CN113290770A

CN113290770A - 一种塑胶微流控芯片的注塑成型方法

Info

Publication number: CN113290770A
Application number: CN202110516274.6A
Authority: CN
Inventors: 杨军
Original assignee: Taijiwei Chengdu Technology Development Co ltd
Current assignee: Taijiwei Chengdu Technology Development Co ltd
Priority date: 2021-05-12
Filing date: 2021-05-12
Publication date: 2021-08-24

Abstract

本发明公开了一种塑胶微流控芯片的注塑成型方法，包括以下步骤：步骤S1，选择合适的模具基板，并进行净化处理；步骤S2，在模具基板的表面制备金属薄膜层；步骤S3，在金属薄膜层的上表面封装感光胶带；步骤S4，利用光刻工艺，将绘制于掩膜上的微流控芯片设计图案以图形化的方式光刻至金属薄膜层的表面；步骤S5，在刻蚀出的微流控芯片设计图案内进行电镀金属生长，以加工出成型模仁；步骤S6，去除剩余的感光胶带；步骤S7，在金属薄膜层及成型模仁的表面电镀金属薄膜保护层；步骤S8，在金属薄膜保护层的表面进行硬化处理以形成硬化层，最终得到具有硬化层的金属模具结构。根据本发明，其降低了模具生产成本及模具制造周期，适用于大批量连续生产。

Description

一种塑胶微流控芯片的注塑成型方法

技术领域

本发明涉及微流控芯片领域，特别涉及一种塑胶微流控芯片的注塑成型方法。

背景技术

微流控芯片通过把化学、物理、生物等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检验、细胞培养等基本操作单元集成到一块很小的芯片上，由微通道形成网络，并以可控的微量流体贯穿整个系统，用以实现常规化学或者生物实验室的各种功能。

微流控芯片的加工技术起源于半导体及集成电路芯片的加工，但芯片通道的加工尺寸远大于大规模集成电路，芯片的大小约数平方厘米，微通道宽度和深度为微米级，因此对加工技术的要求要低一些。另一方面，对芯片材料的选择，微通道的设计，微通道的表面改性及芯片的制作则是微流控分析芯片的关键问题。

最早的微流控芯片是用单晶硅制作，这主要得益于成熟的微电子和微机械加工技术。玻璃微流控芯片具备优良的光学性能和支持电渗流特性，易于表面改性，可直接借鉴传统的毛细管电泳分析技术，因此在微流控芯片发展初期受到更多重视并得到相应发展，至今仍是最广泛使用的芯片之一。用玻璃材料制作微流控芯片具有很多的优越性，但高分子聚合物以其较玻璃价廉，制作方法简单，生产成本低，可制作一次性使用芯片等特点，正日益为人们所关注。高分子聚合物是一种用于制作微流控芯片的模型胶，它加工成型方便，原材料成本低，适于大批量制作。通过在微流控芯片复形模具上浇注液态高聚物，待其固化后将其与模具剥离，便能在高聚物表面形成与模具一致的图案。

现在用于制作高聚物微流控芯片成型模具的常用方法，是将液体光刻胶固化成光刻胶涂层，然后通过紫外光照射带有图案的掩膜，再使用光刻胶液掩膜下面的光刻胶涂层，在基板上获得所需形状的模具，而上述传统制作方法获得的成型模具，虽然制作精密和快捷，但对于一些细小锐角特征的微流控芯片设计图案，制备获得的成型模具在微流控芯片成型加工过程中磨损过快，不适合大批量连续生产。

有鉴于此，实有必要开发一种塑胶微流控芯片的注塑成型方法，用以解决上述问题。

发明内容

为了克服上述塑胶微流控芯片的成型方法所存在的问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种耐磨损、易加工的塑胶微流控芯片的注塑成型方法，降低了模具生产成本及模具制造周期，适用于大批量连续生产。

就注塑成型方法而言，本发明为解决上述技术问题的塑胶微流控芯片的注塑成型方法包括以下步骤：

步骤S1，选择合适的模具基板，并进行净化处理；

步骤S2，在模具基板的表面制备金属薄膜层；

步骤S3，在金属薄膜层的上表面封装感光胶带；

步骤S4，利用光刻工艺，将绘制于掩膜上的微流控芯片设计图案以图形化的方式光刻至金属薄膜层的表面；

步骤S5，在刻蚀出的微流控芯片设计图案内进行电镀金属生长，以加工出成型模仁；

步骤S6，去除剩余的感光胶带；

步骤S7，在金属薄膜层及成型模仁的表面电镀金属薄膜保护层；

步骤S8，在金属薄膜保护层的表面进行硬化处理以形成硬化层，最终得到具有硬化层的金属模具结构；

步骤S9，在金属模具结构上进行注塑，待冷却固化后即可得到微流控芯片。

可选的，所述模具基板为硅、石英、玻璃或金属材料中的任意一种。

可选的，所述金属薄膜层的厚度为0.5～1.9微米。

可选的，所述金属薄膜层的材料为镍、铬、银或铝中的任意一种。

可选的，制备所述金属薄膜层的方法为电镀法或电化学沉积法。

可选的，所述电镀金属薄膜保护层的材料为镍或铬。

可选的，所述电镀金属薄膜保护层的厚度为1.5～5.0微米。

可选的，所述硬化处理的方法为镀铬法。

可选的，所述硬化层的厚度为5～20微米。

可选的，所述硬化层的硬度为600～1000HV。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：由于在金属薄膜层及成型模仁的表面电镀金属薄膜保护层，并在金属薄膜保护层的表面进行硬化处理以形成硬化层，提高了模具表面的耐磨性能，使得单个模具的聚合物芯片生产张数从原先5000～1万张提升到30～50万张，大大降低了模具制备成本，并且重复性好，生产周期得到缩短，能够适用于大批量连续生产。

上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：由于大幅减少机械加工步骤，使得加工成本得到进一步降低。

上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：图形细微等级可以长时间保持在微米级，其精细程度同光刻胶直接固化模具相等。

上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：表面硬化处理的模具，不需要进行再抛光，直接可以使用，进一步缩短了生产周期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制，其中：

图1为根据本发明一个实施方式提出的塑胶微流控芯片的注塑成型方法的流程图；

图2为根据实施例1中的制备方法注塑得到的微流控芯片结构示意图；

图3为根据实施例2中的制备方法注塑得到的微流控芯片结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在附图中，为清晰起见，可对形状和尺寸进行放大，并将在所有图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部件。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

在下列描述中，诸如中心、厚度、高度、长度、前部、背部、后部、左边、右边、顶部、底部、上部、下部等用词是相对于各附图中所示的构造进行定义的，特别地，“高度”相当于从顶部到底部的尺寸，“宽度”相当于从左边到右边的尺寸，“深度”相当于从前到后的尺寸，它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化，所以，也不应当将这些或者其他的方位用于解释为限制性用语。

涉及附接、联接等的术语(例如，“连接”和“附接”)是指这些结构通过中间结构彼此直接或间接固定或附接的关系、以及可动或刚性附接或关系，除非以其他方式明确地说明。

实施例1

图1～图3示出了本发明的实施例1，结合图1～图2的示出，可以看出，塑胶微流控芯片的注塑成型方法包括以下步骤：

步骤S1，选择合适的金属模具胚体，按设计精磨加工成模具基板11，随后净化清洗处理掉加工过程中残留的有机物和微细粉尘等；

步骤S2，在模具基板11的表面进行整面蒸镀或者溅射金属薄膜层12，这里的金属薄膜层为Ni；

步骤S3，在金属薄膜层12的上表面封装感光胶带13，这里的感光胶带13采用负性感光胶带；

步骤S4，利用光刻工艺，将绘制于掩膜上的微流控芯片设计图案以图形化的方式光刻至金属薄膜层12的表面，以光刻出微流控通道的图形，这里采用I线紫外线进行光刻；

步骤S5，在刻蚀出的微流控芯片设计图案内进行电镀金属生长，以加工出成型模仁14，即在Ni金属薄膜层上电镀生长出Ni层实体；

步骤S6，去除剩余的感光胶带13，这里采用丙酮溶液对感光胶带13进行清洗去除；

步骤S7，在金属薄膜层12及成型模仁14的表面电镀金属薄膜保护层15；

步骤S8，在金属薄膜保护层15的表面进行硬化处理以形成硬化层，最终得到具有硬化层的金属模具结构，这里采用在金属薄膜保护层15的表面溅射Ai金属层或Cr金属层进行硬化处理；

步骤S9，在金属模具结构上进行注塑，待冷却固化后即可得到微流控芯片16。

进一步地，所述金属薄膜层12的厚度为0.5微米。

进一步地，所述电镀金属薄膜保护层15的材料为镍或铬。

进一步地，所述电镀金属薄膜保护层15的厚度为1.5微米。

进一步地，所述硬化层的厚度为5微米。

进一步地，所述硬化层的硬度为600HV。

进一步地，在步骤S7与S8之间还设有：

步骤S71，净化清洗掉加工中残留的有机物和微细粉尘等。

图2为根据实施例1中的制备方法注塑得到的微流控芯片结构示意图。

实施例2

本发明还公开了实施例2，实施例2与实施例1的区别在于：

所述模具基板11为硅、石英或玻璃材料中的任意一种；

所述金属薄膜层12的厚度为1.9微米；

所述金属薄膜层12的材料为银或铝；

制备所述金属薄膜层12的方法为电化学沉积法；

所述电镀金属薄膜保护层15的材料为铬；

所述电镀金属薄膜保护层15的厚度为5.0微米；

所述硬化处理的方法为镀铬法；

所述硬化层的厚度为20微米；

所述硬化层的硬度为1000HV。

实施例3

本发明还公开了实施例3，实施例3与实施例1的区别在于：

所述金属薄膜层12的厚度为1.0微米；

所述电镀金属薄膜保护层15的材料为铬；

所述电镀金属薄膜保护层15的厚度为2.5微米；

所述硬化层的厚度为12微米；

所述硬化层的硬度为800HV。

参照上述实施例并结合图2、图3可以得出以下结论：

此工艺的微流控注塑模具，适用于医疗器具上常用的PC/PMMA/PDMS等塑胶材质；实现一模多穴/批量生产/快速复制等特点，同时也可以满足其它微纳产品的制作，如MEMS内的微齿轮/齿条等。

传统的在硅基板或者玻璃基板上电铸微流控图形，然后再把电铸微流控图形贴和在金属板上形成的模具，具有如下缺点：

(一)结构上:不能满足的注塑工艺的高压/高温/高循环/快速冷却等工艺要求；

(二)工艺上：工艺不够简洁和实用，实为样品的压印模具制作工艺；

(三)成本上：光对硅或者玻璃进行干法腐蚀此的设备和工艺，在国内只有大型半导体厂商或者实验室才拥有，一般厂家，自制或者外协难度非常大。

而本发明所采用的技术方案在金属薄膜层及成型模仁的表面电镀金属薄膜保护层，并在金属薄膜保护层的表面进行硬化处理以形成硬化层，提高了模具表面的耐磨性能，使得单个模具的聚合物芯片生产张数从原先5000～1万张提升到30～50万张，大大降低了模具制备成本，并且重复性好，生产周期得到缩短，能够适用于大批量连续生产。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

本文中所描述的不同实施方案的零部件可经组合以形成上文未具体陈述的其它实施例。零部件可不考虑在本文中所描述的结构内而不会不利地影响其操作。此外，各种单独零部件可被组合成一或多个个别零部件以执行本文中所描述的功能。

此外，尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims

1.一种塑胶微流控芯片的注塑成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，选择合适的模具基板，并进行净化处理；

步骤S2，在模具基板的表面制备金属薄膜层；

步骤S3，在金属薄膜层的上表面封装感光胶带；

步骤S6，去除剩余的感光胶带；

2.如权利要求1所述的塑胶微流控芯片的注塑成型方法，其特征在于，所述模具基板为硅、石英、玻璃或金属材料中的任意一种。

3.如权利要求1所述的塑胶微流控芯片的注塑成型方法，其特征在于，所述金属薄膜层的厚度为0.5～1.9微米。

4.如权利要求1所述的塑胶微流控芯片的注塑成型方法，其特征在于，所述金属薄膜层的材料为镍、铬、银或铝中的任意一种。

5.如权利要求1所述的塑胶微流控芯片的注塑成型方法，其特征在于，制备所述金属薄膜层的方法为电镀法或电化学沉积法。

6.如权利要求1所述的塑胶微流控芯片的注塑成型方法，其特征在于，所述电镀金属薄膜保护层的材料为镍或铬。

7.如权利要求1所述的塑胶微流控芯片的注塑成型方法，其特征在于，所述电镀金属薄膜保护层的厚度为1.5～5.0微米。

8.如权利要求1所述的塑胶微流控芯片的注塑成型方法，其特征在于，所述硬化处理的方法为镀铬法。

9.如权利要求1所述的塑胶微流控芯片的注塑成型方法，其特征在于，所述硬化层的厚度为5～20微米。

10.如权利要求1所述的塑胶微流控芯片的注塑成型方法，其特征在于，所述硬化层的硬度为600～1000HV。