CN117261089A - 一种基于双模注塑的微流控芯片制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双模注塑的微流控芯片制作方法，在一套模具内设置两套产品的成型空间，先在一个成型空间内注塑出带有微通道的底板，然后旋转前模，在底板上方形成另一个成型空间，在底板上注塑盖板形成微流控芯片。通过在一套模具内设置A前模芯和A后模芯围成的A模腔、B前模芯和B后模芯围成的B模腔，且A前模芯和B前模芯能绕前模旋转，分两次注塑出微流控芯片。大大提高了生产速度，有利于快速实现规模化量产。
Description
技术领域
本申请涉及微机电***领域，具体涉及一种基于双模注塑的微流控芯片制作方法。
背景技术
微流控芯片作为微机电***（MEMS）的杰出代表，扮演着将大型实验室***精巧缩减至微米级基板的关键角色。它完美地模拟并复制了复杂的生物学和化学反应全过程，实现了高效、快速且自动的实验操作，是实现体外诊断（IVD）的不可或缺的组成部分。
尽管传统实验室微流控芯片的制作方法已经取得了一些进展，例如光刻、LIGA、模塑等工艺，它们在小批量试制方面取得了成功。然而，它们依然受到制造成本高昂和质量不稳定的问题的限制，这使得它们主要适用于科研实验，而难以在商业化应用中大规模使用。
在应对微流控芯片产业化需求时，注塑法成型崭露头角。这种方法具有出色的制造精度和重复性，且生产周期相对较短。然而，目前的注塑成型技术在微通道结构的形成上还存在挑战，因为对于微流控芯片这种结构，其中间的微流道形状并不规则，不能用传统的注塑方式一次成型，普遍都是采用两次分别注塑出底板和盖板后将底板和盖板接合的方式，效率低，耗时长。另有如公开号US2010201028A1、名称为“封闭通道产品的注塑成型制造方法”的美国专利申请，首先将已成型的带微通道槽的底板放入模具内，然后在微通道槽上方注塑塑胶成为盖板，通过降低温度的同时提高塑胶流速来保证胶料不会进入微通道内。但此方式存在以下问题：（1）需要先将底板加工好后放入模具内，效率较低；（2）通过控制模具的温度和胶料的流速来保证胶料不进入微通道内难度较大，因为注塑过程中胶料温度非常高，若要将模具温度控制在较低的值内，对模具的冷却要求很高，难以达到。
发明内容
本申请针对当前微流控芯片的制作过程中，速度慢、效率低的问题，提出了一种基于双模注塑的微流控芯片制作方法，能够在一套模具内分两步将微流控芯片注塑成型，大大提高了效率，而且质量稳定，有利于工业化大生产。
本申请为解决上述问题所采用的技术手段为：一种基于双模注塑的微流控芯片制作方法，在一套模具内设置两套产品的成型空间，先在一个成型空间内注塑出带有微通道的底板，然后旋转前模，在底板上方形成另一个成型空间，在底板上注塑盖板形成微流控芯片。
具体地，A前模芯和A后模芯围成的A模腔、B前模芯和B后模芯围成的B模腔，其中A后模芯与B后模芯结构相同，A前模芯为底板的模芯形状，B前模芯为盖板的模芯形状，制作时，完成一处注塑后，前模旋转180°，使A前模芯与B后模芯之间、B前模芯与A后模芯之间分别围成成型空间，再次注塑，完成微流控芯片的一次注塑成型。开始生产时，在A模腔内注塑出底板，B模腔不注塑（或者B模腔也注塑，且将首次注塑的B模腔内的不合格产品取出报废），前模旋转180°使A前模芯与B前模芯位置互换后，两个成型空间内同时注塑，B前模芯与A后模芯围成的成型空间内注塑出完整的微流控芯片，A前模芯与B后模芯围成的成型空间内注塑出底板，开模后A后模芯内产品被顶出模，同时A前模芯与B前模芯继续旋转180°；合模后两个成型空间内继续同时注塑，此时，B模腔内注塑出完成的微流控芯片，A模腔内注塑出底板，开模B后模芯内产品被顶出模，同时A前模芯与B前模芯继续旋转180°，合模进行下一次注塑。
进一步地，A模腔的A后模芯与B模腔的B后模芯之间沿模具中心处轴线呈中心对称，A模腔的A前模芯与B模腔的B前模芯沿模具中心处轴线可旋转运动。使得A前模芯和B前模芯都能够分别与A后模芯或B后模芯之间围成成型空间。
进一步地，A前模芯所对应的微通道模仁结构采用镍材料制作。
进一步地，A前模芯所对应的微通道模仁结构为采用电镀法在A前模芯表面镀上的超疏水镍膜层。能够降低注塑后的微通道内的表面能，使注塑后的微通道表面具有超疏水性能。
进一步地，A前模芯所对应的微通道模仁结构的具体形成过程为：采用光刻技术在A前模芯所对应的微通道模仁结构之外的位置表面涂覆一层正性光刻胶，烘干后利用紫外光刻机透过掩膜版对光刻胶进行曝光处理，曝光后的光刻胶进行显影，得到在带有微通道结构的A前模芯；将A前模芯清洁后作为电镀阴极，另外再选取纯镍作为阳极连接电源，在阳极和阴极之间通以弥散分布有不导电硬质二氧化硅球的氯化镍电镀液构成电镀***，通电使电镀液中硬质微纳颗粒球和镍离子在A前模芯所对应的微通道结构中共沉积形成超疏水的微纳电镀层；然后去除A前模芯表面的光刻胶，得到含疏水电镀层微通道模仁结构的A前模芯。利用光刻胶作为保护层，避免在A前模芯微通道模仁结构之外的部位被电镀上镍膜层。
进一步地，光刻胶厚度为20-80μm。
进一步地，氧化硅球直径为10-100nm。
进一步地，注塑材料为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。
进一步地，A前模芯所对应的成型空间工艺参数为：熔体温度280°C，模温100°C；B前模芯所对应的成型空间工艺参数为：熔体温度200°C，模温60°C。
进一步地，微流控芯片的微通道深度与光刻胶厚度一致，宽度为20-100μm。
本申请的有益效果是：
1. 本申请通过在一套模具内设置两套前模和后模，且两套前模与两套后模之间均能配合形成独立的成型空间，因而能够在两个成型空间内同时彼此独立地注塑微流控芯片的盖板和底板，且脱模后的产品即为一个完整的微流控芯片，大大提高了生产速度，有利于快速实现规模化量产。
2. 本申请通过将A前模芯上的微通道模仁结构采用电镀方式形成，使模仁表面具有超疏水性能，进而使注塑后的底板的微通道表面也具有超疏水性能，保证在注塑盖板的过程中胶料不会流入微通道内，保证微流控芯片的质量。
附图说明
图1为实施例一制作微流控芯片的前模结构示意图；
图2为实施例一制作微流控芯片的后模结构示意图；
图3为实施例一经曝光显影的A前模芯示意图；
图4为实施例一A前模芯形成微纳电镀层结构示意图；
图5为实施例一具有微通道模仁结构的A前模芯示意图；
图中：11.A前模芯，12.B前模芯，21.A后模芯，22.B后模芯，3.光刻胶，4.微通道结构，5.微流道模仁结构。
具体实施方式
下面结合附图对本申请进一步说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本申请的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例一：一种基于双模注塑的微流控芯片制作方法，用一套一模两穴的模具分两次注塑成型。如图1和图2所示，在一套模具内设置两套不同的成型空间，模具的前模内设有A前模芯11和B前模芯12，后模内设有A后模芯21和B后模芯22。其中A后模芯21和B后模芯22的结构相同，但是二者在后模的排布位置上不同，使得二者沿后模中心处的轴线呈中心对称。而A前模芯11为微流控芯片底板的模具形状，B前模芯12为盖板的模具形状，且A前模芯11和B前模芯12之间可以沿前模中心处的轴线旋转，使得A前模芯11和B前模芯12都能够分别与A后模芯21和B后模芯22组合成独立的成型空间。因此，在模具的注塑过程中，一种情况下，A前模芯11与A后模芯21围成A模腔，B前模芯12与B后模芯22围成B模腔；另一种情况下，A前模芯11与B后模芯22围成一个模腔，B前模芯12与A后模芯12围成另一个模腔。两种情况下都是有两套独立的成型空间。A前模芯11与A后模芯21或B后模芯22配合围成的成型空间都是带微通道的底板的成型空间，而B前模芯12与A后模芯21或B后模芯22配合围成的成型空间都是盖板的成型空间。
首次注塑时，首先，合模后A前模芯11与A后模芯21围成底板的成型空间A模腔，B前模芯12与B后模芯22围成盖板的成型空间B模腔，A模腔注塑生产出底板，B模腔不注塑或者首次也注塑生产，但此首次注塑产品需报废。
然后开模，前模旋转180°（若上述步骤中B模腔注塑生产，则需要将B模腔内的产品顶出模具并报废），再合模，A前模芯11与B后模芯22围成底板的成型空间，B前模芯12与A后模芯21围成盖板的成型空间，且此成型空间内已有成型的底板。两个成型空间内均注塑生产，其中B前模芯12与A后模芯21围成成型空间内盖板直接注塑在底板上方，通过两次注塑即可得到成型的微流控芯片。
再次开模，A后模芯21内成型的微流控芯片被顶出，而B后模芯22内的底板保持不动，前模再次旋转180°，合模后A前模芯11与A后模芯21再次围成A模腔，B前模芯12与B后模芯22也再次围成B模腔。两边均注塑生产，分别注塑出盖板和底板。
开模，B后模芯22内成型的微流控芯片被顶出，而A后模芯21内的底板保持不动，前模再次旋转180°，然后再次合模注塑，依此循环。
上述注塑过程中，材料采用PMMA，A前模芯所对应的成型空间工艺参数为：熔体温度280°C，模温100°C；B前模芯所对应的成型空间工艺参数为：熔体温度200°C，模温60°C。成型后的微流控芯片微通道的深度为20μm，宽度为50μm。
为了保证在盖板的注塑过程中，胶料不会流入到已成型的底板的微通道内部，对A前模芯11的微流道模仁结构5进行疏水处理，使其表面具有超疏水的性能，这样，注塑后的底板的微通道也可以形成超疏水性能，再配合注塑机合适的工艺参数，彻底避免注塑过程中胶料流入微通道内。
其中A前模芯11的微流道模仁结构5形成过程为：首先，采用光刻技术在A前模芯11所对应的微通道模仁结构5之外的位置表面涂覆一层厚度为20μm的正性光刻胶，烘干后利用紫外光刻机透过掩膜版对光刻胶进行曝光处理，曝光后的光刻胶进行显影，得到在带有微通道结构4的A前模芯11，其中此时的微通道结构4为由光刻胶3围成的形状，如图3所示。
然后，将A前模芯11清洁后作为电镀阴极，另外再选取镍板作为电镀阳极连接电源，在阳极和阴极之间通以弥散分布有不导电硬质二氧化硅球（直径约为50nm）的氯化镍电镀液构成电镀***，通电使电镀液中硬质微纳颗粒球和镍离子在A前模芯11所对应的微通道结构4中共沉积形成超疏水的微纳电镀层，如图4所示。
最后去除A前模芯11表面的光刻胶3，得到含疏水电镀层微通道模仁结构5的A前模芯11，如图5所示。
上述电镀过程中，利用光刻胶3作为保护层，避免在A前模芯11微通道模仁结构5之外的部位被电镀上镍膜层，导致无法在注塑过程中形成微通道。
以上实施例仅供说明本申请之用，而非对本申请的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本申请的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化或变换，因此所有等同的技术方案也应该属于本申请的保护范围，本申请的保护范围应该由各权利要求限定。
Claims (7)
1.一种基于双模注塑的微流控芯片制作方法，其特征在于：在一套模具内设置两套产品的成型空间，先在一个成型空间内注塑出带有微通道的底板，然后旋转前模，在底板上方形成另一个成型空间，在底板上注塑盖板形成微流控芯片;
所述模具包括由A前模芯和A后模芯围成的A模腔，以及由B前模芯和B后模芯围成的B模腔，其中A后模芯与B后模芯结构相同，A前模芯为底板的模芯形状，B前模芯为盖板的模芯形状，制作时，完成一处注塑后，前模旋转180°，使A前模芯与B后模芯之间、B前模芯与A后模芯之间分别围成成型空间，再次注塑，完成微流控芯片的一次注塑成型；
A模腔的A后模芯与B模腔的B后模芯之间沿模具中心处轴线呈中心对称，A模腔的A前模芯与B模腔的B前模芯沿模具中心处轴线可旋转运动，使得A前模芯和B前模芯都能够分别与A后模芯或B后模芯之间围成成型空间；
A前模芯所对应的微通道模仁结构为采用电镀法在A前模芯表面镀上的超疏水镍膜层。
2.如权利要求1所述的基于双模注塑的微流控芯片制作方法，其特征在于：A前模芯所对应的微通道模仁结构采用镍材料制作。
3.如权利要求1所述的基于双模注塑的微流控芯片制作方法，其特征在于：A前模芯所对应的微通道模仁结构的形成过程为：采用光刻技术在A前模芯所对应的微通道模仁结构之外的位置表面涂覆一层正性光刻胶，烘干后利用紫外光刻机透过掩膜版对光刻胶进行曝光处理，曝光后的光刻胶进行显影，得到在带有微通道结构的A前模芯；将A前模芯清洁后作为电镀阴极，另外再选取镍板作为阳极连接电源，在阳极和阴极之间通以弥散分布有不导电硬质二氧化硅球的氯化镍电镀液构成电镀***，通电使电镀液中硬质微纳颗粒球和镍离子在A前模芯所对应的微通道结构中共沉积形成超疏水的微纳电镀层；然后去除A前模芯表面的光刻胶，得到含疏水电镀层微通道模仁结构的A前模芯。
4.如权利要求3所述的基于双模注塑的微流控芯片制作方法，其特征在于：光刻胶厚度为20-80μm。
5.如权利要求3所述的基于双模注塑的微流控芯片制作方法，其特征在于：氧化硅球直径为10-100nm。
6.如权利要求3所述的基于双模注塑的微流控芯片制作方法，其特征在于：注塑材料为PMMA。
7.如权利要求3所述的基于双模注塑的微流控芯片制作方法，其特征在于：A前模芯所对应的成型空间工艺参数为：熔体温度280°C，模温100°C；B前模芯所对应的成型空间工艺参数为：熔体温度200°C，模温60°C。
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