（机械设计及理论专业论文）微细流路沟槽的激光铣削试验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 微流控芯片在d n a 分析、基因表达分析、疾病诊断、药物筛选和免疫学测定等许 多方面有着广阔的应震前景和匿大的市场需求。采用模塑域热压的方法，可大批量复制 微流控芯片，降低其制作成本。传统制造微细流路沟槽模具的方法，所需设备多，工序 复杂，制作阅襄长、成本高，限制了微流控芯片的推广应用。为了突现批量制作徽流控 芯片的低成本化和柔性化，需要研究新的微细流路沟槽的加工成形方法。 将激光铣削技术引入到微细流路沟槽的成形加工领域，给批量化制造微流控芯片带 来新的解决方法。激光铣削作为种非接触成形加工方法，避开切削力的俸用，避免了 刀具磨损，是高效的柔性成形方法。本文研究模具钢h p m 7 5 微细流路沟槽的激光铣削 成形，解决了熔属排除的驱动力闻题，提出利于摊属的工艺措旋和扫摇路径，对于键进 激光铣削的实际应用有重要意义。本文所作工作和取得成果如下： ( 1 _ ) 根据激光铣削材料的熔化、汽化模型，建立脉冲激光铣熟排属的力学模型；丽 时导出激光铣削去除材料阂值公式和光斑重叠率与激光扫描速度的换算公式。建立激光 加工区状态调整系统，为激光铣避试验做好参数和装置上的准备。 ( 2 ) 选用预硬高硬度镜面塑胶模具钢h p m 7 5 为试验材料，得到脉宽l m s 的y a g 激光对h p m 7 5 的熔化功率密度阈值约为o 5 6 6 x 1 0 9 w m e ，分析光斑重叠率和铣削凹槽 边界的直线性和翟槽表面粗糙度的关系，试验确定最佳光斑重叠率为0 。8 。 ( 3 ) 在辅助同轴吹气环境进行铣削试验研究，得到影响铣削凹槽宽度的主要因素是 激光缝量参数，包括激光输出功率、离焦量；面影响凹槽深度和表面质量的主要因素是 扫描方向、辅助气体压力和辅助气体种类：光斑重叠率是影响凹槽边界直线性的关键因 素。采用自制状态调整装置进行真空环境下激光铣削试验，研究了激光输出功率、离焦 量、扫描方向对铣旁凹槽的宽度和镜削质量的影响规律。得到对铣削凹槽的宽度和铣削 质量影响的主次关系是离焦量 激光输出功率 扫描方向。 ( 结合徽流控芯片震模其的具体尺寸要求，对铣剖工艺路径进行了规划。采焉扫 描方向和排属方向近似同向的搦描路径进行辅助同轴吹气铣削加工。具体参数为输出功 率1 w ，脉宽i m s ，离焦量0 。5 m m ，重叠率0 8 ，扫描速度8 0 m m m i n ，辅助气体压力0 。5 m p a ， 最终制出满足凹槽宽度、深度要求且一致性好的微细流路沟槽。 本文的研究为微细流路沟槽的铣削加工提供了理论与试验的依据，解决了微流控芯 片的批量制造难题，对激光铣削技术的实际应用开辟了道路。 关键词：激光镌削；徼细流路沟槽；寮 属模垄；状态谖整 微细流路沟槽的激光铣削试验研究 e x p e r i m e n t a ls t u d yo f l a s e rm i l l i n go fm i c r o f l u i d i cg r o o v e s a b s t r a c t m i c r o - f l u i d i cc h i ph a v eb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t sa n dh u g em a r k e td e m a n di nt h e d n a a n a l y s i s ，g e n ee x p r e s s i o na n a l y s i s ，d i s e a s ed i a g n o s i s ，d r u gs c r e e n i n g ，d e t e r m i n a t i o no f i m m u n o l o g ya n dm a n yo t h e ra s p e c t s m i c r o f l u i d i cc h i pc a nb em a s sp r o d u c e db yu s i n g i n j e c t i o nm o l d i n ga n dh o tp r e s s i n gm e t h o d ，w h i c hc a nd e c r e a s ei t sp r o d u c tc o s t b u t m a n u f a c t u r eo fc o m p l e xs t r u c t u r eo fm i c r o - f l u i d i cg r o o v e sl i m i t sa p p l i c a t i o no fm i c r o - - f l u i d i c c h i p t h e r ei sl o to fd i s a d v a n t a g e ss u c ha sc o m p l e xp r o c e s s e s ，l o n gp r o d u c t i o np e r i o d ，a ss o o ni nt h et r a d i t i o n a lm i c r o f l u i d i cg r o o v e sm a n u f a c t u r i n gm e t h o d i no r d e rt ol e tb a t c h m a n u f a c t u r i n go fm i c r o f l u i d i cc h i pt ob em o r ec h e a pa n df l e x i b l e ，w en e e dt of i n da nn e w p r o c e s s i n gm e t h o d l a s e rm i l l i n gt e c h n o l o g yw i l lb ei n t r o d u c e di n t ot h ep r o c e s so fm o l df o r m i n gf i e l d ，w h i c h b r o u g h ta b o u tt h en e ws o l u t i o nt ot h eb a t c hm a n u f a c t u r i n gp r o b l e m so fm i c r o - f l u i d i cc h i p l a s e rm i l l i n ga san o n c o n t a c tf o r m i n gp r o c e s s ，n oc u t t i n gf o r c e ，n ot o o lw e a r ，i sa ne f f i c i e n t a n df l e x i b l ef o r m i n gm e t h o d t h i sp a p e rf o c u s e do ne x p e r i m e n t a ls t u d yo fl a s e rm i l l i n go n p r e h a r dm i r r o rp l a s t i cm o l ds t e e lh p m 7 5a n ds o l v e dd r i v i n g f o r c ep r o b l e mo fm e l t c h i p - r e m o v a l ，w h i c hi ss i g n i f i c a n tf o rp r o m o t i n ga p p l i c a t i o no fl a s e rm i l l i n gt e c h n o l o g y t h e f o l l o w i n gc o n t e n t sh a v eb e e nd o n ei nt h i st h e s i s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt o t h em a t e r i a ls u r f a c em e l t i n g ，g a s i f i c a t i o nm o d e lo fl a s e rm i l l i n g ， c h i p - r e m o v a lm o d e li nt h ep r o c e s so fl a s e rm i l l i n gi se s t a b l i s h e d ap r o p e rh e a tc o n d u c t i o n e q u a t i o ni ss e l e c t e dt oc a l c u l a t et h ep o w e rd e n s i t yt h r e s h o l do fl a s e rm i l l i n g m e a n w h i l e ，t h e c o n v e r s i o nf o r m u l ab e t w e e no v e r l a pc o e f f i c i e n ta n dl a s e rs c a n n i n gs p e e di sd e r i v e d l a s e r p r o c e s s i n ga r e as t a t u sa d j u s t m e n ts y s t e mi se s t a b l i s h e d t h i sp a r to fw o r ks u p p l i e df o u n d a t i o n f o rc h o o s i n gp r o p e rm i l l i n gp a r a m e t e r sa n dp r e p a r i n gd e v i c e s ( 2 ) t h ep r e - h a r dm i r r o rp l a s t i cm o l ds t e e lh p m 7 5 i sc h o s e na se x p e r i m e n t a lm a t e r i a l a n dt h em e l tp o w e rd e n s i t yt h r e s h o l do fl a s e rm i l l i n gm o u l ds t e e lh p m 7 5i sc a l c u l a t e d o 5 6 6 xl0 9 w m 2 a n a l y s i st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e no v e r l a pc o e f f i c i e n ta n dt h eb o r d e ra n d s u r f a c eq u a l i t yo fm i l l i n gg r o o v e s b yo v e r l a pc o e f f i c i e n tc h o i c et e s t s ，o p t i m u mo v e r l a p c o e f f i c i e n ti sd e t e r m i n e d w h e nt h eo v e r l a pc o e f f i c i e n ti s0 8 ，i tw i l lg a i nc o n t i n u u m b o u n d a r ya n db e t t e rs u r f a c eq u a l i t yo fm i l l i n gg r o o v e ( 3 ) i nt h ec o a x i a la s s i s t e db l o w i n ge n v i r o n m e n tl a s e rm i l l i n ge x p e r i m e n t ss t u d yt h e l a wo fd if f e r e n tl a s e rp a r a m e t e r s ( i n c l u d i n gl a s e ro u t p u tp o w e r ，d e f o c u sd i s t a n c e ，a u x i l i a r y 大连理工大学硕士学位论文 g a sp r e s s u r e ，g a st y p ea n ds c a n n i n gd i r e c t i o n ) ，g r o o v ew i d t h ，d e p t ha n ds u r f a c er o u g h n e s s f o rt h ew i d t ho fg r o o v e s ，t h em a i ne f f e c tf a c t o r sa r et h el a s e re n e r g yp a r a m e t e r s ，i n c l u d i n g l a s e ro u t p u tp o w e r ，d e f o c u sd i s t a n c e ，b u tf o rt h ed e p t ha n ds u r f a c eq u a l i t yo ft h eg r o o v e ，t h e m a i ne f f e c tf a c t o r sa r ea u x i l i a r yg a sp r e s s u r e ，g a st y p ea n ds c a n n i n gd i r e c t i o n o v e r l a p c o e f f i c i e n ti st h ek e yf a c t o ri n f l u e n c i n gt h eb o r d e ro fg r o o v e l a s e rm i l l i n gv a c u u m e n v i r o n m e n t a le x p e r i m e n t sm a i n l ys t u d i e dt h el a wo fw i d t ha n dm i l l i n gt o p o g r a p h yo fg r o o v e i n f l u e n c e dw i t hl a s e ro u t p u tp o w e r ，d e f o c u s ，s c a n n i n gd i r e c t i o n f r o mt h ee x p e r i m e n t s ，w e c a nc o n c l u d et h ed e f o c u sd i s t a n c ep l a ym o r ei m p o r t a n tr o l et h a nt h el a s e ro u t p u tp o w e ra n d s c a n n i n gd i r e c t i o ni nc h a n g i n gt h ew i d t ha n dm i l l i n ge f f e c to fg r o o v e ( 4 ) c o m b i n e d 、i ms p e c i f i cs i z eo fm i c r o f l u i d i cc h i pd i e ，t h em i l l i n gp r o c e s sh a sb e e n a n a l y z e d u s i n gt h eo p t i m i z e ds c a n n i n gp a t hw h i c hs c a n n i n gd i r e c t i o na n dc h i p r e m o v a l d i r e c t i o nk e e pw i t ht h ea p p r o x i m a t ed i r e c t i o n , t h ec o a x i a la i r - a s s i s t e dm i l l i n ge x p e r i m e n t s h a v eb e e nd o n e s p e c i f i cp a r a m e t e r sa r et h el a s e ro u t p u tp o w e ro f1w ，p u l s e - w i d t hlm s ， d e f o e u sd i s t a n c eo fo 5 m m ，o v e r l a pt o e 伍c i e n to f0 8 ，t h es c a n n i n gs p e e d8 0 r a m r a i n , a u x i l i a r yg a sp r e s s u r eo 5 m p a m i l l i n gr e s u l t sm e e tt h er e q u i r e dg r o o v ew i d t h , d e p t ha n d s u r f a c er o u g h n e s sv a l u e ，w h i c hk e e pw e l lc o n s i s t e n t t h ew o r k s u p p l i e se x p e r i m e n t a l a n dt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rl a s e r m i l l i n g m i c r o f l u i d i cg r o o v e s ，w h i c hs o l v e sb a t c hm a n u f a c t u r i n gp r o b l e mo fm i c r o - f l u i d i cc h i p t h e s t u d ya l s op r e s e n t saw a y f o rl a s e rm i l l i n ga p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：l a s e rm i l l i n g ；m i c r o - f l u i d i cg r o o v e s ；c h i p - r e m o v a lm o d e l ；s t a t u sa d j u s t m e n t i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：缎盗选越摧登透逸墟捌壅趣 作者签名： 盥亚雌日期：盈年业月篮日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：徽盗幽蒯辔透匠幽蒸捌 作者签名： 搦巫畦 日期： 冱窒年j 兰碉二日 导师签名：皂焉橹 日期：醚年剖j 鱼日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 随着科学技术的不断发展，人类需求的不断提高，微型化、自动化、快速化与便携 化成为了新一代分析测试技术总的发展方向。1 9 9 0 年，瑞士学者m a n z 等人首次提出了 微型全分析系统( m i n i a t u r i z e dt o t a la n a l y s i ss y s t e m ，此气s ) 的概念【l 】，后又被称为芯片 实验室阻a b o n a - c h i p ) ，接着以微流控分析芯片为核心的研究工作蓬勃发展起来。 微流控分析芯片是一种采用微细加工技术，在数平方厘米大小的基片上，制作出微 通道网络结构，并集成其他功能单元，以实现集样品制备、进样、反应、分离、检测于 一体的快速、高效、低耗的微分析系统。微流控分析芯片系统是继微阵列生物芯片之后 微全分析系统新的发展前沿。微流控芯片在d n a 分析、基因表达分析、疾病诊断、药 物筛选和免疫学测定等许多方面有着广阔的应用前景和十分巨大的市场需求 2 2 】。 传统的化学检测实验室，需要有较大的空间、多种的仪器以及专业的操作人员，在 应用范围上具有很大的局限性1 4 ，而微流控分析芯片的使用不需要专业的知识与复杂的 操作，可大大促进分析测试技术的普及，进而实现实验室的“个人化、“家用化”。 微流控分析芯片目前主要存在的局限性或发展和推广应用的主要障碍表现为微流 控分析芯片的制作成本过高。采用模塑或热压的方法，芯片可大批量复制，简便易行且 不需要昂贵的设备，是一种可以大幅度降低制作成本，稳定芯片质量，并使芯片具有较 好的一致性的方法【5 ，6 】。模具复制技术最早采用湿法刻蚀制造的硅阳模作为模具，但是硅 模具较脆，模压过程中容易损坏，使用寿命较短。而金属模具强度高、韧性好，使用寿 命长，因此金属材料成为了模具的首选。模具上的微细流路沟槽网络结构的直线度和表 面质量等评价指标成为决定微流控分析芯片质量的关键因素。因此高质量的微细流路沟 槽的制造成为微流控分析芯片推广应用和实现产业化所亟待解决的重要问题。 激光铣削加工作为一种先进加工方法，它是利用连续的或脉冲的高能聚焦激光束直 接作用在材料表面，使作用区域的材料瞬间直接汽化、或者熔化同时利用辅助装置去除、 或者剥离开基体，完成三维形状的加工方法。通过控制脉宽、输出功率、离焦量等激光 参数，辅以精密数控机床，可以完成复杂图形的高精度加工。 1 1 课题背景 随着微型化的发展，许多实验设备都可以变为便携式可掌上操作的仪器，已经有不 少的研究人员试图将整个生化检测分析过程缩微到芯片上，形成所谓的“芯片实验室 。 “芯片实验室”是通过微细加工工艺制作的微滤器、微泵、微阀门和微电极等以实现对 生物样品从制备、生化反应到检测和分析的全过程，从而极大地缩短了检测和分析的时 微细流路沟槽的激光铣削试验研究 间，节省了试验材料。仪器的微型化所带来的优点是显著的：降低了制造成本，易于运 输和搬运，节省了人力、空间、资源、试剂等的消耗，使得整个实验操作简单、高效。 极少的试剂和能量消耗，以及便携式的芯片使得试验能够和p c 一样在办公桌、膝上就 可以时时处处进行验证，非常方便。微流控分析芯片技术通过与分析化学、微机电加工、 计算机、电子学、材料科学及生物学、医学的交叉实现蛋白质分析系统从进样、试样预 处理、生物反应到结果检测的一体化、自动化、集成化与便携化。分析装置的集成化、 自动化及微型化已经成为物质分析或检测领域的研究热剧7 】。 微流控分析芯片概念的提出和研制，距今不过十余年，但微型化所表现出的应用前 景引起了人们极大的兴趣。微全分析系统的概念是1 9 9 0 年首次由瑞士c i b a o g e i g y 公司 的m a n z 与w i d m e r 提出【l 】，当时主要强调了分析系统的“微”与“全”及微管道网络 的m e m s 加工方法，而并未明确其外型特征。次年m a n z 等即在平板微芯片上实现了毛 细管电泳与流动注射分析，从而把微系统的主要构型定位为一般厚度不超过5 m m ，面 积为数平方厘米至十几平方厘米的平板芯片【8 】。1 9 9 5 年美国加州大学b e r k e l e y 分校的 m a t h i e s 等人在微流控芯片上实现了高速d n a 测序，微流控芯片的商业开发价值开始显 现，而此时微阵列型的生物芯片已进人实质性的商品开发阶段。1 9 9 6 年m a t h i e s 等又将 基因分析中有重要意义的聚合酶链反应( p c r ) 扩增与毛细管电泳集成在一起，展示了微 全分析系统在试样处理方面的潜力，次年他们又实现了微流控芯片上的多通道毛细管电 泳d n a 测序，从而为微流控芯片在基因分析中的实际应用提供了重要基础 9 1 。与此同 时，有关企业中的微流控芯片研究开发工作也在加紧进行，1 9 9 8 年之后专利之战日益激 烈，一些微流控芯片开发企业纷纷与世界著名分析仪器生产厂家( 其中包括惠普、p e 、 岛津、日立等) 合作，利用各自的优势技术平台抢先推出首台微流控分析仪器。1 9 9 9 年 9 月惠普与c a l i p e r 联合研制的首台微流控芯片商品化仪器开始在欧美市场销售，至2 0 0 0 年8 月已可提供用于核酸及蛋白质分析的5 - 6 种芯片。其他几家厂商也于2 0 0 0 年开始 将其产品推向市场。我国在微流控分析方面较国外晚4 - - 5 年，浙江大学微分析系统研 究所【l o l 、清华大学精密仪器与机械学系和化学系、东北大学理学院分析科学研究中心【1 1 】、 中科院微电子所、大连理工大学微系统研究中心等高校研究机构相继开展了微流控芯片 的研究【1 2 , 1 3 1 ，能够制作石英、玻璃、p d m s ( 聚二甲基硅烷) 1 1 4 1 、p m m a ( 聚甲基丙烯酸甲 脂) 基材的微流控芯片，并对制作工艺及检测技术进行了比较深入的研究，在多个相关 学科领域有一定的积累与研究优势。 微流控分析芯片最初只是作为纳米技术革命的一个补充，在经历了大肆宣传及冷落 后的不同时期后，最终实现了商业化生产。微流控分析芯片目前正在进入一个开展更深 大连理工大学硕士学位论文 入的基础研究、扩大应用领域以及产业化的转折时期。随着材料科学。微纳米加工技术 和微电子学所取得的突破性进展，微流控芯片也得到了迅速的发展，但还是远不及“摩 尔定律 所预测的半导体发展速度。阻碍微流控技术发展的瓶颈仍然包括限制其发展的 制造加工的问题。在传统加工条件下，微流控芯片制作的成本还难以满足有关成果推广 应用的要求。玻璃制作的微流控芯片，其制作工艺涉及光刻、刻蚀、键合等多项技术， 制作成本高，不易实现批量化，一块供研究用的标准玻璃芯片价值1 0 0 - 2 0 0 美元，一块 供分析1 2 个试样的一次性专用芯片售价1 0 美元。塑料价格便宜，用其制作微流控芯片 便于进行批量化生产，但在国内，大多采用手工制作芯片，其制作成本虽然比玻璃芯片 低，但仍然很高，同时芯片的制作质量不稳定，一致性较差，难以满足实用化和推广应 用的要求。 近年来，随着微加工技术的进步和生化分析等领域的发展，微流控芯片的研究得到 了广泛重视。常见的生物芯片采用硅、玻璃、石英、陶瓷作为微流控芯片的基体材料， 与这些材料相比，应用上热塑性聚合物材料与生物体兼容性更好，并目种类很多，可以 选择具有不同物理化学性质的材料制作芯片，满足不同的生化检测和分离的要求。同时 在工艺上具有制作精度高、复制效果好、加工成型方便、价格低廉、容易实现产品的批 量复制，可通过注塑、热模压等塑铸技术进行大批量制作等优点因而成为研究的热点【l 6 1 。 设计 产品 模具制作技术 刻蚀技术 l i g a 机械微加工 电火花加工 激光加工 一后燃术 l封装 复制技术 注塑成型 热压成型 图1 1 聚合物基微细加工流程图 f i g 1 1 f l o wc h a r to fp o l y m e rb a s em i c r om a c h i n i n g 目前，对于聚合物微流控芯片的制作技术，主要分为直接成型技术和复制技术。直 接成型技术，如等离子刻蚀法【1 7 , 1 8 1 和直接光刻法【1 9 】，只适用于单件产品的快速成型制作， 微细流路沟槽的激光铣削试验研究 制作成本难以降低，不能满足微流控分析芯片产业化，实用化推广应用的要求。复制技 术则为低成本、高产率的批量制作微流控芯片考虑，因此受到广泛的关注和研究。复制 技术主要包括热模压成型技术、注射成型技术和浇铸成型技术，但其前提是需要得到用 于复制聚合物产品的模具，然后通过模具复制成千上万的聚合物产品。现行的典型聚合 物基微细加工流程可用图1 1 表示。激光铣削加工采用数控技术或计算机控制，更改图 案内容非常容易，具有加工效率高、柔性化、工序简单，非接触加工、加工尺寸一致性 好等特点，为缩短产品升级换代周期及柔性生产提供有力工具。本文研究的主要内容是 通过激光铣削成形加工的方法制造微流控分析芯片用凹模，研究工作对进一步完善激光 铣削理论，促进激光铣削方法在实际生产实践中的应用有主要意义。 1 2 微细流路沟槽的传统加工方法 现行常用的制作聚合物微流控芯片模具的加工方法主要有硅刻蚀技术包括湿法和 干法硅刻蚀、l i g a 技术制作金属模具、机械微加工技术、电火花加工( e d m ) 等【2 0 】。下 面介绍一些目前已用于高聚物微流控芯片制作的模具加工技术。 ( 1 ) 硅刻蚀加工 单晶硅以其成熟的微加工技术、较高的硬度和导热性，已被广泛应用于高聚物微流 控芯片的阳模制作。硅的加工技术可分为湿法刻蚀和干法刻蚀。在刻蚀前，硅片都要经 过标准的光刻技术，将所需的通道图形通过曝光、显影转移到硅片或牺牲层上( 通常为 s i 0 2 或氮化硅) 。然后通过湿法刻蚀或干法刻蚀的方法硅片加工成具有一定深度的立体 结构，即硅阳模。硅模具加工主要采用湿法刻蚀，湿法刻蚀不能得到高深宽比的通道， 也不能精确地控制通道的形状和深度，难以降低弯道效应，制作周期较长，而且硅模具 较脆，在模压中很容易破裂，使用寿命短。 ( 2 ) l i g a 工艺制备制作金属模 2 1 , 2 2 j l i g a 技术是德文l i t h o g r a p h i eg a l v a n f o r m u n ga n da b f o r m u g 的简称，它主要利用x 射线深度曝光、微电铸、微塑铸等技术进行微机械加工。l i g a 技术可以制造得到侧壁 垂直、深宽比大的图形，且金属模具强度高，韧性好，使用寿命长。缺点是该工艺所需 的工艺设备比较昂贵，加工周期长，成本高，并且光刻胶与衬底的结合力差，在电铸的 过程中容易脱落，而且在电铸后脱模时，光刻胶难以去除彻底，容易对模具表面造成损 伤。 ( 3 ) 精密机械微；5 n - f t 2 3 】 大连理工大学硕士学位论文 随着传统加工技术的微型化，现代的微加工技术如锯、切割、磨、漩制等己能加工 出精度在几十微米尺度微结构。这些技术在计算机数码控制下，可以将设计好的通道图 形转移到模具基片上，并且可以加工出不同深度的图形，制成模具用于复制塑料品。然 而，这种方法对材料有一定的选择性，同时材料加工的精度比较有限，微结构的尺寸受 刀具的尺寸限制，且加工表面粗糙、深宽比小。 ( 4 ) 微电火花力i i t 2 4 在微电火花加工过程中，其加工单位( 即每次放电的蚀除量) 只取决于单个放电脉冲 的能量，因此随着现代电力电子技术的发展，加工单位日趋变小，电火花加工的加工精 度与表面质量得到了极大的提高。目前应用电火花加工技术已可稳定地得到尺寸精度高 于0 1 u m ，表面粗糙度r a o 0 1 “m 的加工表面。微电火花加工己成为模具精微加工的有 效手段之一。但由于微细电极的加工制作问题，加工成本很高，加工过程中电极磨损严 重，加工精度一致性较差。 此外，还可采用d e m 技术和化学腐蚀法制作金属阳模【2 5 , 2 6 1 。d e m 技术是在硅微加 工技术和l i g a 技术基础上发展起来的，不能避免制作工序复杂，所需设备多的缺陷； 虽然化学腐蚀金属法制作阳模具有简便、费用低等优点，但化学腐蚀得到的微结构表面 粗糙，深宽比小，很难能满足大多数微流控分析芯片的要求。 1 3微细流路沟槽的激光加工方法 激光加工作为一种先进加工方法，它是利用连续的或脉冲的高能聚焦激光束直接作 用于被加工的物体上，使物体局部瞬间熔化以至汽化，或者利用热应力使材料内产生内 裂纹并使裂纹沿着一定的方向扩展，剥离开基体，从而达到加工物体的目的。因此，激 光加工与传统的加工方法相比，它是一种无接触、热影响小、清洁的加工方法。它加工 的工具是用激光束，无“工具磨损 ；激光加工时能量注入速度高，工件热变形小，对 材料的热影响区小；可通过透明介质对密闭容器内的工件加工；加工速度快，无噪音， 无污染；激光束易于导向、聚焦、多方向变换。由于数控技术与激光加工设备的紧密结 合，因此激光加工容易实现数字化控制。4 0 多年来，激光加工技术发展较快，已广泛应 用于各个行业，如利用激光技术来进行焊接、切割、表面处理、打孔、开槽及雕刻等【2 7 2 8 1 。 激光铣肖l j ( l a s e rm i l l i n g ) 的加工原理是【2 9 】：利用激光束按规定的图案，一层一层扫描 剥离( 或称烧蚀) 材料，可以像机械铣削一样进行成型加工，故称之为激光铣削。实际上 激光束的热作用使被辐照区域的固体物质在短时间内熔融，并部分汽化，在辅助气体和 膨胀汽化物质所产生的反冲压力作用下，以液体方式从固体表面喷射出来，完成物质转 移的过程，从而达到成形目的。利用y a g 脉冲激光来进行激光铣削，其实质是利用激 微细流路沟槽的激光铣削试验研究 光光斑部分重叠的单脉冲形成的密集孔群，来一层一层剥离材料而达到成形的目的。利 用激光铣削，理论上可以铣削任何材料至所要求的尺寸。激光铣削可以通过调节激光输 出能量、激光脉宽、激光脉冲频率、激光束扫描速度来实现不同的加工工艺。 激光铣削技术的主要特点有： ( 1 ) 这种光热加工能够容易和c n c 机床结合在一起。激光加工是一种柔性制造， 当它与一些特定的机床结合在一起的时候，能够支持广泛的应用并能够达到高的精度。 激光加工不要求复杂的工作台运动，因此封闭的控制系统能够很容易与激光加工机床结 合在一起【3 0 1 。 ( 2 ) 非接触式加工。工件与激光束没有接触式机械作用，因此在加工过程中，没有 工具的磨损。这种加工将保持高的尺寸精度和可重复性，不需要更换工具，在数控系统 的控制下可以完成各种形状、尺寸的精密加工，尤其可以进行三维铣削，与激光寿命有 关的工具损耗很低。 ( 3 ) 是一种直接的3 n - r 方式。激光加工成形方法是一种通过直接从毛胚工件上去除 材料而形成零件形状的加工方式。因此中间阶段以及其辅助措施的错误将因此而被消 除，有关操作人员的影响因素也被排除，这样确保了加工效果的一致性。而且n c 程序 直接由三维c a d 模型直接导入，这是保持高精度和整个加工过程自动化的先决条件。 ( 4 ) 可以对很大范围的材料进行加工。作为一种光热加工方式，加工过程中并不存 在任何机械外力的影响。激光加工成形适合能够吸收激光光源的激光波长的光的任何材 料。像陶瓷，硬质合金，钛合金和镍合金，这些材料对于可见光与红外光都是不透明的， 它们都能够用激光光源的激光机来加工，如c 0 2 激光机，n d ：y a g 激光机【3 1 3 2 1 。对于一 些光学材料，它们在可见光谱和红外线区内是透明的，紫外线准分子激光可以被使用 p 3 3 4 1 。对于那些对激光有低吸收率的加工材料，主要采用降低激光束的波长到飞秒范围， 来影响激光诱导材料破坏的机理【3 5 1 。 ( 5 ) 微机械加工的能力。由于微结构制造与其整个系统的需要，这就展开了一个激 光加工应用的新领域。从微米到纳米尺寸的加工特征都可以通过激光去除来加工。这种 加工方法能被使用在那些不能用平版印刷技术来加工的材料。典型的例子是微电子方面 的微钻孔，光学显微镜头的加工，高精度传感器与微执行器的制造，微医疗装置的生产 加工【3 6 3 7 1 。 因此研究激光对金属材料的铣削加工成形，将会为微流控芯片模具的微细流路沟槽 的无损伤高精度成形开辟一个良好的途径，有利于实现批量制造微流控芯片的低成本和 柔性化，扩大激光加工在实际工业生产中的应用范围。 大连理工大学硕士学位论文 1 4 微细流路沟槽的材料选择 微细流路沟槽材料的选择，跟微加工技术息息相关，最早用于制作微细流路沟槽的 方法是硅刻蚀加工技术，对应的模具材料是单晶硅，这就限制了其他具有优良性质的材 料如金属、陶瓷等材料在微机械加工领域的应用。l i g a 技术拓宽了硅工艺的材料范围， 可用的材料主要有金属、塑料、高分子材料、玻璃、陶瓷，还可以将他们组合使用。对 于精密微加工技术和电火花加工技术制作模具，选用的材料大多是金属材料。硅材料较 脆，在模压过程中很容易破裂，实用寿命短，金属材料加工出的模具强度高，韧性好， 使用寿命长，因此金属材料成为制造微细流路沟槽模具的首选材料。理想的金属模具材 料应具有优良的加工性能，且具有较好表面抛光和镜面加工性能，与塑料微流控芯片相 互间的粘附力小，易于脱模。 近年来，塑料制品不仅在日用品、农用品、建材方面都发展很快，而且在仪器、仪 表、家电、汽车、航空等方面也发展很快，具有广大的市场。由于塑料制品在向大型化、 精密化方向发展，对塑料模具钢的内在质量与截面都提出了更高的要求。为了满足各种 制品的模具制造材料的越来越高的要求，国内外不断发展新型的模具材料【3 8 书】。为了应 用与选择的方便，对模具材料进行分类而大体分成：冷作模具材料、热作模具材料、塑 料模具材料、其他模具材料。各大类都有上十个甚至几十个钢种和合金。由于塑料模具 的型腔复杂，尺寸精度和表面粗糙度等要求严格，所以塑料模具钢应具备的基本性能主 要有( 1 ) 良好的切削加工性，镜面抛磨性，花纹蚀刻性。( 2 ) 大截面模块硬度沿截面分布 均匀，并具有良好的耐磨性。( 3 ) 良好的耐塑料制品腐蚀性【3 9 1 。随着塑料工业正在向大 型化、精密化方向迅速发展，对塑料模具用钢的质量要求越来越高，要求所使用的塑料 模具钢具有更好的切削、抛光的加工性能及尺寸稳定性能等。 合理选择模具材料是保证模具使用性能、加工工艺性能和寿命的基础。模具材料的 选择要针对具体制品的模具制造材料在相应的模具材料大类中选择。其选用原则主要有 以下几点 4 4 1 ：( 1 ) 根据塑料制品的种类和质量要求选用。若制造透明塑料制品的模具， 要求模具钢材有良好的镜面抛光性能和高耐磨性。( 2 ) 根据塑料件的生产批量选用。在 其它影响因素确定时，生产批量越小，对模具的耐磨性和使用寿命要求越低，因此可选 用性能指标低的材料。( 3 ) 根据塑料件的尺寸大小及精度要求选用。对大型高精度的注 射模，当塑料件生产批量大时，采用预硬化钢，以防止热处理变形。( 4 ) 根据塑料件的 复杂程度选用。应充分考虑模具的加工工艺性，尽量选用易切削、热处理变形小，耐磨 性好的材料。 预硬型塑料模具钢是由冶金厂在供货时就达到用户所要求的硬度和使用性能，用户 得到材料后，直接加工成模具，不再进行淬火、回火处理就可以直接使用，这类钢可以避 微细流路沟槽的激光铣削试验研究 免在模具：b n - v 以后再进行淬火、回火热处理操作所造成的氧化、变形、开裂、脱碳等缺 陷，同时具有良好的强韧性，切削性能和抛光性能、尺寸精度以及性能价格比，适宜制 造形状复杂、精密的塑料模具等优点，在塑料模具钢市场中占有较大份额。 目前，许多发达国家塑料模具产值已居模具产值的第一位，而塑料模具钢也迅速发 展并成为一个专用钢种系列【4 5 舯】。用作预硬型塑料模具钢的p 2 0 钢最初由美国提出，国 际标准化组织0 s o4 9 5 7 1 9 9 7 ) 和欧洲标准f e n i s o4 9 5 7 - - 1 9 9 9 ) 的钢号均为3 5 c r m 0 7 ， 德国标准( d i n1 7 3 5 0 ) 和法国标准( n f a 3 5 5 9 0 ) 的钢号分别为4 0 c r m n m 0 7 和3 5 c r m 0 8 ， 属于中碳c r m n - m o 系低合金钢，其碳含量在o 3 0 4 5 之间，加入c r 、m n 、m o 等 合金元素可提高淬透性。一般经过8 5 0 8 8 0 奥氏体化后油淬，按照用户的使用要求高 温回火至2 8 3 5 h r c ，得到回火索氏体组织h 7 1 。现在广泛采用的预硬型塑料模具钢其成 分一般是在美国p 2 0 钢基础上发展，各国模具钢生产厂家基于本国的标准不断改进，形 成企业自己的牌号。为了改善这类钢的淬透性，适应大截面模具热处理的要求，在p 2 0 钢的基础上添加n i 或提高m n 、m o 的含量，如瑞典u d d e h o l m 公司的7 1 8 、德国 s a a r s t a h i 公司的2 3 1 1 和2 7 3 8 、德胜集团的t h y r o p l a s t 2 3 1 1 、2 7 1 1 和2 7 3 8 、大 同特殊钢公司的p d s 3 、日立金属公司的h p m 7 等。为了改善钢的切削加工性能，在这 类钢中添加一些易切削元素发展成易切削预硬型塑料模具钢，如瑞典u d d e h o l m 公司 的r a m a x2 、德国s a a r s t a h i 公司的2 3 1 2 、德胜集团的t h y r o p l a s t 2 3 1 2 、日立 金属公司的h p m 2 、大同特殊钢公司的p d s 5 等【4 8 1 。国外有时也常把热作模具钢某些钢 号列入到预硬型塑料模具钢中，如瑞典的u d d e h o l m 公司的o r v a r 钢、日立金属公 司的f d a c 、d h 2 f 、德胜集团的t h y r o t h e r m2 3 4 4 等。近来法国s c o r r e 等人和德 国p v e t t e r 等人通过降低含碳量，提高钼含量，分别开发出具有良好加工性能和焊接性 能的s p 2 0 0 钢和删r h a r ds u p r e m e 钢一j 。 2 0 世纪8 0 年代，我国9 0 左右的塑料模具均采用碳素结构钢制造，模具的使用寿命 短、质量差，因此压制的塑料制品质量不高。为了填补空白，我国引入了通用性好的美 国塑料模具钢p 2 0 钢，并将其正式纳入国家标准( g b l 2 9 9 - - - 1 9 8 5 ) ，钢号为3 c r 2 m o