程制作微通道器件，具有成型基板平整度好、制作效率高、操作简单和成本低的特点。基于平面成型光固3D打印技术打印所述凹型板和所述平面板，可以保证二者的贴合面具有高的平整质量。真空贴合工艺具有高效、低成本的特点，UV二次固化则可将贴合面上的微量未完全固化的树脂实现完全固化，增强了贴合面的粘附力，使得所述凹型板和所述平面板牢固贴合。可以依据微通道器件的通道制造所需的精度选择相应分辨率的光固化打印机进行打印，可灵活控制加工精度，可以充分的满足个性化、小批量的定制。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种微通道器件加工工艺，其特征在于，依序包括以下步骤：
S1：在计算机内建立待加工的微通道器件三维数据模型；
S2：使用光固化打印机按照步骤S1所得三维数据模型分别打印出凹型板及平面板，其中，所述凹型板表面上打印有微通道器件的微通道凹槽，所述平面板表面平整无凹槽；
S3：对S2所得的凹型板及平面板进行清洗干燥；
S4：将经过步骤S3处理的凹型板及平面板进行真空贴合，其中，所述凹型板上打印有微通道凹槽的面为贴合面；
S5：对步骤S4所得的真空贴合后的凹型板及平面板进行UV固化处理。
2.根据权利要求1所述微通道器件加工工艺，其特征在于：所述步骤S1中的所述三维数据模型在建立好后，沿所述微通道器件模型的微通道凹槽其中一侧底面所在平面，对所述三维数据模型进行形状分割，分割成带有凹槽的凹型板模型和不带凹槽的平面板模型。
3.根据权利要求1所述微通道器件加工工艺，其特征在于：所述凹型板与所述平面板贴合面投影形状相同，在所述凹型板与所述平面板贴合面的相同位置，分别设置有相匹配的定位槽与定位凸台，所述定位槽的深度大于所述定位凸台的凸起高度。
4.根据权利要求1所述微通道器件加工工艺，其特征在于：所述步骤S2中所述凹型板与所述平面板为同时打印。
5.根据权利要求4所述微通道器件加工工艺，其特征在于：所述步骤S2中所述光固化打印机为基于LCD屏透射式面成型技术的光固化打印机或DLP光固化打印机。
6.根据权利要求1所述微通道器件加工工艺，其特征在于：所述步骤S3中清洗所使用的清洗剂为无水乙醇。
7.根据权利要求6所述微通道器件加工工艺，其特征在于：所述步骤S3中清洗的方式为流动清洗十至三十秒。
8.根据权利要求7所述微通道器件加工工艺，其特征在于：所述步骤S3中干燥方式为鼓风烘干。
9.根据权利要求1所述微通道器件加工工艺，其特征在于：所述步骤S4中在进行真空贴合前先对所述凹型板与所述平面板相对应的所述定位槽与所述定位凸台对齐。
10.根据权利要求1所述微通道器件加工工艺，其特征在于：所述步骤S4中的真空贴合在真空贴合机中进行，真空贴合时间至少为5分钟。
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