微流控芯片基片与盖片一体化注塑成型研究

1基片与盖片一体化注塑成型模具设计

1. 1产品简介

图1所示是本文成型的一种典型的基片与盖片一体化微流控芯片塑件排布图,中间为流道和浇口部分,左侧为附有十字微通道的基片,右侧为附有储液池(即4个椎2mm通孔)的盖片,成型时基片与盖片外形整体尺寸长82mm,宽40mm,厚1.2mm.芯片材料为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA。键合时,使基片上的十字微通道端点与盖片上的储液池中心一一对应,键合结束,裁切外形尺寸至长75mm,宽25mm,最终得到成品见图2

1. 2模具设计与动作原理

对于基片与盖片一体化微流控芯片注塑模具设计,与以往的微流控芯片注塑模具区别在于如何解决好储液池的成型与脱模问题.虽然储液池的结构看似简单,但由于盖片为透明件,并在其上不留有推出痕迹,因而给成型与脱模带来很多问题.成型储液池的型芯若安装在动模一侧,则有利于开模后使塑件留在动模一侧并借助推杆推出。而由于推杆必须布置在塑件的边缘位置,以便在键合后切除,使微流控芯片成品不留有推杆痕迹;因此推杆中心与储液池的成型型芯中心相距较远,塑件由于收缩在储液池的成型型芯周围产生较大的包紧力,从而在推杆推出时会对塑件产生很大的扭矩,实践中也发现这种扭矩会造成塑件在型芯处发生撕裂。为使塑件在脱模过程中平稳推出,也可以考虑在成型储液池的型芯处采用推管推出,但虽能解决塑件撕裂问题,但在储液池周围会留下一圈明显的推管推出痕迹,不利于后期的键合和应用。

图1微流控芯片塑件排布图

图2微流控芯片

为此,本文提出一种定模抽芯机构来解决上述问题,模具设计装配图如图3所示,采用主、侧视图合一(90毅转角)的画法(即以中心线为界,主、侧视图各画一半,合二为一).模具模架选用三板式注塑模具模架,但拆除标准模架中定模座板与定模板间的推料板,定模板仍可沿导柱滑动,模架仍可实现二次开模.成型圆孔状储液池的型芯固定在定模座板上,从定模板、定模镶块和动模镶块中穿过,从而在芯片上形成圆孔,并可在其中滑动.尼龙套锁模组件安装在定模板和动模板之间,用于控制开模顺序。

模具合模后,经过注射、保压和冷却阶段,由于尼龙套锁模组件中尼龙套涨紧力的作用,开模时,定模板与动模板之间保持相对静止,而定模座板与定模板之间首先分开,带动固定在定模座板上的成型圆孔状储液池的型芯在定模板内滑动,并从动模镶块抽出,直到定模板遇到限位垫圈,停止前行,抽芯动作结束。继续开模,注塑机的开模力克服尼龙套锁模组件中尼龙套的涨紧力使定模板与动模板分开,完成开模.此时由于型腔设置在动模镶块中,成型后的塑件留在动模一侧,由推杆推出得到微流控芯片的基片与盖片成品.成型试验表明,采用定模先行抽芯机构,避免了芯片脱模时储液池处的变形损坏,使盖片可以完整的成型。

图3模具装配图

2微流控芯片注塑成型难点分析

1基片上的微通道成型

微流控芯片成型主要有两个难点:一是保证微通道得到很好的复制,二是使储液池完整成型和脱模.

微流控芯片基片宏观呈一平板状,注塑成型几乎没有什么难度,但由于其上存在微通道,从而增加了成型的不确定性,设计的微通道截面形状如图4所示。

图4微通道截面

在注塑成型实验中发现,微流控芯片产生了一种很明显的成型缺陷,即芯片的微通道复制不完全(出现圆角),如图5所示(电子显微镜拍摄的微通道截面放大图),其他如缩痕、翘曲等缺陷通过调整注塑成型工艺参数较为容易解决。微通道复制不完全这种缺陷由于影响后续的芯片键合以及取样液体的电泳分离,对于微流控芯片来说力求避免,也是微流控芯片注塑成型的主要难点。由于样品的分离、检测是沿着“十字冶形微通道的纵向进行,所以本文将重点研究微通道的纵向成形质量。

图5微通道复制不完全

前期利用正交试验方法进行充模试验,研究各工艺参数对微通道复制度的影响[10],试验结果表明在适当的工艺条件下,微通道复制不完全的现象可以得到有效的改善,如图6所示。

图6工艺参数优化后的微通道

2.2盖片上的储液池成型

在模具结构上的改进可以保证成型圆孔状储液池的型芯顺利抽出,从而保证储液池完整成型,但由于型芯的存在,在储液池处容易产生熔接痕,影响盖片的成型质量,如图7所示.

图7有熔接痕

熔接痕是由于熔体分流汇合时熔接不良,沿塑件表面或内部产生的细接缝线.产生熔接痕的主要原因有熔体温度低、模具温度低,注射速度慢、注射压力小等原因[11].对照提高微通道复制度的工艺措施,显然对减小或消除熔接痕也是适用的,实践也证明了这点,如图8所示.

3微流控芯片注塑成型工艺研究

为定量研究微通道复制的情况,将微通道设计宽度与实际开口宽度的比值定义为微通道复制度。通过注塑试验来研究各注塑工艺参数对微通道复制度和圆孔状储液池熔接痕的影响。由上述分析可知,与微通道复制度问题相比,消除圆孔状储液池熔接痕的问题相对而言比较简单,实践中发现,在提高微通道复制度的同时,圆孔状储液池熔接痕可以得到缩短直至完全消除。因此,在妥善解决圆孔状储液池成型与脱模的难点之后,问题的核心是解决微通道复制度的问题。

图8无熔接痕

因此本文的试验仍可按前期的研究方法进行,主要通过注塑试验来研究各注塑工艺参数对微通道复制度的影响.试验方法与数据处理仍选用正交试验设计法.根据正交试验挑因素的原则,排除人为及环境因素等不可控因素和固定用量因素,依照单因素的试验结果,考虑较为可取的影响因素为注射压力、注射速度、熔体温度和模具温度等4个因素,指定微通道复制度为考察特性指标.为与以往试验结果比照,各因素水平选择与以往试验相同,详见表1.

表1因素水平表

由于微通道在纵向方向较长,试验时首先沿纵向分别间隔10mm选取3个截面进行开口宽度的考察,经检测尺寸一致性较好。选取其中的一个截面为例,正交试验的安排、数据的记录及计算结果均列于表2中,试验结果基本上能得到很好的再现.从结果(极差R值)中可以看出,4个因素中,模具温度是影响微通道复制度的决定性因素,注射速度和熔体温度是次要因素,而注射压力相对其他因素影响力较差,但必须维持在一个较高的水平.

表2试验方案及结果

选取因素的水平与指标要求有关.要求的指标即微通道复制度是越高越好,应该取使指标值增加的水平,即各因素中使微通道复制度最大的那个水平.所以,把各因素的最好水平简单组合起来就是较好的生产条件,即模具温度取水平3(95益)、注射速度取水平1(192mm/s)、注射压力取水平1(120MPa)和熔体温度取水平3(240益).在此基础上,试验时再加以适当调整,总结出的一种塑料微流控芯片的注塑成型工艺规范如下:

1）塑料原料选用聚甲基丙烯酸甲酯,预置在干燥机中,干燥温度90益,时间6h;

2)模具加热至85~95益.注射机料筒塑料熔体温度区间设定为230~250益;

3)注射压力在100~130MPa,保压压力为50~70MPa,保压时间为2~5s,冷却时间在30~40s;

4)注射速度采用慢-快-慢形式,注射速度设定为:第1段80~100mm/s,第2段110~140mm/s,第3段48~80mm/s.先较低速度注射,保证料流前锋平稳进入型腔,然后以高速注射快速填充型腔,最后慢速注射以利型腔排气.

后续的试验表明,对于其他具有不同宽度微通道的微流控芯片,使用上述工艺条件加以适当调整也可获得满意的效果.成型的微流控芯片,经键合和电泳实验,满足使用要求.目前,通过注塑成型生产的微流控芯片已批量推向市场。

4结论

设计制造了微流控芯片基片与盖片一体化注塑成型模具。在保证基片上微通道复制度满足需要的同时,通过定模先行抽芯机构,解决了盖片上圆孔状储液池成型与脱模的问题。利用该模具可使微流控芯片基片上的微通道和盖片上的圆孔状储液池在注塑时一起成型,从而可实现高效率、大批量成型尺寸、形状准确均一的芯片。

提出微流控芯片注塑成型工艺规范。试验发现提高基片上微通道的复制度是保证微流控芯片成型质量的关键;正交试验结果表明,模具温度是影响微通道复制度的决定性因素。注射速度和熔体温度是次要因素，而注射压力相对其他因素影响力较差，但必须维持在一个较高的水平。在此基础上形成塑料微流控芯片的注塑成型工艺。

文献来材料科学与工艺文章编号:1005-0299(2013)01-0013-05作者：宋满仓，刘莹，祝铁丽，杜立群，王敏杰，刘冲（转载仅供参考学习及传递有用信息，版权归原作者所有，如侵犯权益，请联系删除）