微流控芯片微通道復制度的表征及在注塑成型中的應用

(中南大學機電工程學院，高性能復雜制造國家重點實驗室，湖南長沙，410083)

微流控芯片是通過控制不同流體在單一微通道或微通道網(wǎng)絡中流動以集成樣品制備、反應、分離、檢測等一系列過程的一種技術(shù)平臺[1]，其分析檢測過程的微型化、集成化、快速化以及低成本、少試劑、高通量等特點使其在分析化學、環(huán)境學及生物學等多個領(lǐng)域得到廣泛應用[2-4]。ZHOU等[5]利用微流控芯片模仿人體腎小球微環(huán)境，為腎小球的藥物篩選和毒理學測試提供了個性化及精確的生理環(huán)境。XIE等[6]利用微流控芯片實現(xiàn)了血液中紅細胞、白細胞的捕獲，為后續(xù)單細胞研究打下了基礎。MCMULLEN等[7]將統(tǒng)計與最優(yōu)實驗設計集成于自動微流控系統(tǒng)，可實時對化學合成過程中反應速率及動力學參數(shù)進行精確估計及預測，以實現(xiàn)合成質(zhì)量監(jiān)測。據(jù)統(tǒng)計，2015年微流控芯片相關(guān)產(chǎn)品市場銷售額為31億美元，預計2020年將增長至75億美元，年均復合增長率為19.3%[8]，廣闊的市場需求也敦促微流控芯片向著低成本、大批量、一次性使用的方向發(fā)展。微注射成型技術(shù)成型周期短、成本低、可大批量生產(chǎn)等優(yōu)點解決了微流控芯片批量化生產(chǎn)的問題，在微流控芯片制造領(lǐng)域得到極大關(guān)注[9]。但由于微流控芯片整體尺寸較小且微通道尺寸為微米級甚至納米級，在注塑過程中，聚合物熔體與型腔之間對流換熱、黏性耗散等微尺度效應[10]明顯，影響聚合物熔體流動行為，增大型腔充填難度，致使成型的微流控芯片存在微通道復制不完全[11]及同一芯片不同微通道位置間復制度差異較大等缺陷[12-13]。而流體在微通道中流動時的壓力降受微通道形狀影響較大[14]，且微流控芯片微通道的復制度直接影響微通道在外加電場作用下的電場和電滲流流場分布，進而影響芯片分離效率，對芯片的使用性能產(chǎn)生很大影響[15]。國內(nèi)外研究者對注塑成型微流控芯片微通道的復制度進行了研究。LEE等[16]利用模塊化及分段式微模具系統(tǒng)成型了半圓形截面微流控芯片，成型的芯片可以較好地復制模芯形狀且微通道表面光滑，尺寸精度較高。UTKO等[17]注射成型了帶有納結(jié)構(gòu)的微流控芯片，通過SEM和AFM觀察微通道形貌并利用DNA拉伸實驗證明注射成型聚合物微流控芯片具有良好的使用性能。楚純朋等[18]以微通道頂部寬度及深度為指標，通過仿真并結(jié)合實驗研究了鍵合過程中微流控芯片微通道變形的影響因素，提出鍵合溫度對微通道變形影響最大，鍵合壓力和鍵合時間的影響次之。YANG等[19]以微通道橫截面積與模芯的橫截面積相減所得差與微通道設計面積之比為指標研究了梯形截面和三角形截面微通道復制度受注塑成型工藝參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)這2種形狀的微通道均受模具溫度影響最顯著。FU等[20]通過測量微通道中間寬度的變化研究了模具溫度、熔體溫度等6個工藝參數(shù)對微通道復制度的影響，最終給出了試驗中的最優(yōu)工藝參數(shù)。但目前研究中并沒有統(tǒng)一微通道復制度或變形量的檢測標準和評價指標，大多僅通過觀測微通道SEM檢測圖或以微通道寬度、深度方向的尺寸變化進行分析，忽略了微通道二維截面輪廓整體的復制度及其形狀精度對芯片使用性能的影響，同時，對同一芯片的橫向微通道和縱向微通道復制度之間的差異也研究很少。為此，本文作者以微通道輪廓深度的均方根差表征微通道復制度，并以此為指標研究注射成型微流控芯片橫向微通道和縱向微通道復制度之間的差異，以表征微流控芯片微通道復制度以及微通道長度和方向的設計。

1 實驗

1.1 實驗對象、材料及設備

選用十字微通道微流控芯片作為研究對象，芯片由基片和蓋片鍵合而成，基片包含十字微通道和儲液槽等結(jié)構(gòu)，厚度為0.8 mm；蓋片為普通平板件，厚度為0.6 mm。基片結(jié)構(gòu)及十字微通道截面示意圖如圖1所示。

圖1 微流控芯片基片及微通道截面示意圖Fig.1 Schematic diagrams of substrate plate and section of micro-channel

實驗材料選用日本寶理COC 5013L-10，該材料具有優(yōu)良的光學性能、電化學性質(zhì)和生物兼容性，完全可以滿足芯片對材料光學、加工性的要求。成型實驗采用一模兩腔的注射成型方法，一次性成型基片和蓋片可以縮短成型周期，降低生產(chǎn)成本。模具型芯通過濕法刻蝕和精密電鑄成型制得，厚度為3 mm。注塑機選用德國Arburg 370S精密注塑機，模溫機為信易STM-607油式模溫控制機。

1.2 實驗方案

在注塑工藝過程中，速度、溫度、壓力是影響制件的成型性能的重要因素，因此，采用單因素實驗法，分別研究芯片橫向微通道和縱向微通道復制度受模具溫度、熔體溫度、保壓壓力、保壓時間和注射速度的影響，實驗各因素取值如表1所示，其中水平3為基準工藝水平，其余實驗水平通過結(jié)合材料成型工藝的推薦值和短射實驗分析得到。實驗前，利用干料機(信易SCD-20μ/30H，中國)將材料在80℃下干燥8 h。在實驗過程中，當改變?nèi)我还に噮?shù)時，須待注塑機工作穩(wěn)定后再取樣，每組工藝參數(shù)下取5個樣品，恒溫恒濕處理24 h后進行制件檢測。

表1 工藝參數(shù)取值Table1 Value of different process parameters

1.3 微通道復制度表征方法

目前研究者對微通道復制度的表征主要分為2類：一類以線性長度為表征，例如微通道開口寬度[17]、中間寬度[19]或者下底寬度。該類方法測量簡單，對設備要求較低，但該方法忽略了其余所有點的成型質(zhì)量也就是整個微通道的復制度，導致所得結(jié)果精度較低；另一類以面積比為表征，如微通道的橫截面積減去模芯的橫截面積所得差與微通道設計面積之比[18]，如圖2(a)所示。但測量微通道實際面積時受設備等限制容易產(chǎn)生測量誤差，此外，該方法忽略了微通道面積一定時輪廓形狀的多樣性，即同一面積比可以對應不同的微通道截面形狀，如圖2(b)所示。

圖2 面積比表征方法及其缺陷Fig.2 Area ratio method and its defects

采用激光共聚焦顯微鏡(Zeiss Axio LSM700，德國)對成型后的基片進行檢測。為了分析微通道橫、縱向分布對其復制度的影響并確保取樣的均勻性，選取5組檢測位置：縱向微通道(平行于聚合物熔體流動方向的微通道)上有C，D和E共3個檢測位置，距微通道交叉點分別為3，9和18 mm；橫向微通道(垂直于聚合物熔體流動方向的微通道)上有A和B共2個檢測位置，距微通道交叉點3 mm，如圖3(a)所示。成型后微流控芯片縱向微通道截面如圖3(b)所示，橫向微通道截面如圖3(c)所示。采用500倍放大倍數(shù)依次檢測每個樣品上的5個檢測位置，檢測結(jié)果如圖3(d)所示，檢測區(qū)域為邊長為250 μm的方形區(qū)域。為了確保不同芯片之間檢測位置的一致性，取檢測結(jié)果中Y軸100 μm處微通道二維截面輪廓深度(以250個數(shù)據(jù)點形式導出)進行后續(xù)研究。

圖3 微流控芯片檢測位置及檢測結(jié)果示意圖Fig.3 Schematic diagrams of detection position and detection results

均方根差(ERMS)是指實際輪廓曲線上各點縱坐標相對于理想輪廓曲線上相同橫坐標點的縱坐標之差的均方根，計算式為

式中：ni為實際輪廓曲線上的第i點的坐標；Ni為理想輪廓曲線上與第i點相同橫坐標點的縱坐標；i=1，2，…，250；利用MATLAB編制程序計算理想輪廓深度與實際輪廓深度均方根差并繪制對比圖，如圖4所示。實際輪廓深度相對于理想輪廓深度的偏差是以理想輪廓深度為中心，向上或向下偏移距離均為ERMS，如圖5所示。若ERMS越小，則檢測位置的實際輪廓深度與理想輪廓深度越接近，即芯片在該位置的微通道形貌越接近模具型芯形貌，復制度越高。

圖4 理想輪廓深度曲線與實際輪廓深度曲線的對比Fig.4 Comparison between ideal contour depth curves and actual contour depth curves

2 實驗結(jié)果分析

實驗結(jié)果表明，A處微通道輪廓的均方根差與B處的幾乎相同。這是由于位置A和位置B相對于澆口成對稱分布，聚合物熔體流經(jīng)A和B時的溫度和壓力均幾乎相同，故取A處微通道均方根差表征橫向微通道復制度。

圖5 理想輪廓深度曲線與實際輪廓深度曲線偏差Fig.5 Deviation between ideal contour depth curves and actual contour depth curves

2.1 模具溫度對不同位置微通道復制度的影響

當熔體溫度為270℃，保壓壓力為100 MPa，保壓時間為3 s，注射速度為30 cm3/s時，模具溫度對微通道復制度的影響如圖6所示。從圖6可見：隨著模具溫度升高，各個檢測位置均方根差均降低，縱向微通道的降低幅度比橫向微通道的大；當模具溫度為80℃時，聚合物熔體與模芯接觸界面溫差為190℃左右，兩者間自然對流換熱作用明顯，溫度損失較大，產(chǎn)生較厚的冷凝固化層，充填阻力變大，微通道復制度普遍較差；當模具溫度從80℃增加到100℃時，冷凝固化層厚度降低，容易充滿型腔，此時，縱向微通道C，D和E處均方根差分別減小0.60，0.85和0.53 μm，與模具溫度80℃相比分別降低18.96%，22.90%和13.85%，微通道復制度明顯提高；繼續(xù)增加模具溫度，C，D和E處微通道輪廓深度均方根差變化趨于平緩，僅分別減少0.10，0.20和0.13 μm。同時，在相同模具溫度下，距離澆口越遠，熔體溫度和壓力損失越大，縱向微通道復制度越低，因此，C，D和E處的微通道輪廓深度均方根差依次減小。

在模具溫度升高40℃的過程中，橫向微通道A處輪廓深度均方根差降低幅度較小，僅為12.53%，這是由于熔體流經(jīng)A處型芯微凸起結(jié)構(gòu)時，會先填充靠近澆口的正面，如圖7(a)所示。熔體翻越微凸起結(jié)構(gòu)后向低阻力即熔體的充填方向流動，使遠澆口側(cè)的背面圓角較大，形成遲滯效應，產(chǎn)生微通道不對稱圓角，此時，微通道復制度較低，如圖7(b)所示。

圖6 模具溫度對微通道均方根差的影響Fig.6 Influence of mold temperature on ERMSof micro-channel

圖7 A處熔體流動示意圖Fig.7 Schematic diagrams of melt flow of A position

2.2 熔體溫度對不同位置微通道復制度的影響

當模具溫度為100℃，保壓壓力為100 MPa，保壓時間為3 s，注射速度為30 cm3/s時，熔體溫度對微通道復制度的影響如圖8所示。從圖8可見：當熔體溫度由250℃升至270℃時，各個檢測位置均方根差減小，繼續(xù)增加熔體溫度，A，C和D處微通道輪廓深度均方根差略有增大；當熔體溫度較低時，聚合物熔體黏度較大，充填困難，各檢測位置微通道輪廓深度均方根差均大于3.40 μm；熔體溫度升高，聚合物分子鏈動能增加，流動性增強，因此，減少了充填時間和充填過程溫度、壓力損失；當熔體溫度增加到270℃時，A，C，D和E處微通道輪廓深度均方根差分別減少0.41，0.83，0.65和0.44 μm，相較于熔體溫度250℃時分別降低10.85%，24.47%，18.49%和11.79%；繼續(xù)增加熔體溫度，E處微通道輪廓深度均方根差僅減少0.05 μm，A，C和D處微通道輪廓深度均方根差反而略有增大。這是由于過高的熔體溫度雖然降低了熔體的黏度，但熔體和模具溫度之間過大的溫差使微流控芯片表層具有較大的殘余應力，在應力釋放過程中導致微通道變形甚至在微通道底部產(chǎn)生開裂，如圖9所示，因此，熔體溫度不宜超過270℃。在熔體溫度增加的整個過程中，縱向微通道的輪廓深度均方根差一直小于橫向微通道輪廓深度的均方根差，同時，縱向微通道上C，D和E處的微通道輪廓深度均方根差依次減小，C和E之間輪廓深度均方根差極差最大為0.73 μm。

圖8 熔體溫度對微通道輪廓深度均方根差的影響Fig.8 Influence of melt temperature on RMSE of micro-channel

2.3 保壓壓力對不同位置微通道復制度的影響

當模具溫度為100℃，熔體溫度為270℃，保壓時間為3 s，注射速度為30 cm3/s時，保壓壓力對微通道復制度的影響如圖10所示。從圖10可見：芯片微通道輪廓深度均方根差隨著保壓壓力增加而降低，橫向微通道A處降低幅度最大達到25.07%；當保壓壓力為80 MPa時，熔體充填后型腔背壓較小，補縮效果不明顯，尤其對于橫向微通道，過小的保壓壓力無法對遲滯效應進行有效補縮，在A處產(chǎn)生明顯不對稱圓角，均方根差達到整個實驗的最大值4.07 μm，如圖11所示；隨著保壓壓力增加，熔體充填后型腔背壓增加，可將熔體壓進制件和模芯之間的空隙，增加芯片密度均勻性，穩(wěn)定芯片尺寸并使微通道尺寸更接近于設計尺寸；當保壓壓力增加到120 MPa時，A，C，D和E這4個檢測位置微通道輪廓深度均方根差達到最低，分別為3.05，2.43，2.48和3.08 μm，與保壓壓力為80 MPa時相比分別降低25.07%，22.08%，22.92%和12.15%?？傮w而言，保壓壓力對微通道復制度影響較大，且對橫向微通道的影響明顯大于對縱向微通道的影響，縱向微通道上距離澆口越遠，微通道復制度越低，這與模具溫度和熔體溫度對微通道的影響一致。

圖9 熔體溫度290℃時C處微通道底部裂痕Fig.9 Crack at bottom of micro-channel at 290℃melt temperature of position C

圖10 保壓壓力對微通道輪廓深度均方根差的影響Fig.10 Influence of holding pressure on ERMSof micro-channel

圖11 A處不對稱圓角Fig.11 Asymmetrical fillet of positionA

2.4 保壓時間對不同位置微通道復制度的影響

當模具溫度為100℃，熔體溫度為270℃，保壓壓力為120 MPa，注射速度為30 cm3/s時，保壓時間對微通道復制度的影響如圖12所示。從圖12可見：隨著保壓時間提高，各個檢測位置微通道輪廓深度均方根差降低，A處降幅最大達到31.14%；當保壓時間小于3 s時，熔體無法進行有效補縮，微通道復制度普遍較低，各個檢測位置微通道輪廓深度均方根差均大于3.00 μm；當保壓時間提高到3 s時，C，D和E處微通道輪廓深度均方根差分別為2.57，2.86和3.29 μm，相較保壓時間1 s時分別降低17.20%，21.42%和16.05%，保壓時間增加，熔體對微通道的充填效果明顯改善，復制度提高。尤其對于A處而言，不對稱圓角尺寸明顯減小，微通道輪廓深度均方根差降低了0.70 μm；當保壓時間由3 s升至5 s后，C，D和E處微通道輪廓深度均方根差僅降低0.13，0.22和0.05 μm，縱向微通道復制度變化較小，但橫向微通道復制度繼續(xù)增加，降低13.82%。

圖12 保壓時間對微通道輪廓深度均方根差的影響Fig.12 Influence of holding time on ERMSof micro-channel

2.5 注射速度對不同位置微通道復制度的影響

當模具溫度、熔體溫度、保壓壓力、保壓時間取基準時，注射速度對微通道復制度的影響如圖13所示。從圖13可見：隨著注射速度提高，各個檢測微通道輪廓深度位置均方根差降低，微通道復制度提高；當注射速度為20 cm3/s時，熔體充填較慢，在充填過程中剪切作用力較弱，充填阻力較大，各處微通道均方根差都大于3.40 μm；提高注射速度、縮短充填時間的同時增強熔體剪切作用，剪切作用產(chǎn)生的熱量降低了熔體的黏度，從而進一步提高了熔體的充填能力；當注射速度由20 cm3/s提高到30 cm3/s時，縱向微通道C，D和E處微通道輪廓深度均方根差分別減少0.86，0.76和0.69 μm；繼續(xù)增加注射速度到40 cm3/s時，C，D和E處微通道輪廓深度均方根差分別減少0.02，0.21和0.10 μm，變化趨于平緩；橫向微通道A處輪廓深度均方根差受注射速度影響顯著，當注射速度為40 cm3/s時，橫向微通道輪廓深度均方根差與注射速度為20 cm3/s時相比降低了25.92%，這表明注射速度對橫向微通道復制度的影響大于對縱向微通道復制度的影響。

圖13 注射速度對微通道輪廓深度均方根差的影響Fig.13 Influence of injection rate on ERMSof micro-channel

3 結(jié)論

1)以微通道輪廓深度均方根差表征復制度的方法切實可行，且該方法對二維截面輪廓的表征具有全面性和數(shù)據(jù)唯一性。

2)橫向微通道遲滯效應明顯，微通道圓角正面寬度小于背面寬度，橫向微通道復制度普遍低于縱向微通道復制度，兩者輪廓深度均方根差最大差值為4.07 μm，是基準工藝參數(shù)下C處微通道的1.59倍。

3)縱向微通道受模具溫度和熔體溫度影響顯著，當模具溫度由80℃升高至100℃時，C，D和E處微通道輪廓深度均方根差分別降低18.96%，22.90%和13.85%；當熔體溫度由250℃升高至270℃時，C，D和E處微通道輪廓深度均方根差分別降低24.47%，18.49%和11.79%。橫向微通道受保壓時間影響最大，受注射速度和保壓壓力的影響次之。當保壓時間由1 s提高到5 s時，微通道輪廓深度均方根差降低31.14%。

4)隨著與澆口距離增加，縱向微通道復制度降低，即縱向微通道上C，D和E的輪廓深度均方根差依次減小。在基準工藝參數(shù)下，近澆口C處和遠澆口E處微通道輪廓深度均方根差極差達0.73 μm，為C處輪廓深度均方根差的28.45%。

5)在一定范圍內(nèi)，模具溫度、熔體溫度、保壓壓力、保壓時間和注射速度的增大可以降低微通道輪廓深度均方根差，提高微通道復制度，但當熔體溫度高于270℃時，微通道底部產(chǎn)生開裂，影響芯片的使用。