專利名稱：形成含玻璃的組合物的方法
形成含玻璃的組合物的方法 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求2007年2月28日提交的歐洲專利申請(qǐng)序列第07300836.9號(hào) 的優(yōu)先權(quán)。發(fā)明背景許多玻璃材料具有某些所需的性質(zhì)，包括化學(xué)和生物惰性、機(jī)械耐久性(長 久磨損性)、機(jī)械穩(wěn)定性或剛性和透明性。玻璃還能耐受熱沖擊或大的熱梯度。 這些性質(zhì)結(jié)合在一起使得玻璃成為一種用于許多應(yīng)用的有吸引力的材料。這些 應(yīng)用中的一種是微流體學(xué)。本文理解的微流體器件是包括流體通道或室的器件，所述流體通道或室通常具有至少一個(gè)、 一般具有多個(gè)亞毫米至毫米范圍的維度。部分地由于微流體 器件具有特征性的低的總過程流體容積和特征性的高的表面積/容積比，所以微流體器件可以用于以安全、有效和環(huán)境友好的方式進(jìn)行困難、危險(xiǎn)、或者甚 至在其他條件下不可能的化學(xué)反應(yīng)和過程，進(jìn)行的生產(chǎn)率為約100毫升/分鐘 的連續(xù)流，而且可以是明顯更高的。但是， 一些使玻璃對(duì)許多應(yīng)用具有吸引力的性質(zhì)，例如惰性和耐久性，以 及其他性質(zhì)例如硬度和脆性，使得玻璃難以成形。己經(jīng)通過化學(xué)或物理蝕刻獲得了由玻璃制成的微流體器件?？梢酝ㄟ^蝕刻 在玻璃基材中形成溝槽，這些溝槽例如可以用玻璃蓋密封。但是這些技術(shù)并不 完全令人滿意。各向同性化學(xué)蝕刻不能獲得顯著的長寬比，而物理蝕刻因?yàn)槠?高成本和有限的生產(chǎn)能力而難以實(shí)施。要封閉開放的溝槽，最常采用的附連或 密封蓋的技術(shù)是離子附連。但是這種技術(shù)昂貴，并且在一定程度上難以實(shí)施， 原因是其對(duì)灰塵高度敏感。而且，要提供高品質(zhì)密封，各層的表面必須極為平 坦。本發(fā)明的發(fā)明人和/或他們的合作人在以前的工作中已經(jīng)開發(fā)了在兩個(gè)或 更多個(gè)基材之間限定了凹槽或通道的、由結(jié)構(gòu)化的固結(jié)玻璃料形成的微流體器 件，如美國專利第6769444號(hào)"微流體器件及其制造"和相關(guān)專利或?qū)＠_文本所揭示的。這些文獻(xiàn)中揭示的方法包括各種步驟，包括提供第一基材， 提供第二基材，在所述第一基材的相向表面上形成第一玻璃料結(jié)構(gòu)，在所述第 二基材的相向表面上形成第二玻璃料結(jié)構(gòu)，使所述第一基材和所述第二基材以 及所述第一和第二玻璃料結(jié)構(gòu)固結(jié)在一起，使相向表面彼此相對(duì)，從而在所述 第一和第二基材之間形成一個(gè)或多個(gè)由固結(jié)玻璃料限定的凹槽或通道。在這種類型的器件中，由于固結(jié)玻璃料限定了流體通道，所以即使是使用非玻璃基材， 也可以用固結(jié)玻璃料的玻璃或玻璃-陶瓷材料對(duì)通道加襯。如國際專利公開W0 03/086958中揭示的制造玻璃微流體器件的另一種途 徑涉及將玻璃氣相沉積在臨時(shí)基材的表面上，該臨時(shí)基材的形狀作為要生產(chǎn)形 狀的負(fù)模。通過氣相沉積在表面上形成玻璃之后，通過濕蝕刻從玻璃去除臨時(shí) 基材。氣相沉積和蝕刻是較慢、昂貴和環(huán)境不友好的工藝。本發(fā)明的發(fā)明人和/或他們的合作人已經(jīng)開發(fā)了形成微流體器件的方法， 其中，真空形成玻璃薄片，在該片的相對(duì)各側(cè)產(chǎn)生交錯(cuò)的溝道結(jié)構(gòu)，然后通過 與一個(gè)或多個(gè)其他真空形成的片或平坦片熔合進(jìn)行封閉，如美國專利公開 2005/0241815中所示。雖然該文獻(xiàn)中揭示的方法適用于該文獻(xiàn)中描述的目的， 但是需要形成比這種真空形成技術(shù)所能夠?qū)崿F(xiàn)的更為精細(xì)和更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)， 包括尖銳的槽角(例如90° )以及更多種類的溝道形狀和尺寸。經(jīng)過許多年，還已經(jīng)將各種熱壓和熱成形技術(shù)用于各種應(yīng)用的玻璃成形。 在這些能夠形成精細(xì)或非常精細(xì)特征元件的技術(shù)中，大多數(shù)技術(shù)是困難的，要 求特別的設(shè)備，或者是昂貴的，或者對(duì)環(huán)境有影響。需要一種在玻璃中形成精 細(xì)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)而簡(jiǎn)單的可靠方法。發(fā)明概述本文所述是適用于生產(chǎn)例如微流體器件中的小特征元件的玻璃成形方法。 本文所述材料、方法和器件的優(yōu)點(diǎn)部分地在以下描述中提出，或者可以通過實(shí) 施以下描述的各方面而了解。通過所附權(quán)利要求中具體指出的各要素及各組 合，將認(rèn)識(shí)和實(shí)現(xiàn)以下所述的優(yōu)點(diǎn)。附圖簡(jiǎn)要說明

圖1顯示用于將含玻璃的組合物成形為成形制品的層疊系統(tǒng)。 圖2顯示正經(jīng)由傳送帶行進(jìn)通過烘箱的多個(gè)層疊系統(tǒng)。6圖3顯示設(shè)置于第一和第二結(jié)構(gòu)的表面之間、用于熱加工的含玻璃的組合 物的橫截面。圖4顯示設(shè)置于第一和第二結(jié)構(gòu)之間的含玻璃的組合物的橫截面，其中一 個(gè)結(jié)構(gòu)的表面穿透組合物。圖5顯示從模塑表面取下的已成形的含玻璃的組合物的橫截面以及模壓的脫模角。圖6顯示設(shè)置于兩個(gè)不同模塑表面之間、從而在兩側(cè)通過模壓生產(chǎn)成形制品的一定量的含玻璃的組合物的橫截面。圖7顯示一種玻璃片，在該片的一側(cè)上進(jìn)行四模塑表面壓制。 圖8顯示由設(shè)置在具有圖案化表面的對(duì)應(yīng)多個(gè)結(jié)構(gòu)之間的各種量的含玻璃的組合物構(gòu)成的層疊系統(tǒng)。圖9是說明本發(fā)明某些實(shí)施方式的多孔石墨結(jié)構(gòu)的照片。 圖IO是多孔石墨結(jié)構(gòu)和由模具生產(chǎn)的已成形玻璃片的照片。 圖11是已成形玻璃片的照片。圖12是通過將兩個(gè)已成形玻璃片壓制在一起組裝而成的樣品微流體器件 的照片，其中的灰色溝道是器件中的開放凹槽。圖13顯示壓制并熔合在硅晶片上的已成形玻璃片的照片。發(fā)明詳述在本說明書和以下的權(quán)利要求中，引用的各種術(shù)語具有以下定義 在本說明書中，除非文本中有其他要求，否則，"包括"、"包含"、"含有"將理解為表示包含規(guī)定的特征或步驟或者特征組或步驟組，但是不排除任何其他特征或步驟或者特征組或步驟組。必須注意的是，如本說明書和所附權(quán)利要求中所用，單數(shù)形式的"一個(gè)"、 "一種"、"該"包括復(fù)數(shù)形式的情況，除非文本中有清楚的相反指示。因此，例如"一種玻璃材料"包括兩種或更多種此類材料的混合物的情況，等等。在一個(gè)方面，制造含玻璃的微流體器件的方法包括提供一片剛性、不粘的材料，該材料具有圖案化的模塑表面； 提供第一用量的含玻璃材料；使第一用量的含玻璃材料接觸圖案化的模塑表面 將圖案化的模塑表面和第一用量的含玻璃材料壓制在一起；一用量的含玻璃材料的程度，從而在第一用量的含玻璃材料中復(fù)制該圖案 化的模塑表面，該第一用量的含玻璃材料形成含玻璃的第一成形制品； 將所述含玻璃的第一成形制品和至少兩個(gè)額外的含玻璃制品層疊； 通過熱處理將層疊的制品密封在一起，形成其中具有至少一個(gè)流體通道的 微流體器件。適用于本文的含玻璃材料是加熱時(shí)能轉(zhuǎn)化成粘性材料的任何含玻璃材料。 該含玻璃材料可以是玻璃料的形式，包括填充的玻璃料形式。該含玻璃材料還 可以是片的形式。該片的維度可以從幾百平方微米變化到最高幾平方分米，片 的厚度可以從幾百微米變化到最高幾厘米。該含玻璃材料可以包含透明玻璃 (vitreous glass)、玻璃陶瓷、或玻璃復(fù)合體。該玻璃復(fù)合體可以包含玻璃料和填料。該復(fù)合體可以通過密切混合玻璃料 和填料從而制備成玻璃料的形式。然后可以將形成的玻璃料復(fù)合體或填充的玻璃料直接用作本發(fā)明形成方法中的含玻璃材料，或者可以首先將其成形為玻璃 片。在這兩種情況中，都要求填料均勻分布或整合在復(fù)合體中。這樣有助于保 證整個(gè)玻璃片具有適度的一致性質(zhì)(例如平均熱導(dǎo)性)。以下將描述適用于本文 的某些玻璃料和填料。玻璃料是加熱時(shí)能夠轉(zhuǎn)化成粘性材料的任何玻璃材料。本文可以使用各種 材料。在一個(gè)方面，玻璃料包含Si02和至少一種其他堿金屬氧化物、堿土金屬 氧化物、過渡金屬氧化物、非金屬氧化物(例如鋁或磷的氧化物)，或它們的組 合。在另一個(gè)方面，玻璃料包含堿金屬硅酸鹽、堿土金屬硅酸鹽、或它們的組 合。適合用作玻璃料的材料的例子包括但并不限于硼硅酸鹽、含鋯的硼硅酸鹽、 或硼硅酸鈉。至于填料，要求填料對(duì)于玻璃料是接近惰性或完全惰性的，這樣才能保持 填料的熱性質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)。填料對(duì)于玻璃料是接近惰性或完全惰性時(shí)，在填料 /玻璃料基質(zhì)中，填料沒有反應(yīng)或反應(yīng)趨勢(shì)最小化，使得基本沒有發(fā)泡、形成 新相、破裂、或者干擾固結(jié)的任何其他過程。在這些情況下，可以產(chǎn)生孔隙率 最小化的復(fù)合體。通常還要求填料是基本無孔或具有最小的孔隙率，并且具有低表面積。在 燒結(jié)期間，填料不會(huì)象本領(lǐng)域中通常使用的有機(jī)化合物那樣燒盡。在熱加工期 間，填料能保持剛性、軟化、或者甚至熔化。在一個(gè)方面，填料的軟化點(diǎn)或熔點(diǎn)大于玻璃料的軟化點(diǎn)或熔點(diǎn)。根據(jù)填料的選擇，填料可以形成氧化物，這有 助于其整合至最終復(fù)合體中。填料能有利地提高復(fù)合體的平均熱導(dǎo)性。在一個(gè)方面，填料的平均熱導(dǎo)性大于或等于2W/m/K，大于或等于3沐/m/K，大于或等于4 W/m/K，或者大于或 等于5 W/m/K。適用于本文的填料的例子包括但并不限于碳化硅、氮化鋁、碳 化硼、氮化硼、溴化鈦、多鋁紅柱石、氧化鋁、銀、金、鉬、鎢、碳、硅、金 剛石、鎳、鉑、或它們的任意組合。填料的量可以根據(jù)所選玻璃料的種類、要求的平均熱導(dǎo)性等變化。在一個(gè) 方面，填料的量大于或等于復(fù)合體的5體積％。在另一個(gè)方面，填料的量為復(fù) 合體的15-60體積％。關(guān)于制造模具所用的材料，除了模具材料相對(duì)于玻璃的CTE/楊氏模量以 外，要考慮模具的孔隙率和化學(xué)穩(wěn)定性。關(guān)于孔隙率，模具最好具有一定程度 的孔隙率，使得熱加工期間產(chǎn)生的氣體能夠通過多孔模具逸出熔融玻璃而不會(huì) 夾帶在玻璃中。在一個(gè)方面，模具的開口孔隙率大于5%，即，模具的5體積％ 以上是開口的。在另一個(gè)方面，模具的開口孔隙率至少為10%。選擇模具材料時(shí)要考慮的另一個(gè)因素是，模具在升高的溫度下應(yīng)當(dāng)是化學(xué)穩(wěn)定的，尤其是在充分軟化玻璃復(fù)合體所要求的那些溫度下是化學(xué)穩(wěn)定的。本 文對(duì)模具材料使用的術(shù)語"化學(xué)穩(wěn)定的"定義為，將模具材料從惰性材料轉(zhuǎn)化為能與熔融玻璃相互作用的材料的耐受性。例如，雖然可以使用氮化硼，但是 氮化硼在超過70(TC的溫度下會(huì)轉(zhuǎn)化成氧化硼。氧化硼能與玻璃發(fā)生化學(xué)相互 作用，導(dǎo)致玻璃粘在模具上。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，氮化硼可以使用 但并非優(yōu)選。模具材料更有利地包含碳，最有利的是，模具材料包含多孔碳，例如卡本 洛林(Carbone Lorraine)制造的2450 PT級(jí)石墨。該等級(jí)石墨在300。C時(shí)的CTE 為25X10—7°C，開口孔隙率水平約為10%?？梢允褂肅NC機(jī)械加工、金剛石超 高速機(jī)械加工、放電機(jī)械加工、或它們的組合之類的技術(shù)來制造特殊的模塑表 面。模塑表面的設(shè)計(jì)可以根據(jù)要求的特征元件而變化。如下文將詳細(xì)討論的， 本文描述的方法允許使用具有高長寬比(高度/寬度大于3)以及絕對(duì)高度從幾 微米到最高幾毫米的模塑表面。絕對(duì)高度和長寬比并不限于單個(gè)數(shù)值，模塑表 面的各區(qū)可以各不相同。模塑表面可以具有多種不同的三維(3D)開槽結(jié)構(gòu)(例 如溝道、空腔)和凸起結(jié)構(gòu)(例如壁、柱)，這些結(jié)構(gòu)在微流體器件中是有利的。9而且，對(duì)于模具上的開槽或凸起結(jié)構(gòu)，可以有9(T的脫模角，下文將更具體地描述其相關(guān)性。以下參考附圖l描述生產(chǎn)含玻璃的成形制品的一種實(shí)施方式。將第一用量的含玻璃的組合物(在該情況中是片2的形式)設(shè)置在第一表面(例如第一結(jié)構(gòu)1 的平坦上表面12)和第二圖案化表面(例如第二結(jié)構(gòu)3的模塑表面H)之間。如 果含玻璃的組合物為片2的形式，則通常要求片2具有一定平坦度。第一表面 12和第二或模塑表面14可以由相同或不同的材料構(gòu)成。在一個(gè)方面，第一表 面12包含碳、氮化硼陶瓷、或其組合。在另一個(gè)方面，當(dāng)?shù)谝槐砻?2和第二 表面14由相同材料構(gòu)成時(shí)，該材料是碳，優(yōu)選為多孔碳，例如卡本洛林(Carbone Lorraine)制造的2450 PT級(jí)石墨。可任選使用脫模劑?？梢园凑找髮⒚撃┦┯糜诘诙砻?4、含玻璃的 組合物2、以及第一表面12中的任何一個(gè)上。施用的脫模劑的量可以變化。要 求第二表面14的材料和脫模劑具有類似的性質(zhì)，或者它們由類似材料構(gòu)成。 例如，第二表面或模塑表面14由石墨構(gòu)成時(shí)，有利的脫模劑是炭黑。向含玻璃的組合物2和第二表面14之間的界面施加壓力是有利的。這可 以通過置于第二結(jié)構(gòu)3頂部的負(fù)荷物4實(shí)現(xiàn)，從而幫助第二表面或模塑表面14 在加熱期間穿入含玻璃的組合物2中。第一結(jié)構(gòu)1、含玻璃的組合物2、第二 結(jié)構(gòu)3以及負(fù)荷物4 一起形成層疊系統(tǒng)10?？梢杂赡軌虺惺苌叩臏囟?即， 充分軟化含玻璃的組合物2所需要的溫度)的任何材料制備該負(fù)荷物。負(fù)荷物 重量可以根據(jù)含玻璃的組合物2的量或厚度以及要求的第二表面或^i塑表面14穿入該組合物中的量而變化。制備得到由第一結(jié)構(gòu)、含玻璃的組合物、第二結(jié)構(gòu)和任選的負(fù)荷物構(gòu)成的 層疊系統(tǒng)IO之后，將該層疊系統(tǒng)IO加熱至足以得到含玻璃的組合物2的粘性 流體的溫度。要進(jìn)行這種加熱，可以將層疊系統(tǒng)IO置于烘箱中。在加熱之前， 需要通過真空排除烘箱中的空氣，向烘箱中引入惰性氣體例如氮?dú)??？紤]可以 向烘箱中引入一個(gè)或多個(gè)層疊系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^傳送帶的方式向烘箱中引入一系列層疊系統(tǒng)，層疊系統(tǒng)可以包括 超過一種用量的含玻璃的組合物。該方面如圖2中所示，圖中，通過傳送帶22 在氮?dú)鈿夥障聦⒁幌盗袑盈B系統(tǒng)20輸送至烘箱21中，各層疊系統(tǒng)20包括六 種用量的含玻璃的組合物2。將層疊系統(tǒng)20傳遞至烘箱中的速率可以從1分鐘 變化至1小時(shí)。圖2中所示過程是用于由多種起始用量的含玻璃的組合物2生產(chǎn)大量成形制品的有效方法。例如，如果在2小時(shí)熱周期中以5米/小時(shí)的速 率將用量2構(gòu)成的層疊系統(tǒng)送入烘箱中，而且烘箱長度為12米，則該烘箱每 小時(shí)可以熱加工60個(gè)層疊系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)于每小時(shí)生產(chǎn)600個(gè)成形制品。
圖3顯示沒有負(fù)荷物的層疊系統(tǒng)10的橫截面圖。如圖4中所示，對(duì)于第 二結(jié)構(gòu)3，當(dāng)成形完成時(shí)，第二表面或模塑表面14中可以有一個(gè)或多個(gè)區(qū)或者 一個(gè)或多個(gè)特征元件31接觸第一結(jié)構(gòu)的第一表面。該區(qū)或特征元件31 (在該情 況中為與第二或圖案化表面14的周邊間隔的區(qū)的形式)在圖中的垂直方向上與 表面14的大部分形成足夠大的距離，從而能夠在熱加工時(shí)穿透含玻璃的組合 物2，在成形制品51中形成通孔16，如圖5中所示。區(qū)31的形狀可以是任何 形狀，例如圓形、矩形或橢圓形。熱加工期間通孔的形成避免了在成形制品中 鉆孔，而鉆孔工藝是昂貴的，而且會(huì)損壞或破壞該成形制品。作為第二結(jié)構(gòu)3 的圖案化第二表面或模塑表面14的另一個(gè)任選特征元件，第二結(jié)構(gòu)3還有一 個(gè)區(qū)在成形完成時(shí)接觸第一結(jié)構(gòu)的第一表面12，區(qū)32位于圖案化第二表面14 的周邊，任選包圍第二結(jié)構(gòu)3的圖案化第二表面14。這些周圍的凸起區(qū)可以作 為止流器，防止熔融玻璃從結(jié)構(gòu)1和3之間逃逸。這種止流器還有助于保證玻 璃在加工期間具有均勻的厚度和一致性。
如圖3中所示，在結(jié)構(gòu)3的表面14上具有多個(gè)凸起區(qū)33，它們最終在含 玻璃的組合物中形成成形特征元件。參考圖4，加熱時(shí)，含玻璃的組合物轉(zhuǎn)化 成軟化或粘性狀態(tài)，這時(shí)區(qū)31和33穿透含玻璃的組合物。圖5顯示加工以及 從表面14脫離之后的成形制品51。
層疊系統(tǒng)10或20的熱加工溫度和持續(xù)時(shí)間可以在包括但不限于以下的幾 個(gè)參數(shù)中變化含玻璃的組合物的粘性、表面14的長寬比、以及表面14的復(fù)
雜性。制造玻璃模塑表面的典型技術(shù)限于短加熱時(shí)間，從而防止熔融玻璃粘在 表面上。這導(dǎo)致形成簡(jiǎn)單的模塑表面。本文所述的方法能避免熔融玻璃在加工 期間粘在模塑表面上。因此，本文所述的方法可以采用較長的加熱時(shí)間，從而 允許軟化的含玻璃的組合物穿透復(fù)雜模塑表面的各開口。這最終導(dǎo)致形成更復(fù) 雜的含玻璃的成形制品。因此可以將層疊系統(tǒng)加熱從1分鐘至1小時(shí)或者甚至 更長時(shí)間，這種時(shí)間范圍比現(xiàn)有熱成形技術(shù)要寬得多。
加熱步驟之后，使層疊系統(tǒng)緩慢冷卻至至少IO(TC，隨著時(shí)間冷卻至室溫 是有利的。本文所述的方法不僅能防止軟化的含玻璃的組合物粘在一個(gè)或多個(gè) 模塑表面上，而且本文所述的方法允許含玻璃的組合物和模塑表面一起緩慢冷卻，不會(huì)使玻璃凍結(jié)(即粘合)在模塑表面上。通過緩慢冷卻，可以防止第二結(jié) 構(gòu)和模塑表面中形成裂縫，使得第二結(jié)構(gòu)及其模塑表面可以再次使用。而且， 由于模塑表面不會(huì)粘住成形制品，所以可以用手從成形制品上去除第二結(jié)構(gòu)及 其模塑表面，而不需要使用本領(lǐng)域中常用的技術(shù)例如蝕刻。這對(duì)于生產(chǎn)成本和 成形制品的總體品質(zhì)具有明顯效果。
如上所述，本文所述的方法能夠生產(chǎn)具有復(fù)雜和細(xì)節(jié)化特征元件的含玻璃 的成形制品。例如，模塑表面可以具有多個(gè)能夠穿透含玻璃的組合物的區(qū)，穿
透深度大于100微米，寬度大于100微米。在另一個(gè)方面，深度可以為100微 米至10毫米，寬度可以為IOO微米至IO毫米。在另一個(gè)方面，模塑表面的長 寬比大于3，所述長寬比是表面14中的區(qū)或特征元件的高度(在圖中的垂直方 向上)與該區(qū)或特征元件寬度之比。參見圖5，在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，脫模角52為105 ° 。使用以前所知技術(shù)時(shí)，90°的脫模角一般是不可能的，原因是含玻璃的組 合物會(huì)粘在模塑表面上。但是由于本文所述的方法避免了含玻璃的組合物與模 塑表面之間的粘著，所以接近90。的脫模角是可能的。而且，高長寬比以及接 近90°的脫模角也是可能的。而且，由于軟化的含玻璃的組合物不會(huì)粘在模塑 表面上，所以較長的加熱時(shí)間是可能的，這導(dǎo)致長寬比增大以及脫模角接近90 ° 。這對(duì)于某些應(yīng)用例如微流體器件是有利的。
雖然圖1中第一結(jié)構(gòu)的第一表面12是平坦的，但是第一表面12也可以具 有圖案化表面。參見圖6，將含玻璃的組合物60插入第一結(jié)構(gòu)61和第二結(jié)構(gòu) 62之間。在該方面，第一和第二結(jié)抅61和62的第一和第二表面12和14都是 圖案化的，它們?cè)谕蛊饏^(qū)的數(shù)量和維度方面不同。熱加工之后，產(chǎn)生含玻璃的 成形制品63，該成形制品的各側(cè)具有模塑表面壓痕。因此，含玻璃的成形制品 的各側(cè)上可以具有相同或不同的壓痕。
在另一個(gè)方面，可以在含玻璃的組合物的相同表面上設(shè)置兩個(gè)或更多個(gè)第 一或第二結(jié)構(gòu)，其中這些結(jié)構(gòu)包括相同或不同的圖案化表面。在圖7中，含玻 璃的成形制品70由4個(gè)第二結(jié)構(gòu)形成，形成的圖案中，71和73是相同的，72 和74是相同的。根據(jù)特定量的含玻璃的組合物的橫向范圍，以及根據(jù)用于圖 案化的一種或多種結(jié)構(gòu)，可以放置多種結(jié)構(gòu)，各結(jié)構(gòu)具有模塑表面，使各結(jié)構(gòu) 在含玻璃的組合物的表面上并排設(shè)置，并對(duì)形成的層疊進(jìn)行熱加工。
上述技術(shù)還可用于同時(shí)制造多個(gè)(即，兩個(gè)或更多個(gè))含玻璃的成形制品。 在一個(gè)方面，該方法包括提供具有第一表面的第一結(jié)構(gòu)；
提供具有第二表面以及與該第二表面相反的表面的第二結(jié)構(gòu)，所述第二表 面是圖案化和多孔的；
在所述第一表面和所述第二表面之間設(shè)置第一用量的含玻璃的組合物； 提供具有第三表面的第三結(jié)構(gòu)，在所述第三表面以及與所述第二表面相反
的表面之間設(shè)置第二用量的含玻璃的組合物，所述相反表面和第三表面中的一 個(gè)是圖案化的；
將第一、第二和第三結(jié)構(gòu)以及第一用量和第二用量的含玻璃的組合物一起 加熱至足以軟化第一用量和第二用量的含玻璃的組合物的程度，使得第一和第 二結(jié)構(gòu)、以及第二和第三結(jié)構(gòu)在重力或以其他方式施加的力的作用下彼此相向 運(yùn)動(dòng)，使得第一用量的組合物形成第一成形制品，第二用量的組合物形成第二 成形制品，各成形制品通過對(duì)應(yīng)的圖案化表面加以圖案化。
參見圖8，各種量的含玻璃的組合物81、 83、 85、 87和89設(shè)置或夾在結(jié) 構(gòu)80和結(jié)構(gòu)82、 84、 86、 88和90之間。對(duì)于結(jié)構(gòu)82、 84、 86和88的情況， 各結(jié)構(gòu)具有不同的圖案化表面。因此，可以由一個(gè)層疊系統(tǒng)生產(chǎn)多個(gè)含玻璃的 成形制品。如圖8中所示，在熱加工和去除成形制品之后生產(chǎn)了 5個(gè)成形制品 91、 93、 95、 97和99。如上所述，可以在短時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)大量成形制品。雖然 結(jié)構(gòu)82、 84、 86和88各自具有兩個(gè)相同的圖案化表面，但是考慮可以層疊具 有兩個(gè)以上不同表面的結(jié)構(gòu)，從而同時(shí)生產(chǎn)多個(gè)不同成形制品。
通過本文所述方法生產(chǎn)的含玻璃的成形制品可用于生產(chǎn)微流體器件例如 微型反應(yīng)器?？梢詫盈B和密封具有協(xié)作相向結(jié)構(gòu)的多個(gè)成形制品。在一個(gè)方面， 可以在升高的溫度下在空氣中密封層疊的成形制品。加熱溫度和持續(xù)時(shí)間將根 據(jù)制造成形制品所用的材料變化。加熱持續(xù)時(shí)間長到足以保證在接觸的各成形 制品之間形成完全密封。對(duì)于微型反應(yīng)器的情況，完全密封是很重要的，從而 保證系統(tǒng)沒有反應(yīng)物滲漏，并保持微型反應(yīng)器的內(nèi)壓。
由于成形制品的兩側(cè)都可以是結(jié)構(gòu)化的，而且結(jié)構(gòu)化的程度互相獨(dú)立，所 以本方法盡可能減少了制造玻璃微流體器件或微型反應(yīng)器所需要的玻璃組件 數(shù)量，尤其是對(duì)具有多個(gè)層的玻璃微型反應(yīng)器而言。
在另一個(gè)方面，要求將含玻璃的成形制品附連至非玻璃基材。例如，將含 玻璃的成形片密封至高熱導(dǎo)性基材能夠增加所得微型反應(yīng)器的熱傳導(dǎo)。在一個(gè) 方面，用于基材的材料的CTE與形成含玻璃的組合物的材料的CTE類似，并且
13可以承受加工溫度。本文適用的基材的例子包括但并不限于硅、碳化硅、氧化鋁、金屬等。在一個(gè)方面，將玻璃模具附連在基材上的方法包括提供具有第一表面的第一結(jié)構(gòu)；
提供具有第二表面的第二結(jié)構(gòu)，所述第二表面是圖案化和多孔的；在所述第一表面和所述第二表面之間設(shè)置第一用量的含玻璃的組合物；
將第一和第二結(jié)構(gòu)、以及第一用量的組合物一起加熱至足以軟化第一用量的組合物的程度，使得第一和第二結(jié)構(gòu)在重力或以其他方式施加的力的作用下
彼此相向運(yùn)動(dòng)，從而在第一用量的組合物中形成第二表面的圖案；
其中，加熱步驟包括使所述第一用量的含玻璃的組合物熔合至所述第一表面，導(dǎo)致第一用量的含玻璃的組合物與第一結(jié)構(gòu)一起形成含玻璃的成形制品。
實(shí)施例
制造模塑表面
通過從石墨塊片材(由 Carbone Lorraine 41 ， rue JeanJaur6s-Genneviliers，法國制造的C25級(jí)石墨)進(jìn)行CNC機(jī)械加工，形成具有表面14的結(jié)構(gòu)3，從而制造模塑表面14，例如圖9中所示。該等級(jí)石墨在300。C時(shí)的熱膨脹系數(shù)為33X10—7°C，開口孔隙率水平約為10%，使得在加工期間氣體能逸出玻璃，防止形成氣泡。圖9中所示模具表面設(shè)計(jì)是微型反應(yīng)器中所用的代表性結(jié)構(gòu)。在此，模具的特征元件高度為100微米至1.5毫米，寬度為100微米至7毫米。參見圖9，模具具有蜿蜒的結(jié)構(gòu)(高度二l毫米，寬度二4毫米)，是對(duì)應(yīng)于混合器區(qū)的一種多部分結(jié)構(gòu)，以及一些各種長寬比的柱和同心圓。
制備模塑玻璃片
參見圖1，將如圖9中所示的具有圖案化第二表面14的第二結(jié)構(gòu)3置于Borofloat 玻璃片形式的含玻璃的組合物2上。該玻璃片由第一結(jié)構(gòu)1的第一表面12支撐。該第一和第二結(jié)構(gòu)都由碳形成。將由NS30耐火金屬機(jī)械加工得到的金屬砝碼形式的負(fù)荷物4置于第二結(jié)構(gòu)3的頂部，從而增大圖案化表面14的特征元件或區(qū)在加熱期間穿入玻璃中的速率。砝碼的質(zhì)量和直徑為1. 5千克和100毫米。本過程的一個(gè)特別價(jià)值在于，不需要大的壓力，因?yàn)橹亓秃?jiǎn)單的砝碼就能提供良好的結(jié)果。具體地說，模塑表面和含玻璃的組合物之間的壓力優(yōu)選小于100千帕，更優(yōu)選小于10或者甚至1千帕。將層疊組件10裝入烘箱中，在氮?dú)饬飨录訜?。在引入氮?dú)庵?，通過真
空排出烘箱中的空氣。爐溫在2小時(shí)內(nèi)升高至900'C，使玻璃片粘性變形至表面14的凹槽中。保持1小時(shí)，然后在5小時(shí)內(nèi)冷卻至室溫。手工拆開第一和第二結(jié)構(gòu)以及玻璃成形片。圖10和ll顯示由上述過程形成的Borofloat玻璃成形片51(3.5毫米厚度)。模塑表面14的所有特征元件、甚至最復(fù)雜的特征元件，都完美地復(fù)制在玻璃表面上。而且，由圖11可知，甚至對(duì)應(yīng)于模具上因?yàn)镃NC設(shè)備的工具動(dòng)作導(dǎo)致的模具機(jī)械加工缺陷的特征元件53都?jí)褐频讲Ａ砻嫔?。組裝微流體器件
要制造微流體組件57，在80(TC、在空氣中將以上過程制造的兩個(gè)玻璃成形片密封在一起。參見圖12，蜿蜒特征元件(深色)形式的流體通路55的高度為2毫米，寬度為4毫米。該組件能承受約60巴的壓力值。沒有觀察到密封界面發(fā)生強(qiáng)度變差的情況。
圖13顯示第二成形制品的照片。該樣品通過以上相同過程但是使用硅晶片作為與Borofloat玻璃片接觸的具有第一表面的第一結(jié)構(gòu)而獲得。
由本文所述步驟生產(chǎn)的三個(gè)或更多個(gè)成形制品組裝制得的微流體器件、尤其是如果所有通孔都作為最初形成方法的一部分而形成時(shí)，這種微流體器件具有特殊的價(jià)值。例如，可以將成形結(jié)構(gòu)91、 93、 95、 97和99層疊和密封在一起，形成多層微流體器件。
權(quán)利要求
1.一種形成含玻璃的物品的方法，該方法包括提供具有第一表面的第一結(jié)構(gòu)；提供具有第二表面的第二結(jié)構(gòu)，所述第二表面是圖案化和多孔的；在所述第一表面和所述第二表面之間設(shè)置第一用量的含玻璃的組合物；將第一和第二結(jié)構(gòu)以及第一用量的組合物一起加熱至足以軟化第一用量的組合物的程度，使得第一和第二結(jié)構(gòu)在重力或以其他形式施加的力的作用下彼此相向運(yùn)動(dòng)，從而在第一用量的組合物中形成第二表面的圖案；將第一和第二結(jié)構(gòu)以及第一用量的組合物一起冷卻至足以穩(wěn)定第一用量的組合物以及在第一用量的組合物中形成的圖案的程度，其中，第二結(jié)構(gòu)包含開口孔隙率至少為5％的多孔碳，該方法還包括從第二表面去除第一用量的組合物，而不損壞第一用量的組合物或第二表面，使得所述第二表面可以再次使用，第一用量的組合物形成第一成形制品。
2. 如權(quán)利要求l所迷的方法，其特征在于，所述第一用量的組合物包含由透 明玻璃構(gòu)成的玻璃。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述組合物包含含有玻璃-陶瓷 的玻璃。
4. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述組合物包含含有玻璃復(fù)合體 的玻璃。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述玻璃復(fù)合體包含陶瓷填充的 玻璃。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述陶瓷包含氧化鋁。
7. 如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述第一用量的含玻 璃的組合物為片的形式。
8. 如權(quán)利要求l-6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述第一用量的含玻 璃的組合物為玻璃料的形式。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述含玻璃的組合物為填充的玻 璃料的形式。
10. 如權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述第一用量的組合物不 含有機(jī)粘結(jié)劑。
11. 如權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述冷卻步驟包括 至少冷卻到IO(TC。
12. 如權(quán)利要求1-11中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述加熱步驟在惰 性氣氛中進(jìn)行。
13. 如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述加熱步驟在大氣壓下進(jìn)行。
14. 如權(quán)利要求1-13中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述第一表面是圖 案化的。
15. 如權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述加熱步驟包括 第一和第二結(jié)構(gòu)彼此相向運(yùn)動(dòng)直至第二結(jié)構(gòu)的圖案化表面的一個(gè)或多個(gè)區(qū)接觸第 一表面。
16. 如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述一個(gè)或多個(gè)區(qū)包括與第二 結(jié)構(gòu)的圖案化表面的周邊間隔的區(qū)，從而在第一成形制品中形成一個(gè)或多個(gè)通孔。
17. 如權(quán)利要求15或16所述的方法，其特征在于，所述一個(gè)或多個(gè)區(qū)包括 位于第二結(jié)構(gòu)的圖案化表面的周邊的區(qū)。
18. 如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，位于第二結(jié)構(gòu)的圖案化表面的 周邊的區(qū)包圍第二結(jié)構(gòu)的圖案化表面。
19. 如權(quán)利要求1-18中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述第二結(jié)構(gòu)具有 與所述第二表面相反的表面，所述方法還包括提供具有第三表面的第三結(jié)構(gòu)，在所 述第三表面和與所述第二表面相反的表面之伺設(shè)置第二用量的含玻璃的組合物，將 第一、第二和第三結(jié)構(gòu)以及第一和第二用量的含玻璃的組合物一起加熱至足以軟化 第一和第二用量的含玻璃的組合物的程度，使得第一和第二結(jié)構(gòu)以及第二和第三結(jié)構(gòu)在重力或以其他方式施加的力的作用下彼此相向運(yùn)動(dòng)，所述第二用量的組合物形 成第二成形制品。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述相反表面和第三表面中的 至少一個(gè)表面是圖案化的。
21. 如權(quán)利要求1-20中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述第一結(jié)構(gòu)包含 開口孔隙率至少為5%的多孔碳。
22. 如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，還包括連接所述第一和第二成 形制品，形成具有至少一個(gè)內(nèi)部通道的含玻璃物品。
23. 如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述連接步驟包括在第一和第 二成形制品接觸的情況下一起加熱這兩個(gè)成形制品。
24. 如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述連接步驟包括將第一和第 二成形制品與設(shè)置在這兩個(gè)成形制品之間的玻璃料一起加熱，從而在所述第一和第 二成形制品之間形成玻璃料連接或密封。
25. 如權(quán)利要求1-24中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，還包括在第一用量 的組合物以及第一和第二表面之間提供脫模劑。
26. 如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，所述脫模劑包括炭黑。
27. 如權(quán)利要求1-26中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述第一結(jié)構(gòu)包含 開口孔隙率至少為10%的多孔碳，所述方法還包括從第一表面去除第一用量的組合 物，而不損壞第一表面，使所述第一表面可以再次使用。
28. 如權(quán)利要求1-15中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，加熱步驟包括將所 述第一用量的含玻璃的組合物熔合至所述第一表面，所述第一成形制品還包含所述 第一結(jié)構(gòu)。
29. 如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，還包括將所述第一成形制品連 接至第二制品，形成具有至少一個(gè)內(nèi)部通道的含玻璃物品。
30. 如權(quán)利要求1-29中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述重力或以其他 方式施加的力施加小于100千帕的壓力。
全文摘要
本發(fā)明揭示了模塑玻璃和玻璃復(fù)合體的方法，包括提供具有第一表面的第一結(jié)構(gòu)，提供具有第二表面的第二結(jié)構(gòu)，該第二表面是圖案化和多孔的，在第一和第二表面之間設(shè)置一定量的含玻璃的組合物，然后將第一和第二結(jié)構(gòu)以及第一用量的組合物一起加熱至足以軟化第一用量的組合物的程度，使得第一和第二結(jié)構(gòu)在重力或以其他方式施加的力的作用下彼此相向運(yùn)動(dòng)，從而在第一用量的組合物中形成第二表面的圖案，然后將該組合物冷卻至足以穩(wěn)定該組合物的程度，該第二結(jié)構(gòu)包含開口孔隙率至少為5％的多孔碳，該一定量的組合物能夠從第二表面去除，而不損壞該一定量的組合物或第二表面，使得該第二表面可以再次使用。
文檔編號(hào)C03B11/08GK101668710SQ200880013573
公開日2010年3月10日 申請(qǐng)日期2008年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月28日
發(fā)明者C·W·坦納, G·P·馬克斯, R·M·莫倫納, T·L·達(dá)努克斯 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司