一種模壓工藝制作玻璃微流控芯片的方法和裝置的制造方法
【專利摘要】本發明提出了一種模壓工藝制作玻璃微流控芯片的方法和裝置。利用各種機械加工或能束加工方法在模具鋼、不銹鋼、鎢等高剛度、不易粘接的金屬模具材料上制備出包含微流控芯片反結構的模芯，然后將玻璃預行體和模芯同時放入精密模壓機內，采用標準的模壓工藝(加熱、加壓、退火和冷卻)，一次性在玻璃上加工出玻璃微流控芯片所需要的微結構。整個模壓過程中無需使用傳統的干法刻蝕和濕法刻蝕需要的試劑和設備，加工效率高(一次成型在8分鐘內)、無需后續的處理、模壓后的溝槽質量好，并且模芯變形小、壽命高、可以實現玻璃微流控芯片大批量的制備。
【專利說明】
一種模壓工藝制作玻璃微流控芯片的方法和裝置
技術領域
[0001]本發明涉及一種高效、低成本的玻璃微流控芯片制備方法和裝置，屬于微細加工技術領域。
【背景技術】
[0002]微流控芯片又稱為微全分析系統(micro total analysis systems，yTAS)，是一類以微通道網絡為結構特征，集進樣、樣品處理、生化反應、分離、檢測為一體的全功能微型檢測和分析系統。由于具備響應時間短，消耗試劑量小，易于小型化、自動化和便攜化等優點，微流控芯片技術自20世紀90年代由瑞士科學家Manz等人提出以來，已成為當前十分活躍的科學前沿，在化學、生物、醫學等領域得到廣泛的應用。
[0003]用于制作微流控芯片的材料主要有玻璃、石英、高分子聚合物和陶瓷。以玻璃為基體的微流控芯片與其它以石英、硅片和陶瓷為基體的微流控芯片相比，具有良好的散熱性，高透光性和絕緣性，且電滲流較強;與有機玻璃和硅橡膠為基體的微流控芯片相比，玻璃芯片基體具有良好的強度，生物兼容性好，化學穩定性高，熱穩定性好，通道表面易于修飾等優點。因此，隨著微流控芯片技術的發展，以玻璃材料作為基體的微流控芯片逐引起產業界和學術界的關注。但玻璃材料的物理、化學特性與其他材料存在顯著差異，在微加工工藝方面需要進行新的研究與工藝試驗，目前國際上尚未形成統一的玻璃微加工工藝標準體系。現階段，因制作成本和工藝成熟性方面的考慮，微流控芯片大多仍采用易于加工和批量制作的有機聚合物作基體材料。
[0004]為了更好的發揮玻璃微流控芯片的優勢，探索一種低成本、高效率，高加工精度的玻璃微通道制作工藝具有重要意義。現有的文獻報道中，玻璃微流控芯片的加工方法主要有以下四類:
[0005](I)濕法刻蝕:玻璃是各向同性材料，可以采用HF溶液對玻璃實施非單一方向的刻蝕，但該種方法加工出的側壁呈弧形，加工深寬比低，精度差，且需要金屬或Si作為保護層。
[0006](2)干法刻蝕:通過電感耦合的SF6等離子體(ICP)源的深反應離子刻蝕(deepreactive 1n etching，DRIE)開展干法刻蝕工藝，可以在低壓下產生高濃度的等離子體，實現對玻璃深微溝槽的加工，但該刻蝕方法速率低，設備成本高、并且光刻膠和玻璃之間刻蝕選擇性低，嚴重限制了該種工藝的推廣。
[0007](3)激光加工:激光技工速度快，效率高，但因加工局部溫度高，玻璃熱傳導性差，很容易在加工表面產生微裂紋和熱影響層，影響嚴重表面質量。
[0008]( 4 )微機械加工:微機械加工方法包括微超聲加工(micro-ul tra-soni C-machining，MUSM)，噴砂，刀片鋸等，但最小的特征尺寸受到加工工具頭的限制，且表面質量差，嚴重制約著該技術的推廣。
[0009]針對上面四類加工方法在加工玻璃微結構中存在的局限性，日本的K.Kawai等人(Kawai K,Yamaguchi F,Nakahara A,et al.Fabricat1n of vertical and high-aspect—rat1 glass microfluidic device by borosiIicate glass molding tosilicon structure[C].14th Internat1nal Conference on Miniaturized Systemsfor Chemistry and Life Sciences 2010,MicroTAS 2010.2010.)和國內的J.W.Liu等人(Liu J ff,Huang Q A,Shang J T,et al.Micromachining of Pyrex7740glass formicro-fluidic devices[C]//Proc.14th Int.Conf.Miniaturized Syst.Chem.Life Sc1.(yTAS).2010:1907-1909.)都嘗試采用一種新的制作工藝，包含硅刻蝕、玻璃和硅在真空下的陽極鍵合、熱處理、化學機械拋光和玻璃單面刻蝕，該工藝可以制作高深寬比的結構，最小特征尺寸達1mi，但其加工時間長，成本高，且容易出現過加工現象。
[0010]另外，國際市場上還存在一種用感光玻璃制作微流控芯片的方法(DietrichT R,Ehrfeld W1Lacher M,et al.Fabricat1n technologies for microsystems utilizingphotoetchable glass[J].Microelectronic Engineering,1996,30(I):497-504.FreitagA,Vogel D,Scholz R,et al.Microfluidic devices made of glass[J].Journal of theAssociat1n for Laboratory Automat1n，2001,6(4):45-49.)。由Schott公司研發的一種感光玻璃F0TURAN作為玻璃基體材料，該材料在紫外線波長310nm附近光敏感。主要的制作過程如下:(I)曝光部分，制作需微結構的鉻掩模，并在紫外線下曝光F0TURAN玻璃；(2)熱處理部分，將玻璃基體加熱至600°C，并保持I小時左右，使得曝光部分的玻璃材料結晶，而未曝光部分的玻璃材料保持玻璃態；(3)刻蝕部分，將玻璃基體放入氫氟酸溶液中刻蝕，結晶部分的玻璃材料的刻蝕速率約為未結晶玻璃的20倍，很容易獲得高深寬比的微結構。這也是現在唯一已市場化玻璃微結構制作方案。雖然該工藝可以省略普通工藝中光刻膠的制備過程，并可在玻璃上制備出深寬比>10，刻蝕寬度<50μπι的微結構，但該方案中因感光玻璃成本高，且需要制備鉻掩模和加熱等工序，生產周期長，市場上一片包含微結構的玻璃芯片初步報價大于500美元，嚴重制約著該技術的推廣。
[0011]綜上所述，現有文獻報道的一些工藝路線具有較大的局限性，大部分均存在成本高、過程復雜、加工精度差、表面質量差、加工效率低等問題，嚴重制約著玻璃微流控芯片的廣泛應用。目前玻璃微結構加工工藝是玻璃微流控系統發展的主要技術瓶頸之一。
【發明內容】
[0012]本發明針對上述問題，提供一種模壓工藝制作玻璃微流控芯片的方法和裝置，能夠降低玻璃微流控芯片的生產成本，提高玻璃微流控芯片的加工效率和加工質量。
[0013]本發明采用的技術方案如下:
[0014]—種模壓工藝制作玻璃微流控芯片的方法，包括以下步驟:
[0015]I)采用金屬模具材料制備出包含微流控芯片的反結構的模芯；
[0016]2)將玻璃預行體和模芯放入精密模壓機內，采用模壓工藝一次性在玻璃上加工出玻璃微流控芯片所需要的微結構。
[0017]進一步地，步驟I)利用機械加工或能束加工方法制備模芯;所述金屬模具材料為高剛度的不易粘接的金屬材料，比如模具鋼、不銹鋼、鎢等材料。
[0018]進一步地，步驟I)所述微流控芯片的反結構的最小特征尺寸為5μπι，最大刻蝕深度為 200μηι。
[0019]進一步地，步驟2)所述模壓工藝包括:加熱、加壓、退火和冷卻；具體包括以下步驟:
[0020]第一階段，將玻璃預行體放在下模上，包含微結構的金屬模芯朝向玻璃面，放在玻璃上，然后通入惰性氣體，排出成型室中的空氣，然后將玻璃和模具加熱至模壓溫度；
[0021 ]第二階段，將上模具向下運動至接觸金屬模芯，并向下壓使玻璃預行體被模壓成型；
[0022]第三階段，保持較小的壓力，并緩慢冷卻以釋放內應力，即進行退火過程；
[0023]第四階段，將玻璃快速冷卻到環境溫度并從模具中脫模。
[0024]—種實現上述方法的模壓模具裝置，包括上模具、下模具、內套筒和外套筒，內套筒的內徑和上模具、下模具的模壓部分的外徑間隙配合，外套筒的內徑和內套筒的外徑間隙配合。
[0025]進一步地，所述上模具和下模具采用高硬度、高強度和耐氧化的模具材料，通過超精密磨削等機械加工工藝制作;所述上模具和下模具的模壓表面通過精密拋光達到納米級粗糙度。
[0026]進一步地，所述內套筒的內徑和所述上模具、下模具模壓部分的外徑的最大間隙小于 0.010mm。
[0027]進一步地，所述上模具、下模具的模壓部分的端面設有倒角，以便于模壓過程中的排氣;所述內套筒的側壁開有通孔，保證內腔氣體在模壓過程中能夠排出；所述外套筒的側壁開有通孔，以便于排氣。
[0028]進一步地，上述裝置通過外套筒的高度保證模壓深度。
[0029]本發明在國內首次提出了基于精密模壓工藝的玻璃微流控芯片制備技術，該芯片制備技術無需使用傳統的干法刻蝕和濕法刻蝕需要的試劑和設備，加工效率高(一次成型在8分鐘內)、無需后續處理、模壓后的溝槽質量好，可以實現玻璃微流控芯片大批量的制備。
【附圖說明】
[0030]圖1是金屬模芯的一種典型微結構。
[0031]圖2是典型的整體模壓模具結構示意圖，其中I為外套筒，2為內套筒，3為上模具，4為鎢模芯，5為玻璃預行體，6為下模具。
[0032]圖3是玻璃體積隨溫度變化的曲線圖。
[0033]圖4是模壓過程示意圖，其中(a)圖為加熱，(b)圖為加壓，(C)圖為退火，(d)圖為冷卻。
[0034]圖5是溫度和壓強隨時間變化的關系圖。
[0035]圖6是模壓前后金屬模芯的典型形貌，其中(a)圖為模壓前，(b)圖為模壓后。
[0036]圖7是位置I模芯溝槽模壓前后的形貌對比，其中Before表示模壓前，After表示模壓后。
[0037]圖8是位置2模芯溝槽模壓前后的形貌對比，其中Before表示模壓前，After表示模壓后。
[0038]圖9是模壓獲得的典型玻璃微結構照片。
[0039]圖10是模壓所得的玻璃微溝槽結構三維偽彩色圖。
【具體實施方式】
[0040]下面通過具體實施例和附圖，對本發明做進一步說明。
[0041 ] 1.玻璃模壓工藝制作微結構的合理性、成熟性及存在的問題
[0042]玻璃是一類特殊的材料，在常溫下是一種無晶形固體，這種無定形固體狀態俗稱玻璃態。隨著溫度的升高，玻璃材料會從玻璃態漸變到熔融態，而不同于晶體材料的相變過程。當玻璃加熱到轉變溫度Tg以上至At附近時，玻璃將被軟化，粘度降低到107'6dPa.s到109'°dPa.s之間，應力釋放時間也減小到毫秒量級甚至更短。因此可以利用這個特點對玻璃材料進行模壓成型，成型過程不會產生過大的壓應力，另外也不易在材料內部產生氣泡、碎裂等瑕疵，充分說明了通過模壓工藝制作玻璃微結構的可行性。
[0043]現階段，玻璃模壓工藝屬于一種比較成熟的工藝，主要應用于光學透鏡元件制作中。因玻璃透鏡元件在很多方面都明顯優于塑料制品，如硬度、折射率、透光性、熱穩定性和抗濕性，其在高精度數碼相機、手機攝像頭、藍光DVD播放器和錄像機等部件上廣泛應用。典型的模壓制件包括非球面透鏡、菲涅耳透鏡、衍射光學元件和微透鏡陣列。現有的報道中，為了產生更優異的性能，如高成像質量和高光強均勻性，模壓光學元件中也包含微結構的制備，但集中在V溝槽陣列(Zhou T F,Liang Z Q,ffang X B,et al.Experiment on GlassMicrogroove Molding by Using PolycrystalIine Nickel Phosphorus Mold[C].Advanced Materials Research.2013,797:483-488.Kobayashi R1Zhou T,Shimada K,etal.Ultraprecis1n Glass Molding Press for Microgrooves with Different PitchSizes[J].Journal ref:1nternat1nal Journal of Automat1n Technology,2013 ,7(6):678-685.)、金字塔陣列(Zhou T F,Yan J W1Kuriyagawa T.Comparing microgroovearray forming with micropyramid array forming in the glass molding press[C]//Key Engineering Materials.2010,447:361-365.)和圓柱微陣列(Huang C Y1Hsiao ff T,Huang K C,et al.Fabricat1n of a double-sided micro-lens array by a glassmolding technique[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2011,21
(8):085020.)。這幾種微結構均是從光學元件成像質量等方面考慮，遠達不到微流控芯片的要求。矩形溝槽作為最典型的微流控芯片特征結構之一，通過模壓方法在玻璃上制備還未見報道。
[0044]根據國內外文獻調研，采用精密模壓工藝制備微流控芯片的研究鮮有報道。模壓玻璃微流控芯片和光學透鏡主要有以下四點區別:(I)玻璃預行體方面，因成像質量要求沒有光學透鏡嚴格，微流控玻璃預行體成本遠比光學透鏡低，一片預行體的價格可以降到5元以下，而普通光學透鏡預行體的價格一般在50元以上；(2)特征尺寸方面，因微流控芯片主要為了實現微流體在里面的流動，特征尺寸一般在20?200μπι左右，而光學透鏡中為了實現高的成像質量，微結構特征尺寸有時需要達到ΙΟμπι以下；(3)宏觀尺寸方面，微流控芯片尺寸更大，長/寬尺寸可達80mm，而一般光學透鏡的直徑在1mm以內，大尺寸的微流控芯片模壓需要更大的模芯，導致前期模芯在制作過程難度加大；(4)工藝難度方面，和光學透鏡典型結構(如非球面結構和V溝槽結構)相比，玻璃微流控芯片典型結構截面為矩形，實際深寬比大(較之弧形表面)，側壁陡直，轉角近直角，將在模壓過程中帶來一系列的問題，如填充率低、保形性差、脫模困難和模芯易磨損等，玻璃微流控芯片的制作對模壓工藝提出了更高的要求。
[0045]為了驗證精密模壓工藝制備微流控芯片的可行性，本發明從模具磨損和模壓件質量2個重要方面展示模壓工藝制備玻璃微流控芯片典型微結構(矩形截面溝槽)的結果。
[0046]2.本發明的基于精密模壓工藝的玻璃微流控芯片制備技術
[0047]本發明首先利用各種機械加工或能束加工方法在模具鋼、不銹鋼、鎢等高剛度、不易粘接的金屬模具材料上制備出包含微流控芯片反結構的模芯，然后將玻璃預行體和模芯同時放入精密模壓機內，采用標準的模壓工藝(加熱、加壓、退火和冷卻)，一次性在玻璃上加工出玻璃微流控芯片所需要的微結構。
[0048 ] I)模芯結構
[0049]在一種金屬上制備出微流控芯片反結構，實現最小特征尺寸為5μπι，最大刻蝕深度為200μπι，完全滿足大部分微流控芯片微結構的尺寸要求。所述金屬模芯的一種典型微結構如圖1所示。金屬模芯材料可以是模具鋼、不銹鋼、鎢等高剛度的不易粘接的金屬材料。
[0050]2)模壓模具制作
[0051]本發明的整體模壓模具結構示意圖如圖2所示。上模具3和下模具6采用高硬度、高強度和耐氧化的WC模具材料，通過超精密磨削等機械加工工藝制作，上、下模具模壓表面通過精密拋光達到納米級粗糙度，上、下模具模壓部分的端面有倒角，便于模壓過程中的排氣。內套筒2的內徑和上、下模具模壓部分的外徑間隙配合，且最大間隙小于0.010mm，限制模壓過程中上、下模具的徑向位移。內套筒2的側壁開有2排通孔，沿周向90°分布，保證內腔氣體在模壓過程中能排出。外套筒I的內徑和內套筒2的外徑間隙配合，間隙要求不高，一般大于0.25mm，通過外套筒高度保證最后的模壓深度，外套筒側壁開有一排沿周向90°分布的四個通孔，以便于排氣。
[0052]3)玻璃預行體
[0053]玻璃是一種強溫度依賴性材料。在室溫下，玻璃是一種高硬度脆性材料;在高溫下，它變成一個粘彈性體或粘性液體。玻璃熱膨脹系數受溫度的影響非常顯著，玻璃體積隨溫度變化的典型曲線如圖3所示。軟化點SP定義為當玻璃可以在其自身重量下變形，表現為液體狀態的溫度。屈服點At(也可以稱為變形點)定義為當玻璃達到最大膨脹狀態，并有相對低的塑性，開始收縮時的溫度。當融化態的玻璃經過該點慢慢冷卻，玻璃的體積急速下降至轉化點Tg，在Tg點之下體積收縮速率降低到較低的值。退火點(AP)是模壓玻璃中退火范圍的上端，在退火過程中應力是在短時間內減小到實際可接受的值。應變點(StP)定義為退火溫度范圍的下端，同時也是玻璃的最高工作溫度。一般玻璃的模壓區域在屈服點At上、下50°C內，如圖3中陰影部分的范圍。理論上講，所有的光學玻璃都可以模壓。
[0054]4)工藝過程和參數選擇
[0055]圖4為玻璃模壓過程示意圖，主要由四個階段組成，分別是(a)加熱、(b)加壓、(C)退火和(d)冷卻。第一階段，玻璃預行體放在下模上，包含微結構的金屬模芯朝向玻璃面，放在玻璃上，然后通入惰性氣體(通常是氮氣)，排出成型室中的空氣，接下來，玻璃和模具由紅外燈加熱至模壓溫度，如圖4中(a)圖所示;第二階段，上模具向下運動，至接觸金屬模芯，并向下壓至外套筒限制的位置，玻璃預行體被模壓成型，如圖4中(b)圖所示;第三階段，保持較小的壓力，并緩慢冷卻以釋放內應力(即退火過程)，如圖4中(C)圖所示;第四階段，玻璃被快速冷卻到環境溫度并從模具中脫模，如圖4中(d)圖所示。通過這四個階段，微流控芯片所需要的微結構即被精確地復制到玻璃上。模壓過程中，溫度和壓強隨時間變化的關系如圖5所示。
[0056]5)實驗數據和結果
[0057]5.1)模芯磨損
[0058]微溝槽是微流控芯片中的最典型微結構之一。這里，選取金屬模上可以模壓出微溝槽的區域，研究模壓21次后模芯的形貌變化，如圖6所示，其中(a)圖為模壓前，(b)圖為模壓后。從圖中可以看出，除了有部分顏色的改變外，模壓前后模芯的形貌變化不明顯。
[0059]為了進一步探究模壓過程對模芯微溝槽形貌的變化，分別通過激光共聚焦顯微鏡垂直于微溝槽方向掃描，獲得模壓前、后模芯區域I和區域2(圖6中在模壓前用B1、B2表示，在模壓后用A1、A2表示)的截面形狀分別如圖7和圖8所示。雖然兩次測量過程中，橫截面基線的橫向位置和高度無法完全保持一致，但上圖可以滿足截形對比的初步分析。從截面形狀看，區域I和區域2的模芯溝槽在模壓前、后保持了較好的一致性，凸臺高度均為25μπι左右，表明該種模芯制作玻璃微流控芯片具有高的使用壽命。
[0060]5.2)模壓的微結構形貌
[0061]通過本專利提出的模壓工藝，在玻璃上制作的微結構照片如圖9所示。圖9中(b)圖為玻璃模壓件的宏觀照片，其中包含很多微結構，如微齒輪、微溝槽、微圓柱矩陣、微方形矩陣等。為了進一步顯示模壓細節，圖9中(a)圖和(C)圖分別為玻璃模壓件的圓柱陣列和玻璃微溝槽放大圖。從圖中可以看出，模壓后獲得的圓柱形狀和溝槽形狀保持較好。
[0062]為了進一步研究模壓溝槽底部的形貌，通過白光干涉儀獲得的玻璃微溝槽結構三維偽彩色圖如圖10所示(圖示為黑白色)。溝槽深度為22μπι左右，接近設計溝槽深度(25μπι)，模芯底部粗糙度達2.58nm，完全滿足微流控芯片的要求。
[0063]以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其進行限制，本領域的普通技術人員可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明的精神和范圍，本發明的保護范圍應以權利要求書所述為準。
【主權項】
1.一種模壓工藝制作玻璃微流控芯片的方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)采用金屬模具材料制備出包含微流控芯片的反結構的模芯； 2)將玻璃預行體和模芯放入精密模壓機內，采用模壓工藝一次性在玻璃上加工出玻璃微流控芯片所需要的微結構。2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟I)利用機械加工或能束加工方法制備模芯;所述金屬模具材料為高剛度的不易粘接的金屬材料，包括模具鋼、不銹鋼、鎢。3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟I)所述微流控芯片的反結構的最小特征尺寸為5μηι，最大刻蝕深度為200μηι。4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟2)所述模壓工藝包括:加熱、加壓、退火和冷卻。5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，步驟2)所述模壓工藝包括以下步驟: 第一階段，將玻璃預行體放在下模上，包含微結構的金屬模芯朝向玻璃面，放在玻璃上，然后通入惰性氣體，排出成型室中的空氣，然后將玻璃和模具加熱至模壓溫度； 第二階段，將上模具向下運動至接觸金屬模芯，并向下壓使玻璃預行體被模壓成型； 第三階段，保持較小的壓力，并緩慢冷卻以釋放內應力，即進行退火過程； 第四階段，將玻璃快速冷卻到環境溫度并從模具中脫模。6.—種實現權利要求1所述方法的模壓模具裝置，其特征在于，包括上模具、下模具、內套筒和外套筒，內套筒的內徑和上模具、下模具的模壓部分的外徑間隙配合，外套筒的內徑和內套筒的外徑間隙配合。7.如權利要求6所述的模壓模具裝置，其特征在于，所述上模具和下模具采用高硬度、高強度和耐氧化的模具材料，通過超精密磨削等機械加工工藝制作;所述上模具和下模具的模壓表面通過精密拋光達到納米級粗糙度。8.如權利要求6所述的模壓模具裝置，其特征在于，所述內套筒的內徑和所述上模具、下模具模壓部分的外徑的最大間隙小于0.0I Omm。9.如權利要求6所述的模壓模具裝置，其特征在于，所述上模具、下模具的模壓部分的端面設有倒角，以便于模壓過程中的排氣;所述內套筒的側壁開有通孔，保證內腔氣體在模壓過程中能夠排出;所述外套筒的側壁開有通孔，以便于排氣。10.如權利要求6所述的模壓模具裝置，其特征在于，通過外套筒的高度保證模壓深度。
【文檔編號】B01L3/00GK106040325SQ201610348151
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月24日
【發明人】吳燁嫻, 王濤, 陳兢
【申請人】蘇州含光微納科技有限公司