（机械设计及理论专业论文）基于微流控芯片的微注射成型研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 常规注射成型的工艺及相关理论已经非常成熟，但微小零件及具有微结构的常规尺 寸零件的注射成型工艺与理论尚在处在发展阶段，仍然有许多问题等待研究。 本课题以微流控芯片为研究对象，设计并制造了一套微流控芯片注射成型模具。以 此为基础，对微流控芯片的注射成型进行了数值模拟，并进行了一系列实验，确定了实 验中各工艺参数的大致取值范围。为了改善工艺条件，改变了型腔厚度，结合先前的实 验，针对熔体温度和注射速度对制品质量的影响，制定了一组实验方案。对实验得到的 制品上的微流道截面进行显微拍照，观察其成型质量，并测量尺寸。 实验表明，熔体温度越高，微流道的成型质量越好，但是随着熔体温度的升高，这 种影响效果逐渐变弱；注射速度对于微流道成型质量的影响在本实验中没有明显的体 现。实验还发现，随着熔体温度的升高，制品表面会逐渐出现缩痕，即微流道的成型质 量变好的同时，制品表面质量变差。 在实验的基础上，结合m o l d f l o w 模拟对缺陷的成因进行了分析。在填充阶段，由 于制品的总体尺寸比其上的微流道的尺寸大的多，使得熔体很难流进微流道型芯的边角 处；在保压阶段，一方面微流道表面的冷凝层迅速增厚，一方面熔体内部的压力分布不 均，且随着制品的冷凝逐渐降低，使得保压的实际作用有限。以上这些因素最终导致了 微流道的成型缺陷。本文对制品表面缺陷的产生原因也做了一定的探讨。 本文工作对于开发微流控芯片的注射成型工艺，研究具有微结构的常规尺寸塑件的 注射成型影响因素，分析产品缺陷的成因及找出消除方法研究提供了可借鉴资料。 关键词：微流控芯片；注射成型；微流道成型质量 基于微流控芯片的微注射成型研究 r e s e a r c ho nm i c r o i n j e c t i o nm o u l d i n gb a s e do nm i c r o f l u i d i cc h i p a b s t r a c t n l ep r o c e s so fm i c r o i n j e c t i o nm o u l d i n gi ss t i l ld e v e l o p i n 舀w h i l ei ti sa l r e a d ym a t u r ei n t r a d i t i o n a lm o u l d i n g m a n yp r o b l e m sa r cu n s o l v e d i nt h i sr e s e 甜c ham o u l do fm i e r o f l u i d i cc h i pi sd e s i g n e da n df a b r i c a t e d t h ei n j e c t i o n m o u l d i n gf o rt h i sm i c r o f l u i d i cc h i pi ss i m u l a t e db ym o l d f l o wa n das e r i e so fe x p e r i m e n t si s c a r r i e do u tt of i n do u tt h ep r a c t i c a b l er a n g eo fe a c hp r o c e s sp a r a m e t e r a f t e ra d j u s t i n gt h e t h i c k n e s so ft h ec a v i t yt oi m p r o v et h ep r o c e s s a ne x p e r i m e n t a ls c h e m et h a tf o c u s e so nt h e e f f e c to f m e l tt e m p e r a t u r ea n d 蠲e e t i o ns p e e du p o l lp r o d u c tq u a l 匆i sm a d e n 抡r e s u l t ss h o wt h a tt h eh i 醢e rt h em e l tt e m p e r a t u r ei s t h eb e t t e rt h eq u a l i t i e so ft h e m i c r oc h a n n e l sa r e b u tt h i se f f e c tt u r n sw e a kg r a d u a l l y 舔t h et e m p e r a t u r er i s e s i ti sa l s o o b s e r v e dt h a tt h es i n km a r k si n c r e a s eg r a a u a l l yo nt h ep r o d u c ts u r f a c ea st h em e l t c m p e r a t u r c r i s e s ，n a m e l y ，t h eb e t t e rt h eq u a l i t i e so f t h em i c r oc h a n n e l sa l e ，t h ew o l s et h eq u a l i t i e so f t h e s u r f a c e sa r e t h ec a u s e so fd e f e c t sa r ea n a l y z e db ym o l d f l o w a tt h ef i l ls t a g e ，t h em e l tc a nh a r d l y f l o wi n t ot h ec o m e ro ft h em i c r o - c h a n n e l - c o r eb e c a u s et h ed i m e n s i o no ft h ep r o d u c ti sm u c h l a r g e rt h a nt h em i c r oc h a n n e lo i li t ；a tt h ep a c k i n gs t a g e ，o nt h e0 1 1 吧h a n d , t h ef r o z e nl a y e ro i l t h em i c r oc h a n n e ls u r f a c et h i c k e n sr a p i d l y ，o nt h eo t h e rh a n d , t h ep r e s si n t h em e l td i s t r i b u t e s n o n u n i f o r m l ya n df a l l s 鸽t h ep r o d u c ts o l i d i f i e s b o t hw e a k e nt h ee f f e c to fp a c k i n g n e f a c t o r sa b o v ef i n a l l yc a u s et h ed e f e c t so ft h em i c r oc h a n n e l s i nt h i sp a p e r , t h ec a t l s e so f t h e s u r f a c e d e f e c t sa r ca l s od i s c u s s e d t h i sp a p e rc a nb eu s e df o rr e f e r e n c ei nd e v e l o p i n gt h ep r o c e s so fi n j e 虻t i o nm o u l d i n gf o r m i c r o f l u i d i cc h i p ，r e s e a r c h i n go ni n f l u e n c i n gf a c t o r si nt h em i e r o i n j e c t i o nm o u l d i n ga n d a n a l y - 7 = ；- gt h ec a u s e so f p r o d u c t d c f e c t s k e yw o r d s ：m i e r o f l u i d i cc h i p ：坷e c t i o nm o u l d i n g ；q u a l i f i e so f m i c r oc h a n n e l s i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。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。 p ￥，1 g 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 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学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，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：一 至生 导师签名：立堕鱼 丝窆年l 月j 乙日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 微型机械系统以其体积小、重量轻、能耗低、效率高以及具有可在微小空间进行精 密作业而又不扰乱工作环境的特点，在航空航天、精密仪器、生物医疗、信息与环境 和军事等领域有着广阔的应用前景，因此受到世界各个国家的科学界和政府部门的高度 重视，成为二十一世纪科学研究前沿领域的热点之一。随着微纳米科学技术的蓬勃发展， 微型塑件在微驱动器、微传感器、微机器人及微型卫星等各种微型机械系统产品中的应 用越来越多，既可作为结构件在微机械系统中发挥重要功能，也可将组成微机械系统的 各种微小尺寸的元器件封装联接成一体，实现整体或部分装配功能，极大的简化微型机 械系统的结构装配，因而成为微机械系统的重要构件之一。与目前m e m s 领域采用的 硅基材料零件成型技术相比，微注射成型技术的制造成本低，生产周期短，成型工艺简 单，更适于大批量的工业生产，具有广阔的应用前景。因此，微注射成型技术的研究， 对推动微机械技术研究成果的实用化与市场化，扩展微机械科学技术的研究与应用领 域，以及提高精密微型模具的制造技术水平都具有十分重要的理论意义和实用价值。 1 1 微注射成型技术的含义 到目前为止，对微注射成型并没有一个严格的定义。现阶段有研究者提出以下辨别 条件【1 】： ( 1 ) 成型的零件的重量为毫克级； ( 2 ) 成型的零件上有微米级特征尺寸的结构； ( 3 ) 成型的零件的误差精度为微米级。 若满足这三个条件之一，即可视为微注射成型。实际上，微注射成型是一个发展着 的概念，随着技术的提高，可成型零件的尺寸也会越来越小，微注射成型所涵盖的范围 也将发生变化。 1 2 微注射成型技术的发展概况 微注射成型技术是在2 0 世纪8 0 年代首次提出。到了9 0 年代中期，由于l i g a 技 术广泛应用于微型模具的制造，微注射成型技术得到越来越多的重视。 与传统注射成型技术一样，微注射成型技术包括微注射成型机、微注射成型模具、 微注射成型材料与微注射成型工艺四个方面。因此，微注射成型技术的发展历程实际上 也就是微注射成型机、微注射成型模具、微注射成型材料与微注射成型工艺的发展历程。 基于微流控芯片的微注射成型研究 ( 1 ) 微注射成型机 微注射成型对注射成型机与传统注射成型有不同的要求，德国亚深工业大学i k v 研 究所经过多年的研究总结出微注射成型技术对微注射成型机的基本要求：( 1 ) 驱动单元： 准确性高、噪音低、无污染；( 2 ) 配料单元：要确保不吸入空气，并具有自动进料、干 燥和计量功能；( 3 ) 塑化单元：应能达到很高的温度，能使熔料均匀塑化，在此单元滞 留时间短，防止熔料在高温下分解；( 4 ) 注射单元：最小注射量应能达到l m g ，无泄漏。 微注射成型刚开始发展的时候，尚没有适合微注射成型的注射机，只能对普通商业 化的液压驱动的注射单元进行某些改进以作为替代。然而相对流道而言，微型塑件的质 量非常小，经常有超过9 0 的聚合物被浪费，这种情况对于日益注重经济效益的生产者 来说是无法接受的。而且，传统注射成型机的注塑量不够稳定，这也造成了塑件质量和 精度无法保证。此外，粗大的主流道也延长了模具的冷却时间和生产周期1 2 。因此，研 制具有稳定微小注射量的注射成型机成为发展微注射成型技术的重要环节。 b a t t e n f e l d 公司于1 9 8 5 年首次推出了用于加工小型零件的注射成型单元m i c r o m e l t ， 其注射模块驱动机构仍然采用液压方式。该注射机的设计完全针对微型模具生产的需 要，采用了直径为1 4 m m 的塑化螺杆，该注射机的理论注射量为9 2 c m 3 ，但是可以加工 的零件重量范围仍为0 5 9 4 9 。 这种状况到了2 0 世纪9 0 年代中期得到了较大的改善。国外一些从事注射成型机生 产的公司联合几个研究机构，研制了专门用于成型微小塑件的微注射单元，甚至制造出 完全新型的注射机用于微型塑件的生产。其研究目标是在保证稳定的注射成型工艺条件 下，尽量获得更小的熔体注射量。当时已经获得的最小注射量为o 0 2 5 9 。 在1 9 9 8 年的欧洲k 9 8 展览会上，b a t t e n f e l d 公司展示了其第一台用于微注射成型 的概念机m i c r o s y s t e m ，用来生产单件质量在0 1 9 以下的微型塑件。m i c r o s y s t e m 的成功 研制，攻克了多个微注射成型过程中的难题。 在2 0 0 1 年的欧洲k 0 1 展览会上，b a t t e n f e l d 推出了其最新的m i c r o s y s t e m 系列微注 射成型机m i c r o s y s t e m s 0 。m i c r o s y s t e m s 0 是专门为生产精密微型塑件设计的一种全电子 驱动的注射机，区别于以前的液压驱动方式。该注射机采用塑化、计量、注射单元分离 式设计，通过模块化的组装完成装配。塑化的熔体通过塑化螺杆压入计量单元，再由计 量单元压入注射单元。 i k v 研究所一直在从事微注射成型机方面的前沿研究，该研究所设计并制造了一种 新型的微注射成型概念机，获得了比m i c r o s y s t e m s 0 更小的注射量。该注射机属于研究 性质，并未达到商业化水平。其仍采用预塑化和注射分离式设计，只是注射推杆由 m i c r o s y s t e m s 0 的5 m m 减小到2 m m ，这样注射量可以从5 m g 3 0 0 m g 变化。这台概念 大连理工大学硕- ：- - 学位论文 机不同于其他微注射成型机的最重要部分是一个单独控温并且和机器的其它部分良好 绝缘的锥形喷嘴，它采用电加热并且可以通过注入液态c 0 2 来快速的冷却，使浇口在注 射和保压阶段完成后就能立即封闭。 ( 微注射成型模具 微注射成型模具的结构与普通注射成型模具的结构并没有本质的区别。最主要的区 别在于微注射成型模具上用来成型微型塑件的型腔十分微小或者具有十分微细的局部 结构。虽然模具其他零部件的尺寸也相应减小，但其设计与制造难度并没有多大增加。 所以微注射成型模具设计和制造难点就在于微小型腔或微细结构的加工，而模具其它结 构零件的设计和制造与普通注塑模具的流程基本一致。但微注射成型模具的设计精度和 制造精度要求更高，对于微注射成型模具的装配精度也应该进行必要的检测以达到微注 射成型的要求。 在制造技术方面，由于微注射成型模具的成型尺寸小、加工精度高，传统的模具制 造方法己不能满足其要求。为了迎接微注射成型模具制造技术的挑战，研究者们正在不 断开发新的微细加工方法。 l i g a 技术 l i g a 技术起源于德国，它是1 9 8 6 年由德国卡鲁塞尔( k a r l s m h e ) 核技术研究中心微 结构研究所的w e h r f e l d 教授及其同事为了分离铀同位素而首先开发出来的。l i g a 技 术以三个主要工艺为基础：射线蚀刻、电铸成型、注塑复制。由于l i g a 技术可加工任 意复杂的图形结构，制造出具有高深宽比的超微细元件，加工精度高，可达亚微米级， 因此它己经成为微型模具制造中的一种常用方法。 由于获得l i g a 技术所使用的x 光源的成本高昂，人们开始寻找廉价光源来替代昂 贵的x 光源，因而产生了紫外光( u v ) l i g a 、深等离子体蚀刻，激光( 1 a s e r ) l i g a 等技术， 这一系列技术被称为准l i g a 技术。准l i g a 技术不像l i g a 技术需要昂贵的设备，且 操作方便，其中以紫外光为光源的准l i g a 技术( u v - l i g a ) 最为简易可行。u v - l i g a 技 术能够满足微机械系统对加工精度及成本的要求，对于微型模具型腔的制作，当型腔侧 壁的垂直度及深宽比要求不是特别高时，它完全可以取代u g a 技术。 微铣削加工技术 为了提高其加工精度，研究者们在不断地改进传统的铣削加工技术。德国亚深的 f r a u n h o f e r 产品技术研究所( 口n 和美国f m u n h o f e r 机械制造技术改造中心设计了一种特 殊的微型铣削加工机床，该机床带有气动轴承和主轴，在切削加工中，气动轴承和主轴 传送切削刀具的运动更加稳定，每次传送切削刀具的步距在3 0 r i m 以内。 激光加工技术 基于微流控芯片的微注射成型研究 激光加工是一种既快捷又精密的微机械加工技术，它是一种脉冲工艺，在该工艺中 光波脉冲可调至1 0 n s 一1 0 0 n s 。激光加工精度可达1 岬1 ，制品尺寸可小至1 0 i m a 。激光 加工技术可加工任何金属，甚至碳钨化合物，并能获得很高的表面精度。 微细放电加工技术( e d m ) 美国的微型工业模具公司( m t d ) 是应用e d m 技术进行微型模具制造的先驱，该公 司的数控e d m 机床可以提供小至1 5 t m a 的步距进给，使用直径从o 2 5 m m 到2 5 1 m a 的 黄铜和镀锌的金属丝。m t d 曾成功地制造出一种用于生产的大小为1 。5 2 r a m o 0 3 8 r a m 、 重量只有0 1 3 m g 塑件的微型模具，该模具的浇1 3 尺寸小至0 0 5 m m ，型芯直径只有 o 1 l m m 。德国亚深的i p t 与瑞士的a g i e 合作开发了直径只有2 0 x n 的e d m 金属丝。日 本东京大学开发的微细电火花加工机床可以加工5 9 m 左右的细轴和微孔。 ( 3 1 微注射成型材料 由于微注射成型中流道及型腔尺寸非常微小，因此往往要求选择流动性好的塑料； 微型塑件在某些特殊领域的应用，又要求塑料的强度要高。然而目前微注射成型应用的 材料大部分仍为普通的工程塑料，直接应用在微观领域有诸多不足，如流动性差、强度 低等。因此需要加强适合微注射成型材料的研究。 f 4 ) 微注射成型工艺 当微注射成型机、微注射成型模具及成型材料确定后，微注射成型工艺就成为保证 微型塑件成型质量的重要因素。与传统的注射成型工艺类似，微注射成型工艺也包括注 射压力、注射速度、成型温度和时间等工艺参数，但是传统注射成型的工艺条件并不完 全适用于微注射成型，各工艺参数及其交互作用对成型的影响规律是微注射成型技术研 究中的一大热点。 1 3 微注射成型研究现状 传统的、宏观上的注射成型技术理论及工艺己经相当成熟，但微注射成型的相关研 究却仍处于起步阶段。由于微注射成型技术的研究涉及到很多相关领域，如微流变学、 微传热学、微流体力学、聚合物的微观形态学等，且各相关领域的理论与技术本身也不 够成熟，因此尚未形成能够指导微注射成型工艺制定的理论与方法。而随着微机械技术 的迅猛发展，又迫切需要微型塑件或微注射封装技术在微机械系统中发挥重要作用，因 此对于微注射成型技术的研究至关重要。 在微注射成型的理论和工艺研究多处于对特定试件或零件的成型工艺参数进行定 量分析的阶段，大多采用计算机数值模拟与试验相结合的方法。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 p i o t t e rv ，h a n c l l l a n nt ，r u p r e c h tr 等在i n j e c t i o nm o l d i n ga n dr e l a t e dt e c h n i q u e sf o f f a b r i c a t i o no f m i c r o n s ) 中指出，对于微结构的模具必须通过提高模具的温度才能 保证成型质量。对于无定型塑料( 如p m m a 、p c 、p s u ) ，模具温度要高于其玻璃态转变 温度，对于半结晶形塑科( 如p o m 、p a ) ，通常要达到其结晶温度。而且在多数情况下， 塑料熔体在注射喷嘴处的温度经常达到其最高可加工温度。同时指出，在所有微结构注 射成型工艺中，只有预先将模腔内的空气排出才能实现微结构塑件的完全充模【3 】。 k u k l ac ，l o i b lh ，d e t t e rh 等在( m i c r o - i n j e c t i o nm o u l d i n g t h ea i m so fap r o j e c t p a r m e r s h i p ) 中指出，微注射成型模具温度和传统注射成型模具温度相比必须提高，即 采用“变温工艺”来控制模具温度，在注塑前将模具进行加热，注塑完成后采用冷却技 术使模具温度迅速降低到脱模温度，以缩短加工周期。该文同时提出，模具间隙在5 9 m 量级时不需要预先排气，只有模具间隙小于此值或有盲孔等结构时才需要主动排气【1 】。 e b e r l eh 在( m i c r o - i n j e c t i o nm o u l d i n g m o u l dt e c h n o l o g y ) ) 中介绍了其合作者 z u m t o b e l 将上述变温工艺进行的改进，仅对微型模具的型腔部分实施温度控制，使加工 周期时间进一步缩短，从改进前的最短周期1 5 r a i n 降低到1 5 s 4 。 d e s p am s ，k e l l yk w ，c o l l i e rjr 在i n j e c t i o nm o l d i n go f p o l y m e r i cl i g ah a r m s ) 中对注塑生产过程中具有高深宽比的表面微结构的工艺参数进行了试验，试验参数包括： 注射速度、模具温度和型腔气体压力。试验结果表明，模具温度对完全充模有较大作用。 模具温度低于一定值时，即使提高注射速度也不能保证微结构型腔的完全充满【5 1 。 l i y o n gy u ，c h e eg u a nk o h ，l j a m e sl e e 等在( e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o na n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fi n j e c t i o nm o l d i n gw i t hm i c r o f e a t u r e s ) ) 中对不同的模具镶件( c n c 加工的钢材，环氧树脂，光刻和电镀的镍模) 进行了测试。特征尺寸从5 微米变化到几 百微米，并且考虑了模具镶块的表面粗糙度和拔模斜度等问题。注塑材料选用了p m m a 和光学级质量的p c ，在不同的模具和熔体温度、注射速度、注射量和保压压力条件下 进行了试验，发现对于金属镶件，注射速度和模具温度对微结构的复制精度有极大影响 旧。 o n g n a n s h i n g ，k o h , y e o wh w e e 在( e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o ni n t om i c r oi n j e c t i o n m o l d i n go f p l a s t i cp a r t s ) 中以多种加工参数对微米级别的微型零件的注射成型进行了试 验研究。发现模具温度是影响充模的最重要因素，注射压力和注射速度则是第二位的影 响因素。随着型腔厚度的减小，注射速度的贡献并不受到影响；但是当型腔的尺寸减小 时，注射速度的影响比注射压力更为重要；注射时间在填充过程中的影响很小，可以被 忽略。因此，为了获得好的微型零件，在填充过程中需要高的模具温度、高的注射速度 和高的注射压力【，j 。 基于微流控芯片的微注射成型研究 c h e ns c ，c h a n gj a c h a n g ，y j c m u ，s w 在( m i c r oi i l j e c t i o nm o l d i n go f r n i c r o f l u i d i cp l a t f o r m ) ) 中采用类l i g a 法制作了用于d n a r n a 试验的微流板的模具，并使用 c o c 、p c 和p s 作为成型材料，制造出流道深度和宽度的空间精度分别达到约0 5 8 p r o ( 1 8 蜘和+ 1 1 6 p r o ( + 1 4 ) 的制品。而且指出在融料填充时抽真空会获得更好的微结构复 制精度；在各种注射工艺参数中，模具温度和保压时间对成型精度的影响最为显掣8 】。 s uy u - c h u a n ，s h a hj a t a n ，l i nl i w e i ：在 i m p l e m e n t a t i o na n da n a l y s i so fp o l y m e r i c m i c r o s t r u c r a r er e p l i c a t i o nb ym i c r om j e , o t i o nm o l d i n g ) ) 中以表面带有微结构的硅片作为镶 件，通过模拟和试验分析了模具型腔中聚合物熔体的流动特性。指出在众多工艺参数中， 温度是决定成型微观结构质量的关键因素，并且基于试验和模拟结果，给出了改进成型 质量的最优化参数1 9 】。 j z h a o ，1 lh m a y e s ，g ec h e r t 等在g e f f e c t so fp r o c e s sp a r a m e t e r so nt h em i c r o m o l d i n gp r o c e s s ) ) 中采用新型注射机用聚甲醛树脂成型了一系列微型齿轮，并对结果进 行了统计分析，指出计量尺寸和保压时间是影响零件质量最重要的工艺参数，并且这两 个因素的交互作用也具有显著的影响，并且给出了它们的最优搭配参数【lo 】。 l i y o n gy u ，g u o j u nx u ，l j a m e sl e e ，k u r tw k o e l l i n g 在 e x p e r i m e n t sa n ds i m u l a t i o n o f i n j e c t i o nm o l d i n gw i t hm i c r o s l m c m r e s 中采用一种混合的2 d 模拟方案对微结构注射 成型进行了模拟分析，并将其结果与试验结构进行对比，指出传热系数和注射速度对于 填充过程来说是非常重要的因素f l l 】。 z h e n g - g u a n l i r as h i c h a n gt s e n g ，j a m e sw a n g 等在as t u d yo fm i c r oi n j e c t i o n m o l d i n gf o rh i g h - a s p e c t - r a t i oo p t i c a lf i b e rf e r r u l e s ) ) 中采用微注射成型的方法制造中央 带有微小通孔( 直径1 2 5 q - l p m ，长9 m m ) 的光纤环，并指出可以通过使用较高的模具温度、 适当的保压压力、保压时间来改善位于模具两端和中心区域的制品孔径收缩不同的现象 【1 2 l 。 t s e n gs c ，c h e ay c ，l i nc h 等在as t u d yo fi n t e g r a t i o no fl i g aa n dm - e d m t e c h n o l o g y0 1 1t h em i c r oi n j e c t i o nm o l d i n go fs u p e rt h i np l a t e sw i t hm i c r ot h r o u g hh o l e s ) 中 采用微注射成型的方法制造带有6 0 个微小通孔的喷嘴盘，并根据试验和模拟结果指出 初始的模具温度是成型改零件的最重要因素；对于p p ，成型此种带有喷嘴组的薄膜的 最佳的初始模具温度约为1 5 0 摄氏度【1 3 】。 c h i e nr d 在 m i c r o m o l d i n go f b i o c h i pd e v i c e sd e s i g n e dw i t hm i c r o c h a n n e l s ) ) 中分别 采用微注射成型和热压技术制造用于d n a r n a 试验的具有微小流道的流体台。指出对 于微注射成型试验，印痕的宽度和深度精度随着模具温度、熔体温度、注射速度和保压 压力的升高而升高。对比于热压技术，微注射成型制造的零件在微流道深度的复制上有 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 轻微的优势，但是在宽度复制上却有不及。热压的制造周期时间则比微注射成型长很多 【1 4 1 。 l i o ua c ，c h e nr h 在i n j e c t i o nm o l d i n go f p o l y m e rm i c r o - a n ds u b - m i c r o ns t r u c t u r e s w i t hh i g h - a s p e c tr a t i o s 中使用p m m a 、p p 、h d p e 进行带有高纵横比的微型和亚微型 通道结构零件的注射成型试验，指出模具温度是决定微型和亚微型结构成型的重要因 素，合理的徼注射成型模具温度要显著的高于传统注射成型。注射压力和注射时间对微 型和亚微型结构的纵横比精度有充分的影响。在p p 和h d p e 成型试验中，出现了与众 不同的流动情况以及欠填充现象。 s h e ny k ，c h a n g 王，l i nc t 在 s t u d yo no p t i c a lp r o p e r t i e so fm i c r o s m l c t u r eo f l i g h t g u i d i n gp l a t ef o rm i c r o 画e c t i o nm o l d i n ga n dm i c r oi n j e c t i o n - c o m p r e s s i o nm o l d i n g ) ) 中 对微注射成型和微射压成型( m i c r oi n j e e t i o n - e o m p r e s s i o nm o l d i n g ) 所制造的光导板微结构 的光学质量进行了对比，指出对于微注射成型，模具温度、熔体温度和保压压力是影响 光学质量最重要的参数，并且微射压成型的零件的光学质量要好于微注射成型的零件的 质量【1 6 1 。 c h a n gh c ，y o u n gw b 在 e x p e r i a n e n t a ls t u d yo nt h em l i n go fam i c r oi i l j e c f i o n m o l d i n gw i t hc y l i n d r i c a ld o tp a t t e m s 中对带有非圆柱点微结构的镶件的微注射成型进行 了试验研究，指出增加模具温度或注射速度是保证微结构完全填充的有效方法，保压压 力也会对微结构的填充起到改善作用。正确的选择注射速度和保压压力可以使低纵横比 的制品的微点组得到完全填充【1 7 1 。 从以上的研究可以看出，尽管试验条件与试验方法有差异，结果也有异同，研究者 们仍在一些方面达成了共识，即：普遍认为模具温度是重要的微注射成型工艺参数，其 对熔体的填充及零件的表面质量的有很大的影响。至于其他工艺参数及各个工艺参数问 交互作用的影响，研究者们还不能给出一致的定性结论。 除了对于各个工艺参数的影响进行分析，有些研究者还对现有的工艺进行了改良， 并且获得了一些成果，为微注射成型工艺的研究提供了新的思路。 c h e ns c ，j o i l gw r ，c h a n gy j 等在 r a p i dm o l dt e m p e r a t u r ev a r i a t i o nf o r 髂s i s 血喀t h e m i c r oi n j e c t i o no f h i g ha s p e c tr a t i om i c r o f e a t u r ep a r t su s i n gi n d u c t i o nh e a t i n gt c c h n o l o g y 中 采用电磁感应加热与水冷相结合的方法以获得具有微细特征零件注射成型中模具表面 温度的快速控制，指出采用此种方法，模具的表面温度从6 0 摄氏度升高到1 0 0 摄氏度 至1 4 0 摄氏度之间时需要2 3 5 秒；在大约7 0 - 1 0 0 秒内，模具温度可降低到6 0 摄氏度。 而采用普通方法完成这种温度变化过程需要至少7 分钟。并且采用此种方法，零件的质 量也可以锝到提高1 1 q 。 基于微流控芯片的微注射成型研究 d o n g g a n gy a o ，t h o m a se k i m e r l i n g ，b y u n gk i m 在h i 乒血q u e n c yp r o x i m i t y h e a t i n g f o r i n j e c t i o n m o l d i n ga p p l i c a t i o n s ) ) 中介绍了高频波邻近加热法，并指出在针对薄 壁和微注射成型进行的各种测试中，采用此方法时的周期时间都少于1 分钟【1 9 1 。 n i a ns c ，y a n gs y 在m o l d i n go f t h i ns h e e t su s i n gi m p a c tm i c r o - i n j e c t i o nm o l d i n g ) ) 中采用冲击式注射机进行了具有极薄型腔( 1 0 0 2 0 0 b i n ) 模具的注射试验，通过对各种工 艺参数的考察，指出较高的模具温度能减少短射范围，但是也会使收缩增加和产生更多 缩痕；空气压力的增大可以有效地减少收缩【2 0 】。 j z h a o ，x u e h o n gl u ，y uc h e n 等在an e wl i q u i dc r y s t a l l i n ep o l y m e rb a s e dp r o c e s s i n g a i da n di t se f f e c t so nm i c r o m o l d i n gp r o c e s s ) ) 中使用基于加工助剂的液体晶状聚合物来改 善聚碳酸酯树脂的微成型性，指出加入少量助剂后，p c 的粘性大大降低；相对于普通 树脂，混合物的填充过程被大大改善1 2 ”。 1 4 现阶段微注射成型受到的限制 微注射成型在获得更高的纵横比的柱形、凹槽、壁结构上受到了限制。这种限度与 微结构几何形状及其在零件上位置、成型材料类型、工艺参数相关，因此不存在一种简 单的规则能够指明在特定情况下可以达到的最大纵横比。通过有限元方法应该可以解决 这一问题，但是用于微注射成型的有限元算法还处于起步阶段。 另一个限制是一次成型的一批微结构的外形尺寸稳定性。聚合物的收缩率是外形尺 寸的函数，且具有高纵横比的精密的微结构距收缩中心越远，就越容易造成脱模困难。 恰当的设计和成型工艺制定可以减少收缩。因此，在一次加工中以更低的成本成型更多 的零件及微结构的方法还需要进一步的发展。 此外，微型零件上通孔的成型也是一个难题，相关的工艺也处于研究、发展阶段吲。 1 5 微流控芯片简介 1 5 1 微流控芯片的结构 微流控芯片是通过微细加工技术将微管道、微泵、微阀、微储液器、微电极、微检 测元件、窗1 2 1 和连接器等功能元件像集成电路一样，使它们集成在芯片材料( 基片) 上 的微全分析系统。其利用毛细管电泳的原理和技术，可以完成生物和化学等领域中所涉 及的样品制备、生化反应、处理( 混合、过滤、稀释) 、分离检测等一系列任务，具有 快速、高效、低耗、分析过程自动化和应用范围广等特点。微流控芯片具备下列结构特 点田】： 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 以微管道为网络，将微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测元件等连接在一 起，对加入微通道中的流体进行控制与分离测定，以完成多种分析功能； ( 2 ) 微流控分析芯片的面积约为几平方厘米； ( 3 ) 微管道宽度和深度为微米级。 图1 1 微流控芯片 f i g 1 am i c r o f l u i d i cc h i p 1 5 2 微流控芯片材料的选取 微流控芯片材料的选取原则大体有下述几点刚： ( 1 ) 芯片材料与芯片实验室的工作介质之间要有良好的化学和生物相容性，不发生 反应； ( 2 ) 芯片材料应该有很好的电绝缘性和散热性； ( 3 ) 芯片材料应该具有良好的光学性能，对检测信号干扰小或者无干扰； ( 4 ) 芯片材料表面要具有良好的可修饰性，可产生电渗流或者固载生物大分子； ( 5 ) 芯片的制作工艺简单，材料及制作成本低廉。 用于制作微流控芯片的材料有点晶硅片、石英、玻璃，以及有机聚合物，如聚甲基 丙烯酸甲酯( p m m a ) 、聚二甲基硅氧烷( p d m s ) 、聚碳酸酯( p c ) 和水凝胶等。硅 片、石英和玻璃的微细加工技术比较成熟，有标准的光刻和湿法刻蚀技术可采用；有机 聚合物芯片可采用的制作技术有热压法、注塑法、激光烧蚀法、l i g a 技术、软刻蚀法 等。 基于微流控芯片的微注射成型研究 1 5 3 高分子聚合物微流控芯片的注塑成型 微流控芯片注塑法的工艺流程为聊】： ( 1 ) 通过l i g a 技术制备镍合金型芯； ( 2 ) 将型芯安装在模板的型腔中以构成注射模具； ( 3 ) 将模具安置在注射成型机上批量生产聚合物微流控芯片基片； ( 4 ) 将制得的基片清洗后与盖片封接。 虽然注塑法的模具制作相对复杂，注射成型机的价格昂贵，工艺步骤多，成型质量 的影响因素复杂，但是相对于其他微流控芯片制备方法，注射法的重复性好、自动化程 度高、生产周期短且成本低廉，十分适用于已成型的芯片的生产，必然是微流控芯片投 入大规模实际应用后的首选生产方法。 1 6 课题的提出以及研究内容和方法 具有微结构的零件的成型是微注射成型技术的研究内容之一。微流控芯片是典型的 具有微结构的零件，其上的微流道是一种具有代表性的微结构。相对于高分子聚合物的 热压成型制备法，虽然注射成型具有前文所述的种种优势，是一种值得大力发展的方法， 但是由于其相对复杂且国内外研究相对较少，所以该项工艺仍然处在起步阶段，尚不能 真正的大规模用于实际生产。有鉴于此，本课题决定以微流控芯片为实验对象，展开微 结构的注射成型实验。 本课题针对一种有代表性的微流控芯片，分析它的结构形式，参考现有的热压成型 模具结构，总结传统的注射成型模具设计经验，结合微流控芯片的制造要求和现有的实 验条件，设计并制造出一套实用的实验用微流控芯片注射模具。 在安排具体实验之前，应用m o l d f l o w 模流分析软件对微流控芯片的成型过程进行 计算机模拟，一方面考察现有软件对于特定结构的微注射成型模拟的准确性和可行性， 一方面也为实验中参数水平的选取提供参考。 在保证实验准确性的前提下，结合模拟分析的结果，合理的安排实验，对微流控芯 片及其上的微流道成型情况及其成因进行研究分析，得出实验结论。 大连理工大学硕士学位论文 2 注塑成型基本理论 注塑成型技术是根据压铸原理而发展起来的，是目前塑料加工中最普遍采用的方法 之一。注塑成型是间歇操作，成型周期短，生产效率高。它可以成型形状复杂、尺寸精 确的制品。注塑制品种类繁多，变更模具能制作各式各样的成批产品，有极高的经济性， 其制品占塑料制品总产量的3 0 e 2 5 】。 2 1 注塑成型工艺过程 注塑成型是一个循环过程，每一个周期都包括：定量加料一加热塑化施压注 射充模保压定型开模取件等过程。此外，还包括原料的预热与干燥，制品的整 修与后处理等。 注射成型实质上最主要的是塑化、注射与模塑成型三个过程。 2 1 1 塑化 这是指塑料在料筒内经加热达到流动状态，经螺杆旋转或柱塞的推挤达到塑料组分 均匀并具有良好可塑性的过程。对塑化的要求是塑料在进入模腔之前应达到规定的成型 温度，且料温均匀一致，并能在规定的时间内提供足够数量的熔融塑料，塑料中可能生 成的分解物则要求控制在最低的限度。这对注射制品的质量和产量有直接关系。为了保 证良好塑化状态，塑料受热的均匀性是很重要的。螺杆式注射机在加热塑化效率上要优 于柱塞式注射机，这是由于螺杆旋转有对塑料的混合和剪切作用，不仅