一种T型截面微流控模具的制备方法及装置与流程

本发明涉及微流控芯片领域，尤其涉及一种t型截面微流控模具的制备方法及装置。

背景技术：

微流控芯片被公认为是21世纪最为重要的前沿技术之一,forbes杂志创刊85周年的特刊上将芯片实验室列为15件影响人类未来的最重要的发明之一。

它的使用也与我们的生活的方方面面息息相关,如新药物的合成与筛选、以及食品和商品检验、环境监测、刑事科学、军事科学和航天科学等其他重要应用领域而成为其中一个最重要的研究领域间。

传统的微流控芯片主要以硅片或玻璃为材料制作微流道，存在制作设备昂贵、加工成本高、制作周期长、难以得到高深宽比结构以及硅芯片不透明等问题，可以通过模塑法、热压法进行大批量复制，从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较高的精度和技术指标要求。常用的模具材料可以分为金属(包括铜、镍等)和非金属(包括硅、玻璃等)两种。非金属材料的模具由于其寿命较短,适合实验室和科研单位小批量生产的需要。而金属模具以其较长的使用寿命和突出的经济性适应大批量生产制造的需要,得到发展。

微尺度流动通常具有如下几个典型特征：雷诺数很小，流动状态表现为层流，传热、传质由于对流混合作用微弱而变得相对不易；液体表面张力作用显著，有时处于主导地位；流动速度梯度较大，粘性力变得重要，惯性力则相对变得不再重要；表面积与体积比大，热惯性小，界面电效应变得突出。这些特征使得微流体需要全新的研究方法，也有了不同于常规尺度流动的研究内容与目标。

当通道的特征尺寸在微米甚至纳米量级时，通道表面积与其内部空间的体积之比很大，通道的结构、形状和壁面性质都将对其中的流体流动状态产生极大的影响。如何设计并制造出结构合理、尺寸精确、壁面性质可控的微通道，是控制微流体的前提。

微流控系统中流体需要在一定尺寸和结构的微通道中以一定的方式进行流动，以达到传热、传质和动量传输的目的。因此微通道是微流控系统的核心部分。

微流道是待检测液体流经且进行混合反应的区域，可以根据待检测的液体、检测条件、检测预期的结果选择微流道的截面形状。

微流道的重要作用是在较少压力损失状态下保证液体的流动。作为显示微流道效率的指标之一是截面形状中内接圆直径面积。内接圆面积越大，流过的液体面积越大，因此能够保证待检测液体更加顺畅地流动。

1)有人提出用液态浇铸法制备软模板。其特征是使pdms液体填充有特征图形的母版，之后将其固化，与母版剥离，即得到独立的pdms软模板。其工艺过程主要是先进行模板基片的选材、清洗，然后进行旋涂光刻胶，静置一段时间之后前烘、进行电子束曝光，曝光之后进行后烘，然后在显影液中进行显影，最后坚膜。然后浇注pdms，待pdms稳定后脱模即可得到软模板，即模具。

2)利用电沉积技术制作微流控芯片模具。方法是：使用新型超厚光刻胶su-8胶作近紫外光刻，并在光刻后的图案上电沉积金属ni之后去胶，最终获得金属模具。

3)利用热压印法的三个工艺过程(压模制备、压印过程、图形转移)来进行制备模具，其基本概念是用电子束刻印术或其他先进技术，把坚硬的压模毛坯加工成一个压模；然后再用来绘制纳米图案的基片上旋涂一层聚合物薄膜，将其放入压印机加热并且把压模压在基片上的聚合物薄膜上加压，再把温度降低到聚合物玻璃化温度以下，最后把压模与聚合物层相分离，就在基片上做出了凸起的聚合物图案(还要稍作腐蚀除去凹洼处残留的聚合物)；图形转移是对上一步做成的压印件，用常规的图形技术，把基片上的聚合物图案转换成所需材质的图案。

但是这些现有技术分别对应有以下缺点：

1)软模板的液态浇铸法虽然易于实现，成本比较低，但在纳米尺度下，传统的液态浇注已经无法实现pdms进入孔洞的过程，其原因是pdms由于黏度过大，无法自然填充纳米级特征图形，故无法实现图形的转移。

2)由于su-8胶近紫外光刻时侧壁与基底难免有一定的倾斜角度(3°-5°)，这对于模具的制作将产生不利于热压或浇注后拔模的斜度，而且该法要电铸出基板，电铸的工作量大。此外，由于模具的工作面是依靠电铸后分型获得，表面质量较难控制。

3)沟道与基板不是一体结构，两者之间的结合力不是特别好，需要特殊处理。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种t型截面微流控模具的制备方法及装置，制备出微结构t型流道，能够保证待检测液体更加顺畅地流动，以达到传热、传质和动量传输的目的。此外，本发明实施例便于从模具中脱模，在微流道侧面设置角度效果更佳。

本发明实施例提供的一种t型截面微流控模具的制备方法，包括：

通过电火花放电对工件进行加工，制备出具有t型微流控流道的工件；

对具有t型微流控流道的工件进行微电铸加工和脱模加工获得t型截面微流控模具。

优选地，所述通过电火花放电对工件进行加工，制备出具有t型微流控流道的工件具体包括：

将工具电极与工件被加工表面之间按照预设的间隙设置；

加载脉冲电源至工具与工件之间，使得工具与工件之间产生脉冲性火花放电，直到工件上加工出t型微流控流道。

优选地，所述加载脉冲电源至工具与工件之间，使得工具与工件之间产生脉冲性火花放电，直到工件上加工出t型微流控流道具体为：

加载脉冲电源至工具与工件之间，使得工具与工件之间产生脉冲性火花放电，通过自动进给调节装置控制工具按照所述预设的间隙在工件被加工表面上运动，直到工件上加工出t型微流控流道。

优选地，所述将工具电极与工件被加工表面之间按照预设的间隙设置之后还包括：

将工具的头部和工件浸没在具有绝缘性能的工作液中，并通过备用工作液、工作液泵和带过滤器的管道对工作液进行循环过滤。

优选地，所述对具有t型微流控流道的工件进行微电铸加工和脱模加工获得t型截面微流控模具具体包括：

对具有t型微流控流道的工件进行通电，使得工件被加工表面上产生电沉积；

对已产生电沉积的工件进行脱模处理，获得t型截面微流控模具。

优选地，所述对具有t型微流控流道的工件进行微电铸加工和脱模加工获得t型截面微流控模具之后还包括：

通过砂轮将t型截面微流控模具的工作面进行抛光至光滑，防止压力损失。

本发明实施例提供的一种t型截面微流控模具的制备装置，包括：电火花加工系统、微电铸系统和脱模系统；

所述电火花加工系统包括：脉冲电源、工具、工件；

所述脉冲电源连接所述工具和所述工件，用于输出脉冲电流至所述工具和所述工件；

所述工具设置于所述工件的被加工表面一侧，所述工具成倒梯形，所述工具的宽度比所述工件少预设的长度值；

所述微电铸系统包括微电铸电源、正极板；

所述微电铸电源的正极连接正极板，所述微电铸电源的负极连接经过电火花加工系统加工的具有t型微流控流道的工件；

所述脱模系统用于对经过微电铸加工的工件进行脱模处理获得t型截面微流控模具。

优选地，所述电火花加工系统还包括自动进给调节装置；

所述自动进给调节装置连接所述工具，用于控制所述工具运动使得所述工具与所述工件的被加工表面之间的间隙保持为预设的间隙。

优选地，所述电火花加工系统还包括工作液；

所述工具的头部和所述工件浸没在所述工作液中，所述工具的头部为靠近所述工件的部分；

所述工作液具体为具有绝缘性能的工作液。

优选地，所述电火花加工系统还包括工作液循环过滤装置；

所述工作液循环过滤装置包括备用工作液、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别连接所述工作液和所述备用工作液；

所述加液管道上设置有所述工作液泵和过滤器。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例提供的一种t型截面微流控模具的制备方法及装置，通过通过电火花放电对工件进行加工，制备出具有t型微流控流道的工件；对具有t型微流控流道的工件进行微电铸加工和脱模加工获得t型截面微流控模具，能够保证待检测液体更加顺畅地流动，以达到传热、传质和动量传输的目的，同时便于从模具中脱模，在微流道侧面设置角度效果更佳。此外，电火花放电适合于任何难切削导电材料的加工，可以加工特殊及复杂形状的表面和零件。采用特殊水基不燃性工作液进行电火花放电，其生存率不亚于切削加工。加工范围可达到几微米的小轴、孔、缝，大到几米的超大型模具和零件。微电铸容易制备出复杂形状的零件，尺寸精度高，芯模表面可有精确复制，便于批量生产。t型模具便于脱模。另外，使用砂轮将模具工作面进行抛光至光滑，防止压力损失。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种t型截面微流控模具的制备方法的一个实施例的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种t型截面微流控模具的制备方法的另一个实施例的示意图；

图3为本发明实施例中电火花放电的示意图；

图4为本发明实施例中微电铸系统和微电铸及脱模过程的示意图；

图5为本发明实施例中微电铸流程图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种t型截面微流控模具的制备方法及装置，制备出微结构t型流道，能够保证待检测液体更加顺畅地流动，以达到传热、传质和动量传输的目的。此外，本发明实施例便于从模具中脱模，在微流道侧面设置角度效果更佳。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供的一种t型截面微流控模具的制备方法的一个实施例，包括：

101：通过电火花放电对工件进行加工，制备出具有t型微流控流道的工件；

102：对具有t型微流控流道的工件进行微电铸加工和脱模加工获得t型截面微流控模具。

本发明实施例提供的一种t型截面微流控模具的制备方法及装置，通过通过电火花放电对工件进行加工，制备出具有t型微流控流道的工件；对具有t型微流控流道的工件进行微电铸加工和脱模加工获得t型截面微流控模具，能够保证待检测液体更加顺畅地流动，以达到传热、传质和动量传输的目的，同时便于从模具中脱模，在微流道侧面设置角度效果更佳。此外，电火花放电适合于任何难切削导电材料的加工，可以加工特殊及复杂形状的表面和零件。采用特殊水基不燃性工作液进行电火花放电，其生存率不亚于切削加工。加工范围可达到几微米的小轴、孔、缝，大到几米的超大型模具和零件。微电铸容易制备出复杂形状的零件，尺寸精度高，芯模表面可有精确复制，便于批量生产。t型模具便于脱模。另外，使用砂轮将模具工作面进行抛光至光滑，防止压力损失。

以下将对本发明实施例提供的一种t型截面微流控模具的制备方法的另一个实施例进行详细的描述。

请参阅图2，本发明实施例提供的一种t型截面微流控模具的制备方法的一个实施例，包括：

201：将工具电极与工件被加工表面之间按照预设的间隙设置；

202：加载脉冲电源至工具与工件之间，使得工具与工件之间产生脉冲性火花放电，直到工件上加工出t型微流控流道。

步骤202也可具体为：加载脉冲电源至工具与工件之间，使得工具与工件之间产生脉冲性火花放电，通过自动进给调节装置控制工具按照所述预设的间隙在工件被加工表面上运动，直到工件上加工出t型微流控流道。

203：将工具的头部和工件浸没在具有绝缘性能的工作液中，并通过备用工作液、工作液泵和带过滤器的管道对工作液进行循环过滤。

204：对具有t型微流控流道的工件进行通电，使得工件被加工表面上产生电沉积；

205：对已产生电沉积的工件进行脱模处理，获得t型截面微流控模具。

206：通过砂轮将t型截面微流控模具的工作面进行抛光至光滑，防止压力损失。

需要说明的是，请参阅图3，电火花放电的原理是基于工具和工件(正、负电极)之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属，以达到对零件的尺寸、形状及表面质量预定的加工要求。

在加工过程中，必须使工具电极和工件被加工表面之间经常保持一定的放电间隙；火花放电必须是瞬时的脉冲性放电；火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行；脉冲电源有较高的加工速度，工具电极损耗低，加工过程稳定性好，工艺范围广。所产生的脉冲是单向的，脉冲电压波形的前后沿较陡，脉冲的主要参数能在很宽的范围内调节，以满足粗、中、精加工的要求，脉冲电源不仅考虑到工作稳定可靠、成本低、寿命长、操作维修方便和体积小等问题，还考虑了节省电能。

将电火花放电完成的工件放在微电铸机中进行微电铸加工，加工完成后进行脱模处理，然后，使用砂轮将模具工作面进行抛光至光滑，防止压力损失。

请参阅图4，电铸是一种利用金属离子阴极电沉积原理制取产品的工艺技术,它具有极高的制造精度。电铸属于交叉学科,涉及到材料、电化学和工程等领域,电子、电化学、材料等领域内的新进展又对电铸技术的发展起到了推动作用。作为一种制造技术,电铸工艺所具有的高复制精度和简单性等优点是其他制造技术无法比拟的,因此电铸是一种强大的、用途广泛的工业制造技术。

请参阅图5，经过微电铸之后的工件再进行脱模处理，可得到模具。

通过微细电火花放电，制备出微流控t型微流道。t型微结构流道，能够保证待检测液体更加顺畅地流动，以达到传热、传质和动量传输的目的。微电铸容易制出复杂形状的零件，能调节沉积金属的物理性质，尺寸精度高，芯模表面可以精确复制，可以生产复杂形状器件，便于批量生产，便于从模具中脱模，在微流道侧面设置角度效果更佳。另外，使用砂轮将模具工作面进行抛光至光滑，防止压力损失。

本专利技术手段简便易行，具有积极的技术效果。

以下将对本发明实施例提供的一种t型截面微流控模具的制备装置进行详细的描述。

请参阅图3和图4，本发明实施例提供的一种t型截面微流控模具的制备装置，包括：电火花加工系统、微电铸系统和脱模系统；

图3为电火花加工系统的示意图，电火花加工系统包括：脉冲电源1、工具4、工件2；

脉冲电源1连接工具4和工件2，用于输出脉冲电流至工具4和工件2；

工具4设置于工件2的被加工表面一侧，工具4呈倒梯形，工具4的宽度比工件2少预设的长度值；如此设计，在进行电火花放电的时候，工具4就会和工件2互相配合使得工件2形成t型微流控流道。

图4为微电铸系统的示意图，需要说明的是，图4还包括的一般微电铸的流程演示。微电铸系统包括微电铸电源、正极板；

微电铸电源的正极连接正极板，微电铸电源的负极连接经过电火花加工系统加工的具有t型微流控流道的工件；

脱模系统用于对经过微电铸加工的工件进行脱模处理获得t型截面微流控模具。

电火花加工系统还包括自动进给调节装置3；

自动进给调节装置3连接工具4，用于控制工具4运动使得工具4与工件2的被加工表面之间的间隙保持为预设的间隙。

电火花加工系统还包括工作液5；

工具4的头部和工件2浸没在工作液5中，工具4的头部为靠近工件2的部分；

工作液5具体为具有绝缘性能的工作液5，进一步为特殊水基不燃性工作液。

电火花加工系统还包括工作液循环过滤装置；

工作液循环过滤装置包括备用工作液、工作液泵7和加液管道、放液管道；

加液管道和放液管道分别连接工作液和备用工作液；加液管道抽取备用工作液至工作液5，放液管道将工作液5输送至备用工作液。

加液管道上设置有工作液泵7和过滤器6。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。