[发明专利]一种制备具有曲率可控圆弧形截面的高温树脂阳模的方法

说明书

技术领域

本发明涉及在微细加工领域中，一种利用通气后向外凸出的弹性膜作为母模板，制作具有圆弧型截面的高温树脂阳模的方法。

 

背景技术

高分子材料具有种类多、价廉、易加工成型并易实现批量生产而成为一次性器件等优势，近年来备受人们的青睐，是加工微流控芯片的主要材料之一。复制成型是高聚物微流控芯片加工中最常用的技术，其中包括热压法、模塑法等。使用复制成型技术首先需要一个具有与芯片微结构阴阳互补模具，其中以具有凸起微结构的阳模最为常用。微阳模一般采用硅片以光刻－湿法腐蚀制备，或用金属以LIGA技术制备。其中硅片阳模易碎不耐用，金属阳模牢固度高但加工成本很高。在实验室制备微流控芯片时，也可在硅片基底上以SU-8等光胶制备阳模，但这类光胶阳模硬度低，只能用于浇筑聚二甲基硅氧烷（PDMS）芯片，不能用于热压热塑型高聚物芯片。最近有人报导了以光胶阳模作为母模，通过两次翻模，制备具有一定硬度的高温树脂阳模，成功用于热塑型高聚物微流控芯片通道的热压成型。相比于硅片和金属阳模，高温树脂阳模具有成本低、易加工、有一定硬度、不易碎等优点。

微流控芯片通道截面大多呈矩形或梯形结构，但是在一些特殊体系，要求微通道或微结构具有圆弧形截面，如集成有气动微阀的微流控液路通道系统。这是因为，只有将液路通道的截面做成圆弧形，当微阀执行关闭指令时，在气压的作用下，形变后的弹性阀膜才能与液路通道紧密贴合，完全阻断液流。利用刻蚀方法制得的硅阳模或利用电铸法制得的金属阳模的截面均为矩形或梯形结构。Unger等在制备SU-8光胶阳模时，当光刻-显影，阳模初步成型后，再通过加热使光胶回软，在光胶自身表面张力的作用下，矩形截面光胶棱角收缩钝化，最终转变成半圆弧形截面，从而制得圆弧形截面的光胶阳模，以此作为浇注用聚二甲基硅氧烷（PDMS）的阳模，制得了具有圆弧形通道截面的PDMS基片，用于制备集成化微阀阵列微流控芯片分析系统[M.A. Unger, H.P. Chou, T. Thorsen, A. Scherer, S.R. Quake, Science, 2000, 228, 113-116]。另外，在某些微流控体系中需要在芯片上集成具有一定曲率半径的微透镜。Hsieh等利用加热使光胶回软的方法，加工了具有凸型结构的光胶阳模，用于PDMS高聚物制备阵列微凸透镜[H. T. Hsieh, V. Lin, J.L. Hsieh, G.D.J. Su, Optical Communications, 2011, 284, 5225-5230]。但是，采用这种光胶回软法制得的半圆弧形微结构，曲率半径难以精确控制，而且光胶模具微结构的宽厚比不能太大，否则加热回软时, 除了在光胶凸起微结构的边缘圆弧化以外，光胶凸起结构的中间部分会发生凹陷, 导致无法得到完美的圆弧形微结构。因此，该方法的一个突出的缺点是：不适宜制备高宽深比的圆弧形微结构。另外，这种光胶阳模具有热塑性，不能用作PMMA等热塑型高聚物芯片的热压模具。

 

发明内容

本发明旨在供一种简单而且曲率可控的、具有圆弧形微结构的高温树脂阳模的制备方法，其特点是利用通气后向外凸出的弹性膜作为母模，经PDMS浇注翻制阴模，最后以浇注法制得高温树脂阳模。

本发明的具体技术方案如下：

一种具有圆弧形截面的高温树脂阳模的制备方法，利用通气后向外凸出的弹性膜作为母模板，通过软刻蚀技术先制作圆弧形截面的PDMS过渡阴模，再用PDMS阴模翻制高温树脂阳模，具体步骤为：

(1)     用数控铣床或热压法在热塑型高聚物片上加工制备带有通道网络的气压模板基片；

(2)     将气压模板带通道网络的一面进行紫外光辐射预处理；

(3)     将弹性薄膜与气压模板通过胶水封合，得到由气压模板-弹性薄膜组合的气压模具；

(4)     向气压模具的通道网络内通入压缩气体，使弹性薄膜向外凸出，形成具有圆弧截面通道的母阳模；

(5)     在凸出的母阳模上浇注PDMS预聚体，加热固化，揭下后得到PDMS阴模；

(6)     将高温树脂预聚体平铺在洁净的载玻片上，加热脱水汽后将PDMS阴模覆盖其上，轻压后加热，待高温树酯固化后，揭下PDMS阴模后即得到具有圆弧形凸出微结构的高温树脂阳模。

本发明所述的气压模板的材料是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）或聚苯乙烯（PS）。

本发明所述的气压模板的通道网络可以通过数控铣床或热等方法制备所得，其通道截面可以是矩形或梯形。