聚合物生物芯片微結(jié)構(gòu)熱壓成型規(guī)律研究

0 引 言

生物芯片是用于生物醫(yī)學(xué)信息檢測的重要產(chǎn)品，具有高度集成化、微型化和高效率等特點。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生物芯片所涉及的學(xué)科越來越廣泛，加工材料和成型方法也趨于多樣化、復(fù)雜化，LEE K等

使用注射壓縮成型的方法，在聚碳酸酯（PC）基板上成型了用于多重傳感應(yīng)用的具有納米級微結(jié)構(gòu)的生物芯片；王曉東等

采用熱壓印的方式在聚甲基丙烯酸甲酯材料（PMMA）上制作了微流控芯片的微通道，發(fā)現(xiàn)最佳的熱壓工藝參數(shù)取決于聚合物材料的流變特性；Y HANADA等

以含氟的CYTOP聚合物板為材料，使用激光燒蝕的方法成型微流體通道，并通過將2片COTYP材料粘合制作具有三維流體結(jié)構(gòu)的生物芯片。

由于生物芯片成型難度大，PP材料激光燒蝕的熔融痕跡會影響微結(jié)構(gòu)精度，熱壓成型能簡單快捷地使用流延聚丙烯（PP）薄膜成型生物芯片的反應(yīng)腔微結(jié)構(gòu)，同時也能保證其成型精度

。

生物芯片微結(jié)構(gòu)的成型效果對芯片鍵合強度、微流體進液情況有重要影響，聚合物生物芯片熱壓成型過程中材料并未達到熔融狀態(tài)，并且反應(yīng)腔微結(jié)構(gòu)有類似于筒形件拉深成形的過程，這使微結(jié)構(gòu)成型更加復(fù)雜。針對聚合物熱壓時微結(jié)構(gòu)成型、材料填充等問題的研究也有待于完善，褚金奎等

使用ANSYS對聚合物的熱壓填充過程進行了仿真分析，并介紹了深寬比、占空比等對聚合物變形的影響；楊振洲

探究了微熱壓工藝對聚合物微結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)、結(jié)構(gòu)變形回彈等問題的影響因素；江沖等

對聚合物熱壓印過程進行有限元模擬分析，發(fā)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的熱壓印是邊冷卻邊壓印，模具溫度對微結(jié)構(gòu)成型精度起主要影響。目前微壓印的研究多集中于無定形材料，對于結(jié)晶聚合物的熱壓成型研究相對較少，現(xiàn)以結(jié)晶性聚丙烯薄膜為原材料的聚合物生物芯片反應(yīng)腔微結(jié)構(gòu)的熱壓成型過程進行研究，觀測微結(jié)構(gòu)各區(qū)域尺寸變化以及填充成型效果，探究微結(jié)構(gòu)熱壓成型機理，提高微結(jié)構(gòu)成型精度，滿足后續(xù)試驗的要求。

1 聚合物生物芯片結(jié)構(gòu)及成型原理

某生物芯片結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要用于生物樣品的醫(yī)學(xué)信息檢測，在保證各結(jié)構(gòu)成型精度的同時，還要使芯片具備一定的透光性。芯片是在152 mm×85 mm×0.25 mm的聚丙烯薄膜上通過熱壓成型8組生物檢測區(qū)域和4個定位孔，每組檢測區(qū)域都有1個進樣腔、1條主流道、48條支流道以及48個微反應(yīng)腔，反應(yīng)腔均勻分布于主流道兩側(cè)并通過支流道與主流道相連接，最終與進樣腔相連通。反應(yīng)腔微結(jié)構(gòu)的尺寸較小，型腔底部內(nèi)徑

1.6 mm、深度0.6 mm，反應(yīng)腔筒壁與底部的厚度均勻，都為0.15 mm，其他區(qū)域厚度為0.25 mm，芯片成型后與鋁箔進行鍵合組成生物芯片。

芯片的熱壓成型過程與傳統(tǒng)模壓過程類似，先加熱凸、凹模到指定溫度后，將聚丙烯薄膜放置于凸、凹模之間，啟動壓力機使凸模向下移動，配合凹模熱壓成型反應(yīng)腔微結(jié)構(gòu)，在壓力機施加指定壓力后恒溫保壓一段時間，保壓結(jié)束后對模具進行恒壓冷卻，降低芯片制品的脫模溫度，整個熱壓過程中溫度和壓力是影響成型制品精度的重要因素。結(jié)合反應(yīng)腔微結(jié)構(gòu)各區(qū)域特點，將其劃分為3個部分：頂部未變形區(qū)、底部變形區(qū)和筒壁拉深區(qū)，微結(jié)構(gòu)熱壓及區(qū)域劃分如圖2所示。

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2 試驗設(shè)計及結(jié)果分析

2.1 試驗設(shè)計

圖3所示為各壓印過程的反應(yīng)腔微結(jié)構(gòu)成型效果，反應(yīng)腔微結(jié)構(gòu)的填充成型效果受聚合物材料的流動性影響，而熱壓溫度是決定聚合物材料流動性的主要因素。常溫下聚丙烯材料流動性差，在壓印過程1中可以發(fā)現(xiàn)，頂部未變形區(qū)和筒壁拉深區(qū)的過渡位置聚丙烯薄膜材料發(fā)生斷裂，筒壁拉深區(qū)成型效果差。較高的熱壓溫度能有效提高聚合物材料分子活性，增大微結(jié)構(gòu)筒壁區(qū)材料拉深變形極限，配合一定的恒溫保壓時間可以實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)筒壁區(qū)材料的均勻填充。在壓印過程2、3中，筒壁拉深區(qū)薄膜沒有剪切斷裂現(xiàn)象，壁厚成型均勻，但筒壁拉深區(qū)和底部變形區(qū)薄膜厚度不一致。在壓印過程4中可以發(fā)現(xiàn)，降低脫模溫度可以提高微結(jié)構(gòu)成型效果，這說明芯片的脫模溫度過高會導(dǎo)致材料收縮回彈，影響反應(yīng)腔微結(jié)構(gòu)成型精度。

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，微結(jié)構(gòu)內(nèi)徑尺寸呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律，而圖7中反應(yīng)腔微結(jié)構(gòu)的型腔深度則是不斷增大。對比圖6和圖7中壓印過程1、2、3可知，模具溫度升高、恒溫保壓時間延長都會增加聚合物材料的分子活性，提高了微結(jié)構(gòu)型腔的尺寸精度，但較高的脫模溫度會使型腔徑向尺寸產(chǎn)生較大收縮，對型腔深度尺寸收縮影響不大。對比圖6和圖7中壓印過程4可知，降低脫模溫度可以提高型腔內(nèi)徑和深度尺寸精度。

2.2 試驗結(jié)果分析

根據(jù)前期試驗結(jié)果確定了反應(yīng)腔微結(jié)構(gòu)的熱壓工藝參數(shù)：熱壓溫度135℃、保壓壓力28 kN、保壓時間420 s、脫模溫度75℃。以上述熱壓參數(shù)為基準，設(shè)計4個生物芯片的壓印過程，漸進式探究熱壓工藝下反應(yīng)腔微結(jié)構(gòu)成型及相關(guān)微尺寸的變化過程，各壓印過程工藝參數(shù)設(shè)計如表1所示。每個壓印過程重復(fù)制取3組，選取芯片中心區(qū)域的反應(yīng)腔微結(jié)構(gòu)，使用切片和封裝的方法制取樣品，結(jié)合數(shù)字顯微鏡、百分表等工具觀察微結(jié)構(gòu)成型效果及測量微結(jié)構(gòu)頂部未變形區(qū)、底部變形區(qū)厚度和反應(yīng)腔型腔內(nèi)徑、型腔深度等尺寸。

從圖3可知，筒壁拉深區(qū)是主要變形區(qū)，熱壓溫度能提高聚丙烯材料的流動性，是保證該區(qū)域材料能拉深變形的前提；熱壓過程中材料處于高彈態(tài)，流動性有限，底部變形區(qū)材料難以填充筒壁拉深區(qū)，兩區(qū)域薄膜厚度無法實現(xiàn)均勻一致；過高的脫模溫度會影響芯片反應(yīng)腔微結(jié)構(gòu)的成型效果，降低脫模溫度能解決該問題。

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反應(yīng)腔微結(jié)構(gòu)熱壓過程中，頂部未變形區(qū)和底部變形區(qū)所受壓力不同，導(dǎo)致厚度方向產(chǎn)生不同的變形，熱壓過程中材料處于高彈態(tài)，壓力只有達到一定界限后才會產(chǎn)生塑性變形；保壓冷卻過程能有效地降低結(jié)晶性聚合物材料冷卻時的收縮回彈，保證反應(yīng)腔型腔尺寸要求。

圖4～圖7所示為頂部未變形區(qū)、底部變形區(qū)、反應(yīng)腔微結(jié)構(gòu)型腔內(nèi)徑和型腔深度在各壓印過程的變化情況，從圖4可知，頂部未變形區(qū)厚度從壓印過程1到壓印過程4沒有變化，而圖5中底部變形區(qū)厚度只在壓印過程1沒有變化，從壓印過程2開始厚度逐漸減小，兩部分所使用的薄膜材料相同，但成型結(jié)果存在較大差異。結(jié)合圖8微結(jié)構(gòu)熱壓成型過程可以發(fā)現(xiàn)，微結(jié)構(gòu)在熱壓過程中，底部變形區(qū)薄膜在凸模壓力作用下先與凹模底面接觸產(chǎn)生壓力，此時頂部未變形區(qū)并未與凸模接觸，所受壓力的不同是導(dǎo)致兩區(qū)域薄膜厚度產(chǎn)生不同變化的原因。頂部未變形區(qū)和底部變形區(qū)薄膜材料發(fā)生彈塑性變形，頂部區(qū)域所受壓力較小，未達到發(fā)生塑性變形的極限。

企業(yè)獨特、稀有的能力能夠為企業(yè)發(fā)展帶來競爭優(yōu)勢，這一觀點目前被多數(shù)學(xué)者所認同。其中蘊含的企業(yè)能力的思想早在斯密的企業(yè)分工理論中已有萌芽，馬歇爾的企業(yè)內(nèi)部成長理論更是明確地指出，“企業(yè)內(nèi)部各職能部門之間、企業(yè)之間、產(chǎn)業(yè)之間存在著差異分工，這種分工源于其各自不同的知識和技能等能力”。而后，潘羅斯在《企業(yè)成長論》一書中指出，企業(yè)是個具有不同用途、隨時間推移并由一系列管理決策決定的生產(chǎn)性資源的集合體，而決策能力是企業(yè)自有的一種典型能力，因而企業(yè)能力是實現(xiàn)經(jīng)濟效益的基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語

聚合物生物芯片對反應(yīng)腔微結(jié)構(gòu)成型精度要求較高，通過對反應(yīng)腔微結(jié)構(gòu)熱壓過程進行漸進式壓印探究，觀察反應(yīng)腔微結(jié)構(gòu)各部分成型變化，可以獲得如下結(jié)論。

（1）生物芯片作為薄壁制品，熱壓成型時保壓冷卻過程對提高其反應(yīng)腔微結(jié)構(gòu)成型精度有重要影響，較低的脫模溫度可以有效地減緩其收縮變形。

（2）筒壁拉深區(qū)作為主要變形區(qū)域，材料流動性有限，其他區(qū)域材料難以填充該區(qū)域，該區(qū)域和底部變形區(qū)厚度難以均勻一致。

（3）微結(jié)構(gòu)熱壓過程中，薄膜材料處于高彈態(tài)，在厚度方向上壓力要超過一定界限才會發(fā)生較大的塑性變形。

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