PL214027B1

PL214027B1 - Sposób wytwarzania ukladów mikroprzeplywowych z niskotemperaturowej wspólwypalanej ceramiki

Info

Publication number: PL214027B1
Application number: PL391959A
Authority: PL
Inventors: Karol Malecha; Leszek Golonka
Original assignee: Politechnika Wroclawska
Priority date: 2010-07-26
Filing date: 2010-07-26
Publication date: 2013-06-28
Also published as: PL391959A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania układów mikroprzepływowych z niskotemperaturowej współwypalanej ceramiki, stosowanych, jako wielowarstwowe układy ceramiczne zawierające otwory i kanały cieczowe, w szczególności jako wszelkiego rodzaju mikroreaktory chemiczne do przeprowadzania analiz chemicznych i jako obudowy czujników.

Z opisu patentowego USA nr US7318874, Method for joining ceramic green bodies using transfer tape and conversion of bonded green body into a ceramic body, którego twórcami są Roosen A., Schroder A. i Zollner S., znany jest sposób wykonywania układów mikroprzepływowych w wyniku łączenia warstw folii ceramicznych zawierających wycięte otwory, który polega na łączeniu surowych folii ceramicznych przy pomocy polimerowych taśm klejących, które topią się i odparowują podczas wypalania wielowarstwowego modułu ceramicznego.

Znany jest sposób wytwarzania układów mikroprzepływowych w wyniku łączenia warstw folii ceramicznych zawierających wycięte otwory opracowana przez A. Roosen, A. Schroder i S. Zollner: „Method for joining ceramic green bodies using transfer tape and conversion of bonded green body into a ceramic body” US Patent nr 7318874 (2008). Sposób polega na łączeniu surowych folii ceramicznych przy pomocy polimerowych taśm klejących, które rozpuszczają się w procesie wypalania wielowarstwowego modułu ceramicznego rozpuszczają się i odparowują.

Sposób wytwarzania szklanego okna w niskotemperaturowej współwypalanej ceramice (LTCC) znany z polskiego zgłoszenia patentowego nr 386545, polega na tym, że co najmniej jedną dolną warstwę ceramiki z otworem nanosi się warstwę rozpuszczalnika, układa płytkę szklaną, przykrywa co najmniej jedną górną warstwą ceramiki i skleja się przy ciśnieniu nieznacznie większym od ciśnienia atmosferycznego, po czym strukturę warstwową suszy się przez co najmniej 60 minut w temperaturze pokojowej i poddaje wieloetapowej obróbce termicznej, którą prowadzi się w czasie do 220 minut i przy wzroście temperatury od temperatury otoczenia do temperatury 450°C do 530°C, w której wygrzewa się warstwy przez 40 do 160 minut, współwypalanej ceramiki po czym warstwy podgrzewa się w czasie 40 do 555 minut do temperatury 840 - 890°C. Następnie wyłącza się podgrzewanie, a wypalone struktury powoli chłodzi się do temperatury otoczenia, przy czym podczas wieloetapowej obróbki termicznej, półciekłe szkło w otworze warstw ceramiki jest utrzymywane napięciem powierzchniowym.

Sposób wytwarzania mikrostruktur do analiz chemicznych znany z polskiego zgłoszenia patentowego nr 381336, polega na tym, że projektuje się i wykonuje fotomaskę z pożądanym wzorem kanału, a następnie nadrukowuje się dielektryczną pastę światłoczułą na powierzchnię płytki ceramicznej i poddaje procesowi suszenia, a tak powstałą warstwę poddaje się działaniu promieniowania ultrafioletowego poprzez wcześniej przygotowaną fotomaskę z odpowiednim wzorem mikrokanału, po czym elementy odpowiadające zaprojektowanemu wzorowi mikrokanału wymywa się wodnym roztworem węglanu sodu, a następnie płytkę ceramiczną z uzyskanym na niej mikrorowkiem poddaje się procesowi spiekania warstwy w temperaturze około 850°C. Następnie nakłada się na wierzchnią warstwę dielektryczną pastę szkliwiącą i otrzymany element ceramiczny spieka się w temperaturze około 700°C, i łączy się, korzystnie w plazmie tlenowej, z uprzednio otrzymaną w znany sposób płytką z polidimetylosiloksanu z nawierconymi otworami.

Sposób łączenia warstw folii niskotemperaturowej współwypalanej ceramiki znany z polskiego opisu patentowego P.383391, polega na tym, że pomiędzy dwie warstwy folii niskotemperaturowej współwypalanej ceramiki nanosi się cienką warstwę rozpuszczalnika, przy czym warstwy dociska się przy ciśnieniu nieznacznie większym od ciśnienia atmosferycznego tak, aby łączone warstwy folii przylegały do siebie na całej łączonej powierzchni. Po czym nanosi się kolejną cienką warstwę rozpuszczalnika, przykrywa warstwą folii niskotemperaturowej współwypalanej ceramiki i dociska się przy ciśnieniu nieznacznie większym od ciśnienia atmosferycznego, przy czym czynności nanoszenia kolejnych cienkich warstw rozpuszczalnika, przykrywanie warstwą folii niskotemperaturowej współwypalanej ceramiki i dociskanie ich powtarza się do uzyskania wymaganej grubości zlaminowanych warstw folii, a po wysuszeniu poddaje wieloetapowej obróbce termicznej.

Istota sposobu, według wynalazku polega na tym, że na wyciętych z surowej folii niskotemperaturowej współwypalanej ceramiki i zgrane warstwa spodnia oraz warstwy górne, w których wykonane są otwory cieczowe i/lub kanały i/lub komory, przy czym po stronie otworów cieczowych i/lub kanałów i/lub komór, umieszcza się warstwę zabezpieczającą wykonaną z elastycznego materiału polimerowego, korzystnie silikonu, którą wypełnia się i zabezpiecza wykonane otwory cieczowe i/lub kanały i/lub

PL 214 027 Β1 komory przed deformacją podczas laminacji, po czym warstwy laminuje się w prasie termokompresyjnej przy ciśnieniu 5-30 MPa, w temperaturze 40°C-90°C, przez 5-30 minut.

Korzystnie, otwory cieczowe i/lub kanały i/lub komory wypełnia się i zabezpiecza matrycą na powierzchni, której wykonane są elementy wystające W dopasowane kształtem do zabezpieczanych otworów cieczowych i/lub kanałów i/lub komór, przy czym matryca wykonana jest z elastycznego materiału polimerowego, korzystnie silikonu.

Korzystnie, otwory cieczowe i/lub kanały i/lub komory warstwy górnej wykonane na głębokość odpowiadającą wysokości dwóch warstw surowej folii niskotemperaturowej współwypalanej ceramiki zabezpiecza się płaską płytką.

Sposób według wynalazku, pozwala na wykonywania względnie dużych otworów i kanałów cieczowych, które nie ulegną uszkodzeniu w trakcie procesu laminacji metodą termokompresyjną, oraz nie wymaga stosowania dodatkowych kroków technologicznych, zwłaszcza nie wydłuża czasu procesu technologicznego wytwarzania wielowarstwowych struktur ceramicznych. Silikonowa warstwa zabezpieczająca użyta w procesie łączenia surowych folii ceramicznych może być używana wielokrotnie. Podczas laminacji elastyczny materiał polimerowy wypełnia otwory cieczowe i kanały wykonane w foliach ceramicznych i zapobiega ich deformacji i uszkodzeniu. Dodatkowo elastyczna warstwa zabezpiecza plastikowy worek, w którym umieszczone są struktury ceramiczne podczas laminowania, przed pęknięciem lub rozerwaniem. Sposób ten pozwala na wykonywanie wielowarstwowych ceramicznych układów mikroprzepływowych zawierających wycięte struktury mikromechaniczne i mikrofluidyczne.

Przedmiot wynalazku jest objaśniony na przykładzie wytwarzania układów mikroprzepływowych z niskotemperaturowej współwypalanej ceramiki oraz na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia wielowarstwową strukturę ceramiczną zabezpieczoną warstwą zabezpieczającą, a fig. 2 - wielowarstwową strukturę ceramiczną zabezpieczoną matrycą.

Przykład 1

Sposób wytwarzania układów mikroprzepływowych z niskotemperaturowej współwypalanej ceramiki polega na tym, że z surowej folii wykonanej z niskotemperaturowej współwypalanej ceramiki, wycina się jedną warstwę górną WK, w której wykonane są kanały K i jedną warstwę spodnią WS. Na warstwie górnej WK, umieszcza się warstwę zabezpieczającą WZ wykonaną w postaci płytki silikonowej. Następnie ceramiczna struktura wielowarstwowa przykryta płytką poddawana jest procesowi laminacji metodą termokompresji w prasie izostatycznej przy ciśnieniu 5 MPa, w temperaturze 90°C przez 30 minut, a zlaminowaną strukturę wypala się podczas wieloetapowej obróbki termicznej. Wieloetapową obróbkę termiczną prowadzi się 240 minut i przy wzroście temperatury od temperatury otoczenia do temperatury 450°C, w której wygrzewa się spodnia część obudowy przez 60 minut, po czym warstwę spodnią WS od dołu obudowy podgrzewa się przez 60 minut do temperatury 850°C, a następnie wyłącza się podgrzewanie i chłodzi się powoli do temperatury otoczenia.

P rzy kład 2

Sposób wytwarzania układów mikroprzepływowych z niskotemperaturowej współwypalanej ceramiki przebiega jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że ceramiczna struktura wielowarstwowa przykryta płaską płytką, poddawana jest procesowi laminacji metodą termokompresji w prasie izostatycznej przy ciśnieniu 30 MPa, w temperaturze 40°C, przez 5 minut.

P rzy kład 3

Sposób wytwarzania układów mikroprzepływowych z niskotemperaturowej współwypalanej ceramiki przebiega jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że warstwa zabezpieczająca WZ wykonana jest z elastycznego polimeru.

P rzy kład 4

Sposób wytwarzania układów mikroprzepływowych z niskotemperaturowej współwypalanej ceramiki przebiega jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że otwory cieczowe, kanały K i komory wypełnia się i zabezpiecza matrycą M, na powierzchni, której wykonane są elementy wystające dopasowane kształtem do zabezpieczanych otworów cieczowych, kanałów K i komór, przy czym matrycą M wykonana jest z elastycznego materiału polimerowego.

Claims

1. Sposób wytwarzania układów mikroprzepływowych z niskotemperaturowej współwypalanej ceramiki, polegający na tym, że z ceramiki wycina się kształty i zgrywa się warstwy ceramiczne, po czym warstwy laminuje się i wypala podczas wieloetapowej obróbki termicznej, znamienny tym, że na wyciętych z surowej folii niskotemperaturowej współwypalanej ceramiki i zgrane warstwa spodnia (WS) oraz warstwy górne (WK), w których wykonane są otwory cieczowe i/lub kanały (K) i/lub komory, przy czym po stronie otworów cieczowych i/lub kanałów (K) i/lub komór umieszcza się warstwę zabezpieczającą (WZ) wykonaną z elastycznego materiału polimerowego, którą wypełnia się i zabezpiecza wykonane otwory cieczowe i/lub kanały (K) i/lub komory przed deformacją podczas laminacji, po czym warstwy (WS, WK) laminuje się w prasie termokompresyjnej przy ciśnieniu 5-30 MPa, w temperaturze 40°C-90°C przez 5-30 minut.

2. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że otwory cieczowe i/lub kanały (K) i/lub komory wypełnia się i zabezpiecza matrycą (M), na powierzchni której wykonane są elementy wystające dopasowane kształtem do zabezpieczanych otworów cieczowych i/lub kanałów (K) i/lub komór, przy czym matrycą (M) wykonana jest z elastycznego materiału polimerowego.

3. Sposób, według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że otwory cieczowe i/lub kanały (K) i/lub komory wypełnia się i zabezpiecza warstwą zabezpieczającą (WZ) wykonaną z silikonu.

4. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że otwory cieczowe i/lub kanały (K) i/lub komory warstwy górnej (WK) wykonane na głębokość odpowiadającą wysokości dwóch warstw surowej folii niskotemperaturowej współwypalanej ceramiki zabezpiecza się płaską płytką.

PL 214 027 Β1