抽象定義

微流體裝置的開發(fā)已在實(shí)驗(yàn)室中證明是成功的。隨著數(shù)量的增加，塑料因其相對(duì)較低的成本和固有的透明度而成為理想的材料。穿透式紅外鍵合技術(shù)的進(jìn)步現(xiàn)在允許對(duì)非常小而復(fù)雜的幾何形狀進(jìn)行塑料鍵合。組裝完成時(shí)沒有粘合劑、振動(dòng)或顆粒污染的形成。激光掩模焊接技術(shù)可以創(chuàng)建窄至 100 μm 的粘合區(qū)域。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，使用光刻工藝在金屬涂層玻璃上生成可自由定義的幾何形狀。在金屬被蝕刻掉的地方，允許激光通過，將圖案轉(zhuǎn)移到基板上。專用面板允許靈活性和自動(dòng)對(duì)齊可以精確地

將面板定位在 +/- 2 μm 內(nèi)。激光焊接是通過使激光穿過頂部的激光透明塑料材料并到達(dá)底部的激光吸收材料來完成的。激光被吸收

并轉(zhuǎn)化為熱量。將部件夾在一起后，熱量會(huì)傳導(dǎo)到兩個(gè)部件中，從而形成氣密結(jié)合。大多數(shù)熱塑性塑料都可以用激光連接，包括 PC、PMMA，甚至 COC 或 PEEK。

背景

微流控技術(shù)的研究和開發(fā)，即所謂的芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)，是醫(yī)學(xué)和生物診斷發(fā)展最快的領(lǐng)域之一，適用于各種應(yīng)用，包括 DNA 分析、藥物發(fā)現(xiàn)和臨床診斷。在微流體或微機(jī)械設(shè)備的初始設(shè)計(jì)中，首選材料是硅、金屬、玻璃/石英或獨(dú)特的聚合物（如 PDMS），主要是因?yàn)檫@些材料的微制造方法已在微電子行業(yè)得到廣泛發(fā)展。可以使用傳統(tǒng)的加工方法在這些材料中加工出獨(dú)特的特征。隨著這些設(shè)備變得越來越小，傳統(tǒng)緊固件的使用限制了設(shè)備的小型化程度。這些初步設(shè)計(jì)雖然適用于測(cè)試和概念驗(yàn)證一次性設(shè)備，但在推進(jìn)大批量生產(chǎn)時(shí)證明是不經(jīng)濟(jì)的。因此，該舉措已轉(zhuǎn)向塑料。塑料的明顯好處是能夠通過注塑成型工藝批量生產(chǎn)物品。過去幾十年工程塑料設(shè)計(jì)的進(jìn)步創(chuàng)造了在強(qiáng)度、視覺清晰度、溫度穩(wěn)定性等方面具有吸引力的材料。聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)、聚碳酸酯 (PC) 和環(huán)聚烯烴聚合物 (COC) 等塑料已被深入研究，因?yàn)樗鼈儗?duì)某些化學(xué)品的抵抗力和生物相容性。使用最先進(jìn)的復(fù)制技術(shù)（例如注塑或熱壓?。┰诰哂?nbsp;50-100μm 尺寸通道的復(fù)雜圖案的塑料基板上生產(chǎn)微結(jié)構(gòu)相對(duì)容易。這種微流體裝置的完整制造方法包括兩個(gè)主要步驟：在塑料基底晶片或?qū)又行纬晌⑼ǖ?，并將基底層與覆蓋片粘合以形成封閉通道。塑料組裝長(zhǎng)期以來一直以超聲波焊接、振動(dòng)焊接、加熱元件焊接或粘合劑為主。然而，由于分配問題、使用具有不同化學(xué)和表面特性的附加材料以及能量沉積的精度較低，這些方法中的大多數(shù)不能或只能非常困難地適用于微結(jié)構(gòu)塑料部件。激光已成為金屬加工不可或缺的方法，并且在塑料中越來越受歡迎，但主要是在打標(biāo)、切割和鉆孔領(lǐng)域 。所發(fā)射激光的高精度幾何形狀、控制和一致性使其可用于高精度和微型應(yīng)用。在過去十年中，激光焊接作為塑料的一種補(bǔ)充連接工藝而廣受歡迎，并已成功引入許多工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。憑借其成本效益、可控的局部能量轉(zhuǎn)移以及施加在被連接材料上的低機(jī)械應(yīng)力，激光傳輸焊接提供了一種有吸引力的替代方案，在傳統(tǒng)技術(shù)達(dá)到其極限的情況下。傳統(tǒng)的對(duì)接焊是最早將激光作為一種可能的連接方法進(jìn)行測(cè)試的接頭設(shè)計(jì)之一。人們很快意識(shí)到，在塑料連接市場(chǎng)中，采用透射紅外方法將是最理想的采用激光的方法（圖 1）。

待接合的兩個(gè)塑料部件在激光波長(zhǎng)下必須具有不同的光學(xué)傳輸特性，一個(gè)必須是透明或半透明的，另一個(gè)是吸收性的。激光的能量以最小的損失穿過透明部分，并在吸收部分轉(zhuǎn)化為熱量。通過施加夾緊壓力，確保兩個(gè)部件之間的物理接觸，并且透明部件通過熱傳導(dǎo)加熱。最常見的方法是輪廓焊接（圖 2），其中激光通過玻璃夾具和透射組件向下投射，并且激光組件通過 XY 機(jī)制穿過。這項(xiàng)研究的目標(biāo)是為塑料制成的微結(jié)構(gòu)一次性流體裝置開發(fā)一種經(jīng)濟(jì)的組裝技術(shù)。組裝過程和相關(guān)設(shè)備基于透射紅外焊接 (TTIR) 原理。本報(bào)告將掩模系統(tǒng)描述為一種制造塑料微型器件的方法。

微流控面板焊接

典型的微流體裝置由一個(gè)實(shí)心塑料底座組成，上面粘合有一層薄薄的塑料薄膜。在塑料底座的頂面上有許多通道，在處理和分析過程中流體將通過這些通道流動(dòng)。塑料薄膜形成這些通道的頂部邊界。圖 3 顯示了聚碳酸酯 (PC) 微流體部件的典型微通道結(jié)構(gòu)，尺寸為 10mm × 20mm × 3mm。在這種情況下，流體通道是 200 μm 寬。此類設(shè)備組裝的常見要求是氣密和液密接頭，并能承受幾巴的壓力。使用薄膜作為頂層也是可能的。目的是產(chǎn)生足夠的結(jié)合力，以便在盡可能靠近通道的情況下不會(huì)分層和焊接，而不會(huì)溢出/熔化到通道中。通道和混合區(qū)域內(nèi)裝置的整體體積和質(zhì)地必須保持一致，因?yàn)檫@會(huì)影響毛細(xì)管作用的效果和流體的傳輸行為。 .塑料的激光焊接最早是在 1960 年代開發(fā)的；然而，這些應(yīng)用程序中的大多數(shù)都是專屬的內(nèi)部組裝。 1990 年代中期，公司開始銷售用于連接塑料的交鑰匙系統(tǒng)。

激光是一種清潔、可控和集中的熱能來源。由于半導(dǎo)體激光技術(shù)的最新進(jìn)展，現(xiàn)在可以使用 NIR 范圍（700 至 1500 nm）的緊湊、經(jīng)濟(jì)和可靠的激光源，這促進(jìn)了直接用于具有所需功率和光束質(zhì)量的材料加工。

當(dāng)需要線或區(qū)域形式的非常小且高精度的焊縫時(shí)，必須確保對(duì)沉積的激光能量進(jìn)行精確的局部區(qū)分。使用掩模技術(shù)，可以以高分辨率控制焊縫的形狀。原理如圖4所示。反射或吸收掩模放置在焊接部分和激光源之間，在焊接表面產(chǎn)生橫向能量分布。面板由聚焦在一條線上的二極管條照亮，該線在面板上進(jìn)行掃描。焊接過程的精度取決于掩模的質(zhì)量和激光器的光束質(zhì)量。面板可以快速更換，從而在生產(chǎn)中具有很大的靈活性。

工藝設(shè)備

本文中描述的微流體裝置的所有組裝過程均由圖 4 所示的掩模焊接系統(tǒng)執(zhí)行?；竟に囋O(shè)備包括焊接部件的支架、帶光學(xué)器件的激光源和掩模。使用發(fā)射波長(zhǎng)在 NIR 范圍內(nèi)的高功率二極管激光器，通常在 808 nm 和 980 nm 之間。對(duì)于塑料的快速加熱和冷卻過程，需要 30-90W 范圍內(nèi)的功率。

在掩模焊接過程中，焊接部件放置在透明玻璃板下方，具有夾緊壓力，以確保配合部件的接觸?？梢允褂煤?jiǎn)單的夾具以 0.10 毫米的對(duì)準(zhǔn)精度焊接零件。圖 5 顯示了一個(gè)焊接組件，您可以在其中看到焊接圖案的輕微錯(cuò)位。在大多數(shù)情況下，這是可以接受的，設(shè)計(jì)良好的夾具可以確?？芍貜?fù)的焊接圖案放置。如果需要極其精確的焊接對(duì)準(zhǔn)，帶有 3 軸平臺(tái) (XY-φ) 的視覺系統(tǒng)可以通過使用兩點(diǎn)測(cè)量原理和直接從微結(jié)構(gòu)中選擇的明確位置標(biāo)記來調(diào)整掩模相對(duì)于焊接部件的位置在焊接部分（圖 6）。定義的位置標(biāo)記的定位是通過使用與已知物體的位置和方向相關(guān)的信息的模式匹配程序來執(zhí)行的。在調(diào)整過程之后，組件被抬起并壓在掩模上，激光源出現(xiàn)在組件上方。圖 3 顯示了這些更小、更精確的組件。

結(jié)果和討論

微米范圍內(nèi)的掩模焊接概念與焊接過程中塑料的快速加熱和冷卻有關(guān)。確定所需焊接精度的關(guān)鍵因素不僅是激光的掩模質(zhì)量和光束形狀，這主要決定了精確的熱傳遞，而且還取決于熱傳遞的速率和材料對(duì)熔體流動(dòng)的響應(yīng).

為了實(shí)現(xiàn)小型結(jié)構(gòu)的最佳焊接質(zhì)量，使用非結(jié)構(gòu)化（扁平）和結(jié)構(gòu)化（具有微通道）塑料部件研究熔體流動(dòng)。圖 7 顯示了選定的測(cè)試焊縫。已實(shí)現(xiàn)最小尺寸為 100 μm 的焊接結(jié)構(gòu)。熔體流動(dòng)的行為很大程度上取決于塑料材料的焊接速度和粘度，其特征延伸速度還取決于激光強(qiáng)度和照射時(shí)間。該流程的控制是通過過程優(yōu)化實(shí)現(xiàn)的（圖 8）。

非結(jié)構(gòu)化塑料焊接件采用恒定功率為 80 W 的激光源掃描，激光源配備 150 μm 狹縫掩模。測(cè)量非焊接線的寬度作為掃描速度的函數(shù)。在窄范圍內(nèi)顯示出近乎線性的行為。掃描速度低于 30 mm/s 時(shí)，由于掩模區(qū)域外的過度熔化，無(wú)法測(cè)量明確的結(jié)構(gòu)。對(duì)于大于 50 mm/s 的掃描速度，激光照射不會(huì)產(chǎn)生熔體流體相。

大多數(shù)塑料材料僅在深度為 25 到 100 μm 的頂面吸收 NIR 范圍內(nèi)的激光束。激光能量的深度穿透可以通過液體塑料流體的熱相互作用來實(shí)現(xiàn)?？焖偌訜岷屠鋮s過程有利于限制熔體擴(kuò)散，但可能會(huì)導(dǎo)致非常薄的有效對(duì)流區(qū)，從而降低焊接強(qiáng)度。必須通過掩模的過度覆蓋來做出妥協(xié)，以便為塑料熔體通量的膨脹預(yù)留足夠的位置，因?yàn)楣に噧?yōu)化不能完全排除熔體擴(kuò)散。

過程控制

創(chuàng)建一致焊縫的第一步是從可靠的塑料部件開始。一旦創(chuàng)建了注塑模具，就可以要求成型商進(jìn)行某些控制和限制，以提供一致、可預(yù)測(cè)的質(zhì)量水平。最重要的質(zhì)量是扁平零件的質(zhì)量。如果零件的一小部分有凸起區(qū)域或變形，零件的其余區(qū)域?qū)o(wú)法保證緊密接觸，這是焊接區(qū)域良好完全覆蓋的基本要求。

掩模的對(duì)齊也很重要，因?yàn)檫@將決定焊接圖案在零件上的位置。對(duì)于焊接位置相當(dāng)寬松的組件，精度為 50 μm 或更高的組件，可以利用零件與面板的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械排列。對(duì)于需要 +/- 2 μm 焊接精度的更精確應(yīng)用，可以使用視覺系統(tǒng)。假設(shè)零件是平坦的并且掩模準(zhǔn)確對(duì)齊，則焊接功能本身仍然存在。

在激光焊接過程中，需要控制三個(gè)參數(shù)：激光功率（瓦數(shù)）、激光源在零件上移動(dòng)時(shí)的速度以及夾緊壓力。所有這三個(gè)參數(shù)都可以很容易地測(cè)量并保持一致。除此之外，還有兩種方法可以在實(shí)際焊接過程中確定一致的質(zhì)量。一種方法是結(jié)合視覺系統(tǒng)。使用合適的照明技術(shù)，可以光學(xué)觀察一些焊接缺陷（如圖 7a 和 7b 中的那些），識(shí)別焊接區(qū)域與非焊接區(qū)域。第二種方法是使用高溫計(jì)來檢測(cè)焊接區(qū)域的溫度。這項(xiàng)技術(shù)的最大挑戰(zhàn)是使設(shè)備能夠在焊接過程中測(cè)量精確的區(qū)域。當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)聚光鏡時(shí)，例如使用輪廓焊接方法，可以結(jié)合使用雙向反射鏡，以允許輻射傳輸?shù)竭_(dá)測(cè)量設(shè)備，基本上給出焊接區(qū)域的溫度讀數(shù)。使用這種方法可以確認(rèn)產(chǎn)生了足夠的熱量，也可以確認(rèn)沒有獲得過多的熱量。

結(jié)論

現(xiàn)在可以使用掩模焊接工藝連接塑料設(shè)備。 無(wú)需使用粘合劑或振動(dòng)其他更猛烈的連接方法，即可實(shí)現(xiàn)干凈精確的連接。 焊接寬度為 100 μm 和通道寬度為 100 μm 的微流體裝置已使用 TTIr 與基于掩蔽的系統(tǒng)成功焊接并以所需的精度封裝。 具有自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)和焊接程序系統(tǒng)校準(zhǔn)的特殊設(shè)計(jì)布置允許使用中等激光功率進(jìn)行非?？焖俚募訜岷屠鋮s過程。