微结构模芯的精密磨削及其在微注塑成形中应用

针对微结构聚合物元器件的批量化生产与制造效率低等问题,采用精密修整成V形尖端的金刚石砂轮,在自润滑性和脱模性良好的钛硅碳陶瓷模芯表面加工制造出形状精度可控的V沟槽阵列结构,然后利用微注塑成形工艺将模芯表面的V沟槽阵列结构一次成形复制到聚合物表面,高效注塑成形制造出倒V形阵列结构的聚合物工件。分析了微模芯的表面加工质量与形状精度,研究了熔体温度、注射速度、保压压力、保压时间等微注塑成形工艺参数对微结构聚合物注塑成形角度偏差和填充率的影响。实验结果表明:通过微细磨削加工技术和微注塑成形工艺可以高效率、高精度地制造出规则整齐的微结构注塑工件,注射速度对微成形角度偏差的影响最大,保压压力对微成形填充率的影响最大,微结构模芯的微细磨削形状精度值为4.05μm,微成形的最小角度偏差和最大填充率分别为1.47°和99.30%。     

微流控芯片模具化学蚀刻制造工艺研究

为制造微流控芯片模具实现微流控芯片的大批量生产,采用三酸型蚀刻液对图案掩膜的P20模具钢进行蚀刻加工。观测蚀刻的微流道形状和尺寸,分析蚀刻深度、流道宽度、蚀刻因子和面粗糙度等随加工时间的变化规律。结果表明加工时间越长,微流道侧壁垂直性越好,蚀刻因子越大,但面粗糙度越差。因为反应产物附着于工件表面,特别是侧壁上,使侧向蚀刻速度低于深度方向蚀刻速度,而蚀刻反应产生热量,使工件反应表面温度升高,蚀刻速度加快,影响表面质量。蚀刻反应中,合理控制掩膜尺寸、加工时间、搅拌速度和反应温度等,才能得到满足要求的微流控芯片模具。     

多工位组合电极电火花成形微凹槽结构

针对具有复杂微尺度凹槽结构的高硬度模具钢型腔难以加工的难题,提出了一种多工位组合电极电火花成形的新方法。以某种聚合物微流控芯片模具型腔为研究对象,选用NAK80模具钢为型腔材料,铜钨合金(W75%)为相应的微凸起结构电极材料并经由高速铣削加工。为降低加工难度及保障加工质量,对复杂微凸起结构进行分解,形成2组4工位组合电极;采用周铣、端铣交替进行的工艺使微凸起上表面的毛刺连续发生塑性变形从而减小和去除微凸起结构顶端的加工毛刺。最后,利用制备好的多工位组合电极,采用变换工位代替更换电极的加工方式,通过精密电火花成形,依次完成粗、半精与精加工。结果表明:加工的凹槽侧壁与底面垂直度较好,宽度、高度误差在3μm以内,根部圆角在15μm以内,可以满足成型聚合物微流控芯片的使用要求。     

PMMA微流控芯片微通道热压成形与键合工艺研究

微流控芯片在化学分析、临床诊断等领域的应用前景广阔.聚合物材料具有低成本、良好的加工性能、可用热压等快速成形方法加工微通道、易于实现批量生产等优点,适于作为制作微流控芯片的基材.本文研究了微通道热压成形及其芯片制作工艺.以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为基材制作了微流控芯片.在加热软化的PMMA上,用带有凸起微结构的镍模具在基片上压制出开放微通道,讨论了热压过程中温度、压力对芯片微通道成形质量的影响,确立了优化的热压成形工艺.在PMMA玻璃转化点(Tg)附近,通过施加一定的压力,实现基片与盖片的直接键合,获得了密闭分离微通道,并在PMMA微流控芯片上实现了安非他明的分离检测.     

适用于多种材料阵列微槽加工的聚晶金刚石铣槽刀制备

结合金刚石飞切刀具和锯片,设计了具有特定形状、尺寸和角度参数的铣槽刀,并采用电火花线切割加工方法制造出了PCD铣槽刀;利用自制PCD铣槽刀进行微细铣削试验,制备出了加工质量良好的典型阵列微槽结构。     

聚合物微流控芯片激光加工及建模研究

在CO2激光直写聚合物PMMA微流控芯片加工原理基础上，对建立激光直写PMMA微流道的数学模型进行了研究。采用能量守恒原理对激光直写PMMA微流道成形进行分析，结果表明其微流道的形状呈高斯函数型分布，并获得了微流道深度与激光功率、加工速度及加工次数的函数关系模型。实验数据较好地验证了所建模型的正确性，该模型对CO2激光直写聚合物微流控芯片的加工参数选择具有较好的指导作用。     

一种聚合物平板微器件的制造方法

以一种平板微器件-微流控芯片制造为研究对象,针对单一的注塑成型工艺难以保证器件的宏微形位误差的难题,提出了一种新颖的聚合物平板微器件集成制造方法。首先,设计并制造了一套注塑模具,其中采用双螺纹结构将微镶件和定模架相连,对注塑工艺参数进行优化,制得填充率接近1的平板微制件。然后,对平板微制件进行了基于视觉对准的铣削整形和热压整平,有效改善了制件的宏微形位误差和平面度误差。最后,利用加工的器件进行装配,形成微流控芯片,并对芯片进行了流量测试和疲劳测试。实验结果表明:采用提出方法制造的微流控芯片,各项精度指标和性能可以满足实际使用要求,工艺成果对同类器件的研发和生产提供了借鉴和指导。     

塑料微流控芯片微通道热压成形机的研制

微通道热压成形机是大连理工大学微系统研究中心研制的塑料微流控芯片自动制造系统中的重要组成设备.文章介绍了塑料微流控芯片微通道热压成形制作工艺,对所研制的微通道热压成形机的机械结构、温度控制、压力和位移控制以及系统软件的设计特点进行了说明,给出了主要性能指标.微通道热压成形机既可以作为单独的设备使用,也可以与其他设备联成系统.     

一种新型微流控芯片金属热压模具的制作工艺研究

研究了利用UV-LIGA技术制造PMMA微流控芯片金属热压模具。采用预机械抛光的Ni板作为电铸基底,光刻SU-8 2050后形成电铸型模,然后电铸Ni微通道,去胶后电铸基底与微通道结合形成芯片热压模具。此方法有效地解决了传统UV-LIGA方法中的倒拔模斜度的问题。制作的微流控芯片模具微通道的宽度和高度尺寸偏差分别为1.7%和2.8%,满足微流控芯片的应用要求。     

导光均光微槽透镜阵列精密磨削及其热压微成型

薄壁LED照明依赖丝网印刷的微阵列导光板,但其表面油墨点阵易老化,且微结构很难优化。因此,在导光板表面设计出高斯分布的空间微槽透镜阵列,并采用数控微磨削技术对其进行加工,替代市面丝网印刷的2D微圆阵列。首先,用微光学原理模拟导光板导光效率和出光均匀度,优化微透镜阵列的形状、尺寸和分布。利用金刚石砂轮微尖端在PMMA导光板表面精密磨削出微透镜阵列,检测其导光效率及均匀性。最后,利用微磨削加工的微阵列成型钢模芯开发微透镜阵列的快速热压微成型工艺。微光学分析表明,微槽透镜阵列比微方形透镜阵列和微半球透镜阵列分别提高导光效率6%和15%。而且,微槽透镜阵列变间距高斯分布比等间距分布提高导光效率32%,提高出光均匀度73%。试验结果显示,微磨削可以控制微槽透镜阵列加工的表面质量和形状精度,应用于LED导光板后比丝网印刷的导光板提高导光效率7%和出光均匀度9%。此外,开发3 s的快速热压微成型工艺,可以加工出变间距和变深度的微槽透镜阵列,比丝网印刷的微圆阵列提高照度26%和出光均匀度49%。因此,微空间结构优化的微槽透镜阵列比丝网印刷的2D微圆阵列可附加出更高的微光学应用价值。     

数字化无模铸造车铣复合精密成形机精度检验项目分析与研究

本文通过对数字化无模铸造车铣复合精密成形机(以下简称“车铣成形机”)的精度检验项目进行分类和分析,阐述了砂型件车铣复合成形加工精度对车铣成形机静态几何精度的要求,提出了稳定车铣成形机几何精度的设计制造方法。本文为提高车铣成形机生产制造精度进而提高砂型件车铣复合成形加工质量而提供有价值的参考建议。     

声操控型微流控芯片的加工与测试技术

介绍了一种声操控型微流控芯片的加工方法与测试技术。首先,基于声操控型微流控芯片的工作原理和功能需求设计了硬质微流控芯片的基本结构,采用激光切割方法实现了聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate,简称PMMA）材质开放边界微流道的加工,采用数控加工（computerized numerical control,简称CNC）精雕方法实现了封闭边界微流道的加工,通过光固化型（ultra violet,简称UV）胶实现了硬质微流道与基板的室温封接,利用表面改性技术与毛细作用实现了芯片的无泵进样;其次,研究了不同加工工艺、工艺参数对微流道形貌的影响;最后,依据声操控微颗粒需求,综合仿真分析、阻抗测试及多普勒激光测振,选定了声操控型微流控芯片的工作频率,实现了微纳物体运动控制。该微流控芯片具有成本低、加工效率高及易于调整微流道结构的优点,在微纳操控、微纳制造和生化检测方面拥有广阔的应用前景。     

一种PMMA-聚酯材料的微流控芯片加工工艺研究

本文论述了一种以聚酯材料为通道层、以PMMA(polymethyl methacrylate)为盖板和底板的微流控芯片的制作工艺,以30mm(直径)×2.2mm(厚)的液滴分离微流控芯片为例,详述PMMA-聚酯芯片的设计和制作流程。实验表明,采用该工艺加工微流控芯片,表面质量高,方法简单,加工效率高。     

具有三维聚焦功能的微流控芯片

为了使用微流体细胞仪对细胞精确计数,采用紫外光刻工艺制作了能够真正实现三维聚焦功能的微流体检测芯片(微流控芯片).使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行二次倒模复制其结构以缩短微流控芯片制作周期、降低制作成本,并进行了芯片的封装与测试.首先,利用沉浸式光刻技术和斜曝光工艺制作了具有三维聚焦功能的SU-8微流沟道;然后,利用PDMS对所制作的SU-8微流沟道进行一次倒模,得到其负模结构;对负模结构进行表面处理后,再进行二次倒模,得到PDMS微流沟道;最后,封装PDMS微流沟道与盖片,制得微流控芯片,并对微流控芯片的沟道聚焦效果进行了测试.实验测试发现随着鞘流与样本流流速比不同,得到样本流的聚焦宽度也不同.当鞘流与样本流流速比为20∶1时,可以得到约10.4 μm的聚焦宽度.结果表明,该芯片结构可靠,可以满足进一步的流体聚焦检测要求.采用该方法制作的微流控芯片具有生产周期短、成本低、效率高和结构可靠的特点.     

微流道精密磨削技术及自驱动检测芯片实验研究

针对病原体检测用芯片需要蠕动泵和离心机外加驱动的问题,设计微V槽流道的自驱动芯片,研究微液体流动的微流道拓扑结构及其精密磨削技术。因为激光等物理加工难以保证微拓扑结构精度,所以采用金刚石磨削技术实现石英玻璃表面的微V槽流道精密加工。基于多轴联动技术和机械物理去除原理开发了砂轮微尖端的高效精密在位修整工艺,可将磨粒精密修尖至同一角度,进行机械精密复制的塑性域微磨削。然后,实验分析微V槽流道的尖角、表面粗糙度、梯度等对微液体流速的影响。最后,制造出病原体检测的微流控芯片。研究结果显示,更大梯度、更小尖角和更小粗糙度以及尖角端分布的纳米流道可以大幅提高微液体流速。而且,微流道的V槽尖端半径为15μm,表面粗糙度为30 nm,可诱导微液体运动。在此基础上,研发的自驱动微流控芯片不需离心机就能够检测出布鲁氏菌的病原体核酸,检测灵敏度可以小于100 ag/μL。     

模塑技术在微流控芯片加工中的应用

模塑工艺可以实现复杂的微结构和微通道的制作,具有较高的精度和重复性,因此将其应用于微流控芯片加工中。Hagen-Poiseuille定律计算矩形微通道的流体速度,同时,通过斯托克斯定律计算圆柱微通道的流体速度;然后,从温度、压力、时间和预热与冷却角度出发,展开模塑工艺与参数调控;最后,在参数结果与参数调控的基础上,给出微流控芯片模塑加工步骤。测试结果表明,实验组的流道底部宽度均在300mm以上,为4个小组中的最大宽度,说明文中研究能够实现模塑技术在微流控芯片加工中的良好应用。     

有机玻璃阵列微槽微细切削刀具设计与制造

大深宽比阵列微槽的尺寸精度、加工质量和一致性等要求高,现有的商品化微细刀具严重限制其高质量加工。针对有机玻璃大深宽比阵列微槽加工,设计、制造了微细切削刀具。采用自制刀具进行了微细刨削、车削试验,加工出表面质量好、尺寸精度高的平面阵列微槽和环形阵列微槽,验证了自制微细切削刀具的切削性能。     

辅助溶剂对PMMA微流控芯片模内键合的影响

为了提高聚合物微流控芯片的键合效率,以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微流控芯片为对象,以微型注塑机为平台,研究了聚合物模内键合方法.利用注塑机提供的合模力作为键合力,利用模温机提供键合温度,选择异丙醇作为辅助溶剂,借助溶剂溶解特性来降低模内键合中的键合温度和压力.在30～70℃,用测量显微镜和台阶仪测试分析了不同键合温度条件下,辅助溶剂对芯片的表面形貌和微通道结构的影响;利用辅助溶剂进行模内键合实验,用电子万能实验机测试了芯片的键合强度,对模内键合工艺参数进行了优化.结果表明:异丙醇对键合质量的影响与键合温度、键合时间有关,在较高温度下会使芯片产生皲裂、微沟槽变形和堵塞;在键合温度为35℃,键合时间为5 min时,芯片的表面质量和微沟槽形貌较完整,键合强度不小于2.64 MPa.     

花键轴铲齿成形铣刀的设计

成形铣刀刃形是根据工件廓形设计的。用成形铣刀加工零件时可一次形成零件表面。成形铣刀按齿背形状可分为尖齿和铲齿两种。尖齿成形铣刀齿数多,具有合理的后角,因此切削轻快、平稳,加工表面质量好,铣刀寿命高。但尖齿成形铣刀需要专用靠模或在数控专用磨床上重磨后刀面,刃磨工艺复杂。刃形简单的成形铣刀一般作成尖齿成形铣刀,刃形复杂的铣刀都作成铲齿成形铣刀。铲齿成形铣刀的刃形和后刀面是经铲削加工而成,沿前刀面重磨后能保证铣刀轴向剖面齿形不变。因此,铲齿成形铣刀制造、刃磨均比尖齿铣刀方便。     

塑料微流控芯片热压及键合设备结构设计研究

微通道的热压成形及盖片与基片的键合是制作塑料微流控芯片的关键工艺。大连理工大学微系统研究中心开发了用于自动化制作塑料微流控芯片的设备。该设备采用封闭的立柱结构，通过力矩电机驱动的螺旋升降机提供所需的压力。对其结构设计进行研究，具体介绍该设备结构设计的特点。