聚合物生物芯片微结构热压成型规律研究

想起这一年

1聚合物生物芯片结构及成型原理
某生物芯片结构如图1所示，主要用于生物样品的医学信息检测，在保证各结构成型精度的同时，还要使芯片具备一定的透光性。芯片是在152 mm×85 mm×0.25 mm的聚丙烯薄膜上通过热压成型8组生物检测区域和4个定位孔，每组检测区域都有1个进样腔、1条主流道、48条支流道以及48个微反应腔，反应腔均匀分布于主流道两侧并通过支流道与主流道相连接，最终与进样腔相连通。反应腔微结构的尺寸较小，型腔底部内径φ1.6 mm、深度0.6 mm，反应腔筒壁与底部的厚度均匀，都为0.15 mm，其他区域厚度为0.25 mm，芯片成型后与铝箔进行键合组成生物芯片。

图1 生物芯片结构

芯片的热压成型过程与传统模压过程类似，先加热凸、凹模到指定温度后，将聚丙烯薄膜放置于凸、凹模之间，启动压力机使凸模向下移动，配合凹模热压成型反应腔微结构，在压力机施加指定压力后恒温保压一段时间，保压结束后对模具进行恒压冷却，降低芯片制品的脱模温度，整个热压过程中温度和压力是影响成型制品精度的重要因素。结合反应腔微结构各区域特点，将其划分为3个部分：顶部未变形区、底部变形区和筒壁拉深区，微结构热压及区域划分如图2所示。

图2 反应腔微结构热压及区域划分

2试验设计及结果分析
2.1 试验设计
根据前期试验结果确定了反应腔微结构的热压工艺参数：热压温度135 ℃、保压压力28 kN、保压时间420 s、脱模温度75 ℃。以上述热压参数为基准，设计4个生物芯片的压印过程，渐进式探究热压工艺下反应腔微结构成型及相关微尺寸的变化过程，各压印过程工艺参数设计如表1所示。每个压印过程重复制取3组，选取芯片中心区域的反应腔微结构，使用切片和封装的方法制取样品，结合数字显微镜、百分表等工具观察微结构成型效果及测量微结构顶部未变形区、底部变形区厚度和反应腔型腔内径、型腔深度等尺寸。

表1 各压印过程工艺参数设计

2.2 试验结果分析
图3所示为各压印过程的反应腔微结构成型效果，反应腔微结构的填充成型效果受聚合物材料的流动性影响，而热压温度是决定聚合物材料流动性的主要因素。常温下聚丙烯材料流动性差，在压印过程1中可以发现，顶部未变形区和筒壁拉深区的过渡位置聚丙烯薄膜材料发生断裂，筒壁拉深区成型效果差。较高的热压温度能有效提高聚合物材料分子活性，增大微结构筒壁区材料拉深变形极限，配合一定的恒温保压时间可以实现微结构筒壁区材料的均匀填充。在压印过程2、3中，筒壁拉深区薄膜没有剪切断裂现象，壁厚成型均匀，但筒壁拉深区和底部变形区薄膜厚度不一致。在压印过程4中可以发现，降低脱模温度可以提高微结构成型效果，这说明芯片的脱模温度过高会导致材料收缩回弹，影响反应腔微结构成型精度。

图3 各压印过程微结构成型效果

从图3可知，筒壁拉深区是主要变形区，热压温度能提高聚丙烯材料的流动性，是保证该区域材料能拉深变形的前提；热压过程中材料处于高弹态，流动性有限，底部变形区材料难以填充筒壁拉深区，两区域薄膜厚度无法实现均匀一致；过高的脱模温度会影响芯片反应腔微结构的成型效果，降低脱模温度能解决该问题。
图4~图7所示为顶部未变形区、底部变形区、反应腔微结构型腔内径和型腔深度在各压印过程的变化情况，从图4可知，顶部未变形区厚度从压印过程1到压印过程4没有变化，而图5中底部变形区厚度只在压印过程1没有变化，从压印过程2开始厚度逐渐减小，两部分所使用的薄膜材料相同，但成型结果存在较大差异。结合图8微结构热压成型过程可以发现，微结构在热压过程中，底部变形区薄膜在凸模压力作用下先与凹模底面接触产生压力，此时顶部未变形区并未与凸模接触，所受压力的不同是导致两区域薄膜厚度产生不同变化的原因。顶部未变形区和底部变形区薄膜材料发生弹塑性变形，顶部区域所受压力较小，未达到发生塑性变形的极限。

图4 顶部未变形区厚度

图5 底部变形区厚度

图6 反应腔型腔内径

图7 反应腔型腔深度

图8 微结构热压过程

从图6可以发现，微结构内径尺寸呈现先减小后增大的规律，而图7中反应腔微结构的型腔深度则是不断增大。对比图6和图7中压印过程1、2、3可知，模具温度升高、恒温保压时间延长都会增加聚合物材料的分子活性，提高了微结构型腔的尺寸精度，但较高的脱模温度会使型腔径向尺寸产生较大收缩，对型腔深度尺寸收缩影响不大。对比图6和图7中压印过程4可知，降低脱模温度可以提高型腔内径和深度尺寸精度。
反应腔微结构热压过程中，顶部未变形区和底部变形区所受压力不同，导致厚度方向产生不同的变形，热压过程中材料处于高弹态，压力只有达到一定界限后才会产生塑性变形；保压冷却过程能有效地降低结晶性聚合物材料冷却时的收缩回弹，保证反应腔型腔尺寸要求。


▍原文作者:宋满仓 1黄栋 1刘军山 1,2
▍作者单位：1. 大连理工大学 精密与特种加工教育部重点实验室；2. 大连理工大学 辽宁省微纳米技术及系统重点实验室

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