本發(fā)明涉及微流控芯片領(lǐng)域，尤其涉及一種t型截面微流控模具的制備方法及裝置。

背景技術(shù)：

微流控芯片被公認(rèn)為是21世紀(jì)最為重要的前沿技術(shù)之一,forbes雜志創(chuàng)刊85周年的特刊上將芯片實(shí)驗(yàn)室列為15件影響人類未來(lái)的最重要的發(fā)明之一。

它的使用也與我們的生活的方方面面息息相關(guān),如新藥物的合成與篩選、以及食品和商品檢驗(yàn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、刑事科學(xué)、軍事科學(xué)和航天科學(xué)等其他重要應(yīng)用領(lǐng)域而成為其中一個(gè)最重要的研究領(lǐng)域間。

傳統(tǒng)的微流控芯片主要以硅片或玻璃為材料制作微流道，存在制作設(shè)備昂貴、加工成本高、制作周期長(zhǎng)、難以得到高深寬比結(jié)構(gòu)以及硅芯片不透明等問(wèn)題，可以通過(guò)模塑法、熱壓法進(jìn)行大批量復(fù)制，從而大大提高了制作效率、降低了制作成本。

微通道成形模具具有較高的精度和技術(shù)指標(biāo)要求。常用的模具材料可以分為金屬(包括銅、鎳等)和非金屬(包括硅、玻璃等)兩種。非金屬材料的模具由于其壽命較短,適合實(shí)驗(yàn)室和科研單位小批量生產(chǎn)的需要。而金屬模具以其較長(zhǎng)的使用壽命和突出的經(jīng)濟(jì)性適應(yīng)大批量生產(chǎn)制造的需要,得到發(fā)展。

微尺度流動(dòng)通常具有如下幾個(gè)典型特征：雷諾數(shù)很小，流動(dòng)狀態(tài)表現(xiàn)為層流，傳熱、傳質(zhì)由于對(duì)流混合作用微弱而變得相對(duì)不易；液體表面張力作用顯著，有時(shí)處于主導(dǎo)地位；流動(dòng)速度梯度較大，粘性力變得重要，慣性力則相對(duì)變得不再重要；表面積與體積比大，熱慣性小，界面電效應(yīng)變得突出。這些特征使得微流體需要全新的研究方法，也有了不同于常規(guī)尺度流動(dòng)的研究?jī)?nèi)容與目標(biāo)。

當(dāng)通道的特征尺寸在微米甚至納米量級(jí)時(shí)，通道表面積與其內(nèi)部空間的體積之比很大，通道的結(jié)構(gòu)、形狀和壁面性質(zhì)都將對(duì)其中的流體流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生極大的影響。如何設(shè)計(jì)并制造出結(jié)構(gòu)合理、尺寸精確、壁面性質(zhì)可控的微通道，是控制微流體的前提。

微流控系統(tǒng)中流體需要在一定尺寸和結(jié)構(gòu)的微通道中以一定的方式進(jìn)行流動(dòng)，以達(dá)到傳熱、傳質(zhì)和動(dòng)量傳輸?shù)哪康?。因此微通道是微流控系統(tǒng)的核心部分。

微流道是待檢測(cè)液體流經(jīng)且進(jìn)行混合反應(yīng)的區(qū)域，可以根據(jù)待檢測(cè)的液體、檢測(cè)條件、檢測(cè)預(yù)期的結(jié)果選擇微流道的截面形狀。

微流道的重要作用是在較少壓力損失狀態(tài)下保證液體的流動(dòng)。作為顯示微流道效率的指標(biāo)之一是截面形狀中內(nèi)接圓直徑面積。內(nèi)接圓面積越大，流過(guò)的液體面積越大，因此能夠保證待檢測(cè)液體更加順暢地流動(dòng)。

1)有人提出用液態(tài)澆鑄法制備軟模板。其特征是使pdms液體填充有特征圖形的母版，之后將其固化，與母版剝離，即得到獨(dú)立的pdms軟模板。其工藝過(guò)程主要是先進(jìn)行模板基片的選材、清洗，然后進(jìn)行旋涂光刻膠，靜置一段時(shí)間之后前烘、進(jìn)行電子束曝光，曝光之后進(jìn)行后烘，然后在顯影液中進(jìn)行顯影，最后堅(jiān)膜。然后澆注pdms，待pdms穩(wěn)定后脫模即可得到軟模板，即模具。

2)利用電沉積技術(shù)制作微流控芯片模具。方法是：使用新型超厚光刻膠su-8膠作近紫外光刻，并在光刻后的圖案上電沉積金屬ni之后去膠，最終獲得金屬模具。

3)利用熱壓印法的三個(gè)工藝過(guò)程(壓模制備、壓印過(guò)程、圖形轉(zhuǎn)移)來(lái)進(jìn)行制備模具，其基本概念是用電子束刻印術(shù)或其他先進(jìn)技術(shù)，把堅(jiān)硬的壓模毛坯加工成一個(gè)壓模；然后再用來(lái)繪制納米圖案的基片上旋涂一層聚合物薄膜，將其放入壓印機(jī)加熱并且把壓模壓在基片上的聚合物薄膜上加壓，再把溫度降低到聚合物玻璃化溫度以下，最后把壓模與聚合物層相分離，就在基片上做出了凸起的聚合物圖案(還要稍作腐蝕除去凹洼處殘留的聚合物)；圖形轉(zhuǎn)移是對(duì)上一步做成的壓印件，用常規(guī)的圖形技術(shù)，把基片上的聚合物圖案轉(zhuǎn)換成所需材質(zhì)的圖案。

但是這些現(xiàn)有技術(shù)分別對(duì)應(yīng)有以下缺點(diǎn)：

1)軟模板的液態(tài)澆鑄法雖然易于實(shí)現(xiàn)，成本比較低，但在納米尺度下，傳統(tǒng)的液態(tài)澆注已經(jīng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)pdms進(jìn)入孔洞的過(guò)程，其原因是pdms由于黏度過(guò)大，無(wú)法自然填充納米級(jí)特征圖形，故無(wú)法實(shí)現(xiàn)圖形的轉(zhuǎn)移。

2)由于su-8膠近紫外光刻時(shí)側(cè)壁與基底難免有一定的傾斜角度(3°-5°)，這對(duì)于模具的制作將產(chǎn)生不利于熱壓或澆注后拔模的斜度，而且該法要電鑄出基板，電鑄的工作量大。此外，由于模具的工作面是依靠電鑄后分型獲得，表面質(zhì)量較難控制。

3)溝道與基板不是一體結(jié)構(gòu)，兩者之間的結(jié)合力不是特別好，需要特殊處理。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種t型截面微流控模具的制備方法及裝置，制備出微結(jié)構(gòu)t型流道，能夠保證待檢測(cè)液體更加順暢地流動(dòng)，以達(dá)到傳熱、傳質(zhì)和動(dòng)量傳輸?shù)哪康?。此外，本發(fā)明實(shí)施例便于從模具中脫模，在微流道側(cè)面設(shè)置角度效果更佳。

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種t型截面微流控模具的制備方法，包括：

通過(guò)電火花放電對(duì)工件進(jìn)行加工，制備出具有t型微流控流道的工件；

對(duì)具有t型微流控流道的工件進(jìn)行微電鑄加工和脫模加工獲得t型截面微流控模具。

優(yōu)選地，所述通過(guò)電火花放電對(duì)工件進(jìn)行加工，制備出具有t型微流控流道的工件具體包括：

將工具電極與工件被加工表面之間按照預(yù)設(shè)的間隙設(shè)置；

加載脈沖電源至工具與工件之間，使得工具與工件之間產(chǎn)生脈沖性火花放電，直到工件上加工出t型微流控流道。

優(yōu)選地，所述加載脈沖電源至工具與工件之間，使得工具與工件之間產(chǎn)生脈沖性火花放電，直到工件上加工出t型微流控流道具體為：

加載脈沖電源至工具與工件之間，使得工具與工件之間產(chǎn)生脈沖性火花放電，通過(guò)自動(dòng)進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置控制工具按照所述預(yù)設(shè)的間隙在工件被加工表面上運(yùn)動(dòng)，直到工件上加工出t型微流控流道。

優(yōu)選地，所述將工具電極與工件被加工表面之間按照預(yù)設(shè)的間隙設(shè)置之后還包括：

將工具的頭部和工件浸沒(méi)在具有絕緣性能的工作液中，并通過(guò)備用工作液、工作液泵和帶過(guò)濾器的管道對(duì)工作液進(jìn)行循環(huán)過(guò)濾。

優(yōu)選地，所述對(duì)具有t型微流控流道的工件進(jìn)行微電鑄加工和脫模加工獲得t型截面微流控模具具體包括：

對(duì)具有t型微流控流道的工件進(jìn)行通電，使得工件被加工表面上產(chǎn)生電沉積；

對(duì)已產(chǎn)生電沉積的工件進(jìn)行脫模處理，獲得t型截面微流控模具。

優(yōu)選地，所述對(duì)具有t型微流控流道的工件進(jìn)行微電鑄加工和脫模加工獲得t型截面微流控模具之后還包括：

通過(guò)砂輪將t型截面微流控模具的工作面進(jìn)行拋光至光滑，防止壓力損失。

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種t型截面微流控模具的制備裝置，包括：電火花加工系統(tǒng)、微電鑄系統(tǒng)和脫模系統(tǒng)；

所述電火花加工系統(tǒng)包括：脈沖電源、工具、工件；

所述脈沖電源連接所述工具和所述工件，用于輸出脈沖電流至所述工具和所述工件；

所述工具設(shè)置于所述工件的被加工表面一側(cè)，所述工具成倒梯形，所述工具的寬度比所述工件少預(yù)設(shè)的長(zhǎng)度值；

所述微電鑄系統(tǒng)包括微電鑄電源、正極板；

所述微電鑄電源的正極連接正極板，所述微電鑄電源的負(fù)極連接經(jīng)過(guò)電火花加工系統(tǒng)加工的具有t型微流控流道的工件；

所述脫模系統(tǒng)用于對(duì)經(jīng)過(guò)微電鑄加工的工件進(jìn)行脫模處理獲得t型截面微流控模具。

優(yōu)選地，所述電火花加工系統(tǒng)還包括自動(dòng)進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置；

所述自動(dòng)進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置連接所述工具，用于控制所述工具運(yùn)動(dòng)使得所述工具與所述工件的被加工表面之間的間隙保持為預(yù)設(shè)的間隙。

優(yōu)選地，所述電火花加工系統(tǒng)還包括工作液；

所述工具的頭部和所述工件浸沒(méi)在所述工作液中，所述工具的頭部為靠近所述工件的部分；

所述工作液具體為具有絕緣性能的工作液。

優(yōu)選地，所述電火花加工系統(tǒng)還包括工作液循環(huán)過(guò)濾裝置；

所述工作液循環(huán)過(guò)濾裝置包括備用工作液、工作液泵和加液管道、放液管道；

所述加液管道和所述放液管道分別連接所述工作液和所述備用工作液；

所述加液管道上設(shè)置有所述工作液泵和過(guò)濾器。

從以上技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種t型截面微流控模具的制備方法及裝置，通過(guò)通過(guò)電火花放電對(duì)工件進(jìn)行加工，制備出具有t型微流控流道的工件；對(duì)具有t型微流控流道的工件進(jìn)行微電鑄加工和脫模加工獲得t型截面微流控模具，能夠保證待檢測(cè)液體更加順暢地流動(dòng)，以達(dá)到傳熱、傳質(zhì)和動(dòng)量傳輸?shù)哪康?，同時(shí)便于從模具中脫模，在微流道側(cè)面設(shè)置角度效果更佳。此外，電火花放電適合于任何難切削導(dǎo)電材料的加工，可以加工特殊及復(fù)雜形狀的表面和零件。采用特殊水基不燃性工作液進(jìn)行電火花放電，其生存率不亞于切削加工。加工范圍可達(dá)到幾微米的小軸、孔、縫，大到幾米的超大型模具和零件。微電鑄容易制備出復(fù)雜形狀的零件，尺寸精度高，芯模表面可有精確復(fù)制，便于批量生產(chǎn)。t型模具便于脫模。另外，使用砂輪將模具工作面進(jìn)行拋光至光滑，防止壓力損失。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種t型截面微流控模具的制備方法的一個(gè)實(shí)施例的示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種t型截面微流控模具的制備方法的另一個(gè)實(shí)施例的示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中電火花放電的示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中微電鑄系統(tǒng)和微電鑄及脫模過(guò)程的示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中微電鑄流程圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種t型截面微流控模具的制備方法及裝置，制備出微結(jié)構(gòu)t型流道，能夠保證待檢測(cè)液體更加順暢地流動(dòng)，以達(dá)到傳熱、傳質(zhì)和動(dòng)量傳輸?shù)哪康?。此外，本發(fā)明實(shí)施例便于從模具中脫模，在微流道側(cè)面設(shè)置角度效果更佳。

為使得本發(fā)明的發(fā)明目的、特征、優(yōu)點(diǎn)能夠更加的明顯和易懂，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，下面所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而非全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種t型截面微流控模具的制備方法的一個(gè)實(shí)施例，包括：

101：通過(guò)電火花放電對(duì)工件進(jìn)行加工，制備出具有t型微流控流道的工件；

102：對(duì)具有t型微流控流道的工件進(jìn)行微電鑄加工和脫模加工獲得t型截面微流控模具。

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種t型截面微流控模具的制備方法及裝置，通過(guò)通過(guò)電火花放電對(duì)工件進(jìn)行加工，制備出具有t型微流控流道的工件；對(duì)具有t型微流控流道的工件進(jìn)行微電鑄加工和脫模加工獲得t型截面微流控模具，能夠保證待檢測(cè)液體更加順暢地流動(dòng)，以達(dá)到傳熱、傳質(zhì)和動(dòng)量傳輸?shù)哪康?，同時(shí)便于從模具中脫模，在微流道側(cè)面設(shè)置角度效果更佳。此外，電火花放電適合于任何難切削導(dǎo)電材料的加工，可以加工特殊及復(fù)雜形狀的表面和零件。采用特殊水基不燃性工作液進(jìn)行電火花放電，其生存率不亞于切削加工。加工范圍可達(dá)到幾微米的小軸、孔、縫，大到幾米的超大型模具和零件。微電鑄容易制備出復(fù)雜形狀的零件，尺寸精度高，芯模表面可有精確復(fù)制，便于批量生產(chǎn)。t型模具便于脫模。另外，使用砂輪將模具工作面進(jìn)行拋光至光滑，防止壓力損失。

以下將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例提供的一種t型截面微流控模具的制備方法的另一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。

請(qǐng)參閱圖2，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種t型截面微流控模具的制備方法的一個(gè)實(shí)施例，包括：

201：將工具電極與工件被加工表面之間按照預(yù)設(shè)的間隙設(shè)置；

202：加載脈沖電源至工具與工件之間，使得工具與工件之間產(chǎn)生脈沖性火花放電，直到工件上加工出t型微流控流道。

步驟202也可具體為：加載脈沖電源至工具與工件之間，使得工具與工件之間產(chǎn)生脈沖性火花放電，通過(guò)自動(dòng)進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置控制工具按照所述預(yù)設(shè)的間隙在工件被加工表面上運(yùn)動(dòng)，直到工件上加工出t型微流控流道。

203：將工具的頭部和工件浸沒(méi)在具有絕緣性能的工作液中，并通過(guò)備用工作液、工作液泵和帶過(guò)濾器的管道對(duì)工作液進(jìn)行循環(huán)過(guò)濾。

204：對(duì)具有t型微流控流道的工件進(jìn)行通電，使得工件被加工表面上產(chǎn)生電沉積；

205：對(duì)已產(chǎn)生電沉積的工件進(jìn)行脫模處理，獲得t型截面微流控模具。

206：通過(guò)砂輪將t型截面微流控模具的工作面進(jìn)行拋光至光滑，防止壓力損失。

需要說(shuō)明的是，請(qǐng)參閱圖3，電火花放電的原理是基于工具和工件(正、負(fù)電極)之間脈沖性火花放電時(shí)的電腐蝕現(xiàn)象來(lái)蝕除多余的金屬，以達(dá)到對(duì)零件的尺寸、形狀及表面質(zhì)量預(yù)定的加工要求。

在加工過(guò)程中，必須使工具電極和工件被加工表面之間經(jīng)常保持一定的放電間隙；火花放電必須是瞬時(shí)的脈沖性放電；火花放電必須在有一定絕緣性能的液體介質(zhì)中進(jìn)行；脈沖電源有較高的加工速度，工具電極損耗低，加工過(guò)程穩(wěn)定性好，工藝范圍廣。所產(chǎn)生的脈沖是單向的，脈沖電壓波形的前后沿較陡，脈沖的主要參數(shù)能在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，以滿足粗、中、精加工的要求，脈沖電源不僅考慮到工作穩(wěn)定可靠、成本低、壽命長(zhǎng)、操作維修方便和體積小等問(wèn)題，還考慮了節(jié)省電能。

將電火花放電完成的工件放在微電鑄機(jī)中進(jìn)行微電鑄加工，加工完成后進(jìn)行脫模處理，然后，使用砂輪將模具工作面進(jìn)行拋光至光滑，防止壓力損失。

請(qǐng)參閱圖4，電鑄是一種利用金屬離子陰極電沉積原理制取產(chǎn)品的工藝技術(shù),它具有極高的制造精度。電鑄屬于交叉學(xué)科,涉及到材料、電化學(xué)和工程等領(lǐng)域,電子、電化學(xué)、材料等領(lǐng)域內(nèi)的新進(jìn)展又對(duì)電鑄技術(shù)的發(fā)展起到了推動(dòng)作用。作為一種制造技術(shù),電鑄工藝所具有的高復(fù)制精度和簡(jiǎn)單性等優(yōu)點(diǎn)是其他制造技術(shù)無(wú)法比擬的,因此電鑄是一種強(qiáng)大的、用途廣泛的工業(yè)制造技術(shù)。

請(qǐng)參閱圖5，經(jīng)過(guò)微電鑄之后的工件再進(jìn)行脫模處理，可得到模具。

通過(guò)微細(xì)電火花放電，制備出微流控t型微流道。t型微結(jié)構(gòu)流道，能夠保證待檢測(cè)液體更加順暢地流動(dòng)，以達(dá)到傳熱、傳質(zhì)和動(dòng)量傳輸?shù)哪康摹Ｎ㈦婅T容易制出復(fù)雜形狀的零件，能調(diào)節(jié)沉積金屬的物理性質(zhì)，尺寸精度高，芯模表面可以精確復(fù)制，可以生產(chǎn)復(fù)雜形狀器件，便于批量生產(chǎn)，便于從模具中脫模，在微流道側(cè)面設(shè)置角度效果更佳。另外，使用砂輪將模具工作面進(jìn)行拋光至光滑，防止壓力損失。

本專利技術(shù)手段簡(jiǎn)便易行，具有積極的技術(shù)效果。

以下將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例提供的一種t型截面微流控模具的制備裝置進(jìn)行詳細(xì)的描述。

請(qǐng)參閱圖3和圖4，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種t型截面微流控模具的制備裝置，包括：電火花加工系統(tǒng)、微電鑄系統(tǒng)和脫模系統(tǒng)；

圖3為電火花加工系統(tǒng)的示意圖，電火花加工系統(tǒng)包括：脈沖電源1、工具4、工件2；

脈沖電源1連接工具4和工件2，用于輸出脈沖電流至工具4和工件2；

工具4設(shè)置于工件2的被加工表面一側(cè)，工具4呈倒梯形，工具4的寬度比工件2少預(yù)設(shè)的長(zhǎng)度值；如此設(shè)計(jì)，在進(jìn)行電火花放電的時(shí)候，工具4就會(huì)和工件2互相配合使得工件2形成t型微流控流道。

圖4為微電鑄系統(tǒng)的示意圖，需要說(shuō)明的是，圖4還包括的一般微電鑄的流程演示。微電鑄系統(tǒng)包括微電鑄電源、正極板；

微電鑄電源的正極連接正極板，微電鑄電源的負(fù)極連接經(jīng)過(guò)電火花加工系統(tǒng)加工的具有t型微流控流道的工件；

脫模系統(tǒng)用于對(duì)經(jīng)過(guò)微電鑄加工的工件進(jìn)行脫模處理獲得t型截面微流控模具。

電火花加工系統(tǒng)還包括自動(dòng)進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置3；

自動(dòng)進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置3連接工具4，用于控制工具4運(yùn)動(dòng)使得工具4與工件2的被加工表面之間的間隙保持為預(yù)設(shè)的間隙。

電火花加工系統(tǒng)還包括工作液5；

工具4的頭部和工件2浸沒(méi)在工作液5中，工具4的頭部為靠近工件2的部分；

工作液5具體為具有絕緣性能的工作液5，進(jìn)一步為特殊水基不燃性工作液。

電火花加工系統(tǒng)還包括工作液循環(huán)過(guò)濾裝置；

工作液循環(huán)過(guò)濾裝置包括備用工作液、工作液泵7和加液管道、放液管道；

加液管道和放液管道分別連接工作液和備用工作液；加液管道抽取備用工作液至工作液5，放液管道將工作液5輸送至備用工作液。

加液管道上設(shè)置有工作液泵7和過(guò)濾器6。

所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到，為描述的方便和簡(jiǎn)潔，上述描述的系統(tǒng)，裝置和單元的具體工作過(guò)程，可以參考前述方法實(shí)施例中的對(duì)應(yīng)過(guò)程，在此不再贅述。

以上所述，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。