專(zhuān)利名稱(chēng)：塑料微流控芯片的注塑成型工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于注塑成型技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種能夠成型表面具有微通道結(jié)構(gòu)的微流控芯片注塑成型工藝。
背景技術(shù)：
微流控芯片，又稱(chēng)芯片實(shí)驗(yàn)室，其功能是把生物和化學(xué)等領(lǐng)域中所涉及的樣品制 備、反應(yīng)、分離和檢測(cè)等基本操作單元集成到一塊數(shù)十平方厘米(甚至更小)的芯片上，由 微通道形成網(wǎng)絡(luò)，以可控流體貫穿整個(gè)系統(tǒng)，用以替代常規(guī)生物或化學(xué)試驗(yàn)室的各種功能， 廣泛用于生物化學(xué)、臨床、醫(yī)藥和環(huán)境等領(lǐng)域。用于成型微流控芯片的傳統(tǒng)材料有硅、玻璃 和石英等，主要采用刻蝕加工。近年來(lái)塑料由于成本低、種類(lèi)多、可大批量加工、工藝簡(jiǎn)單以 及具有良好的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，正日益成為微流控芯片的主要材料。微流控芯片常用塑 料種類(lèi)有 PMMA, PC、PDMS, PS 禾P COC 等。塑料微流控芯片較為成熟和常用的方法是熱壓成型。與熱壓成型相比，注塑成型 效率更高，更適合大批量生產(chǎn)，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。由于微流控芯片的基體結(jié)構(gòu)是平板 形狀，在其上分布有尺寸為數(shù)十微米的結(jié)構(gòu)——微通道，故其尺度可能跨越幾個(gè)數(shù)量級(jí)；在 注塑成型中，宏觀和微觀效應(yīng)同時(shí)存在，芯片可能會(huì)出現(xiàn)多種成型缺陷，其中如何用注塑的 方式精確完整地復(fù)制出微通道是芯片成型質(zhì)量好壞的關(guān)鍵，也是塑料微流控芯片注塑成型 的難點(diǎn)。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，為解決塑料微流控芯片注塑成型時(shí)微通道復(fù)制不完全的技術(shù)難 題，首先要在模具方面采用有利于提高微通道復(fù)制度的設(shè)計(jì)與制造方案，這方面工作申請(qǐng) 人已另申請(qǐng)專(zhuān)利；而在成型工藝方面，并不能靠簡(jiǎn)單地調(diào)整工藝參數(shù)就可獲得良好的成型 質(zhì)量，必須通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)等方法和手段來(lái)研究各種工藝參數(shù)(注射速度、 模具溫度、熔體溫度、注射壓力、保壓壓力和保壓時(shí)間等)對(duì)微結(jié)構(gòu)復(fù)制不完全的影響，從 而得到最佳的成型工藝參數(shù)組合，形成塑料微流控芯片的注塑成型工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種塑料微流控芯片的注塑成型工藝，解決了微通道寬度在30 100 μ m的塑料微流控芯片成型問(wèn)題。為達(dá)到上述目的，一種塑料微流控芯片的注塑成型工藝，包括以下步驟(A)塑料原料選用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)預(yù)置在干燥機(jī)中，干燥溫度90°C，時(shí) 間6小時(shí)。(B)模具預(yù)熱至85 90°C，注射機(jī)料筒塑料熔體溫度區(qū)間設(shè)定為230 250°C。(C)塑料原料從注射機(jī)的料斗進(jìn)入料筒，經(jīng)加熱熔融及螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)塑化成黏流態(tài)熔 體，后由螺桿的推動(dòng)在一定壓力下通過(guò)噴嘴注入模具型腔。(D)注射時(shí)，注射速度采用慢-快-慢形式，注射速度設(shè)定為第一段80-100mm/S， 第二段110-140mm/s，第三段48-80mm/s ；先較低速度注射，保證料流前鋒全部進(jìn)入型腔，然后以高速填充型腔，最后慢速保證模具排氣。注射壓力在100 130MPa ；保壓壓力為50 70MPa，保壓時(shí)間為2 5s，冷卻時(shí)間在30 40s。(E)冷卻結(jié)束，模具開(kāi)模，推桿推出制品，完成成型的全過(guò)程。本發(fā)明的效果和益處是采用該注塑成型工藝可以高效率大批量成型塑料微流控 芯片，有效解決了微流控芯片注塑成型過(guò)程中微通道復(fù)制不完全等技術(shù)難題，將進(jìn)一步提 高微流控芯片的制造水平，促進(jìn)注塑成型技術(shù)在微機(jī)械系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明微流控芯片結(jié)構(gòu)示意圖。圖2(A)為芯片、澆口及流道示意圖主視圖。圖2(B)為芯片、澆口及流道示意圖俯視圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施例。本發(fā)明用于成型圖1(A)所示微流控芯片，外形為平板結(jié)構(gòu)，厚度一般為1.2 1. 5mm,其上有十字形微通道，微通道截面形狀為如圖1 (B)所示的深度為50 y m左右、寬度 在30 100 ym的矩形。注塑成型過(guò)程主要分為注射階段、保壓階段和冷卻階段。針對(duì)選 用的PMMA原料，熔體溫度設(shè)定為230 250°C。根據(jù)不同成型面積控制注射壓力在100 130MPa,把熔體射入模具型腔，系統(tǒng)切換到保壓階段，經(jīng)冷卻后完成成型過(guò)程。對(duì)微通道成型復(fù)制度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明模具溫度對(duì)提高微通道復(fù)制度起決定 性作用；注射速度和熔體溫度是次要因素，而注射壓力相對(duì)其他因素影響力較差，但必須保 持在一個(gè)較高的水平。模具溫度設(shè)定在85 90°C之間，模具溫度過(guò)低，微通道復(fù)制度難以 提高，而模具溫度過(guò)高，易使微流控芯片產(chǎn)生表面縮痕和翹曲變形等缺陷。注射時(shí)，注射速 度采用慢-快-慢的控制形式，先較低速度注射，保證料流前鋒平穩(wěn)地進(jìn)入型腔，然后再以 高速填充型腔，在熔體溫度下降前結(jié)束對(duì)微通道處的充填，最后慢速填充以使型腔中的氣 體順利排出；其中高速段取140mm/s左右，以提高微通道復(fù)制度。注射壓力設(shè)定在100 130MPa，在高速高壓下完成微通道處的充填；但注射壓力亦不宜過(guò)高，過(guò)高的注射壓力易使 微流控芯片產(chǎn)生翹曲變形。保壓壓力為50 70MPa，保壓時(shí)間為2 5s ；與注射壓力影響 相似的情況，保壓壓力和保壓時(shí)間也不宜過(guò)高和過(guò)長(zhǎng)。冷卻時(shí)間在30 40s。冷卻結(jié)束后 開(kāi)模取出制品完成整個(gè)成型過(guò)程。實(shí)施例1 單十字微流控芯片，制品長(zhǎng)80mm，寬30mm，厚度為1. 2mm, 一模2腔，微通道截面深 度為50 u m、寬度為70 u m,材料選用PMMA。(A)將干燥好的PMMA放入注塑機(jī)料斗，料筒設(shè)定溫度噴嘴230°C、一區(qū)250°C、二 區(qū) 245°C、三區(qū) 220°C ；(B)模具溫度設(shè)定為89°C ；(C)模具閉合，進(jìn)入注射階段，注射壓力為一段lOOMPa、二段1 lOMPa、三段 llOMPa，注射時(shí)間為2. 6s，注射速度采用慢-快-慢形式，注射速度設(shè)定為第一段90mm/s， 第二段 140mm/s，第三段 60mm/s ；
(D)進(jìn)入保壓階段，保壓壓力為70MPa，保壓時(shí)間為4s ；(E)進(jìn)入冷卻階段，冷卻時(shí)間在30s ；(F)冷卻結(jié)束，模具開(kāi)模，取出制品。制品尺寸檢測(cè)檢驗(yàn)樣本為6個(gè)，選取微流控芯片長(zhǎng)度方向3處不同位置的3個(gè)微 通道截面進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)中國(guó)一航北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所測(cè)定，微通道寬度方向不同 片間平均值為69 u m,最大絕對(duì)誤差2. 5 y m，滿(mǎn)足槽寬精度為士3 6 y m的設(shè)計(jì)和使用要 求。實(shí)施例2 雙十字微流控芯片(每片上有兩個(gè)十字微通道)，制品長(zhǎng)62mm，寬60mm，厚度為 1. 2mm, 一模2腔，微通道截面深度為50 u m、寬度為50 u m,材料選用PMMA。(G)將干燥好的PMMA放入注塑機(jī)料斗，料筒設(shè)定溫度噴嘴230°C、一區(qū)250°C、二 區(qū) 245°C、三區(qū) 220°C ；(H)模具溫度設(shè)定為89°C ；(I)模具閉合，進(jìn)入注射階段，注射壓力為一段lOOMPa、二段1 lOMPa、三段 120MPa，注射時(shí)間為2. 6s，注射速度采用慢-快-慢形式，注射速度設(shè)定為第一段90mm/s， 第二段 140mm/s，第三段 60mm/s ；(J)進(jìn)入保壓階段，保壓壓力為70MPa，保壓時(shí)間為4s ；(K)進(jìn)入冷卻階段，冷卻時(shí)間在30s ；(L)冷卻結(jié)束，模具開(kāi)模，取出制品。制品尺寸檢測(cè)檢驗(yàn)樣本為6個(gè)，選取微流控芯片長(zhǎng)度方向3處不同位置的6個(gè)微 通道截面進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)中國(guó)一航北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所測(cè)定，微通道寬度方向不同 片間平均值為48 u m,最大絕對(duì)誤差在5. 9 y m，滿(mǎn)足槽寬精度為士 3 6 y m的設(shè)計(jì)和使用 要求。
權(quán)利要求
一種塑料微流控芯片的注塑成型工藝，其特征在于包括以下步驟(A)塑料原料選用聚甲基丙烯酸甲酯預(yù)置在干燥機(jī)中，干燥溫度90℃，時(shí)間6小時(shí)；(B)模具加熱至85～90℃。注射機(jī)料筒塑料熔體溫度區(qū)間設(shè)定為230～250℃；(C)模具合模，塑料原料從注射機(jī)的料斗進(jìn)入料筒，經(jīng)加熱熔融及螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)塑化成黏流態(tài)熔體，后由螺桿的推動(dòng)下通過(guò)噴嘴注入模具型腔；(D)注射時(shí)，注射速度采用慢-快-慢形式，注射速度設(shè)定為第一段80-100mm/s，第二段110-140mm/s，第三段48-80mm/s；先較低速度注射，保證料流前鋒全部進(jìn)入型腔，然后以高速填充型腔，最后慢速保證模具排氣；注射壓力在100～130MPa，保壓壓力為50～70MPa，保壓時(shí)間為2～5s，冷卻時(shí)間在30～40s；(E)冷卻結(jié)束，模具開(kāi)模，推桿推出制品，完成成型的全過(guò)程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塑料微流控芯片的注塑成型工藝，其特征在于在所述步驟 (D)中，注射速度采用慢-快-慢形式，注射速度設(shè)定為第一段90mm/s，第二段140mm/s， 第三段60mm/s。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種能夠成型表面具有微通道結(jié)構(gòu)的微流控芯片注塑成型工藝，屬于注塑成型技術(shù)領(lǐng)域。成型的微流控芯片，外形為平板結(jié)構(gòu)，厚度一般為1.2～1.5mm，其上有十字形微通道，微通道截面形狀為深度50μm左右、寬度在30～100μm之間的矩形。選用PMMA原料，模具溫度85～90℃，熔體溫度230～250℃。注射速度采用慢-快-慢的控制形式，其中高速段取140mm/s左右。注射壓力100～130MPa，保壓壓力50～70MPa，保壓時(shí)間2～5s，冷卻時(shí)間30～40s。冷卻結(jié)束后開(kāi)模取出制品完成整個(gè)成型過(guò)程。本發(fā)明的益處是采用該注塑成型工藝可以高效率大批量成型塑料微流控芯片，有效解決了成型過(guò)程中微通道復(fù)制不完全等技術(shù)難題，促進(jìn)注塑成型技術(shù)在微機(jī)械系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用。
文檔編號(hào)B01L3/00GK101863104SQ201010183529
公開(kāi)日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2010年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月26日
發(fā)明者劉沖, 劉瑩, 宋滿(mǎn)倉(cāng), 龐中華, 王敏杰 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)