抽象定義

微流體裝置的開發(fā)已在實驗室中證明是成功的。隨著數(shù)量的增加，塑料因其相對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)的進步現(xiàn)在允許對非常小而復(fù)雜的幾何形狀進行塑料鍵合。組裝完成時沒有粘合劑、振動或顆粒污染的形成。激光掩模焊接技術(shù)可以創(chuàng)建窄至 100 μm 的粘合區(qū)域。為了實現(xiàn)這一點，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對齊可以精確地

將面板定位在 +/- 2 μm 內(nèi)。微流控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，熱量會傳導(dǎo)到兩個部件中，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)，即所謂的芯片實驗室技術(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。在微流體或微機械設(shè)備的初始設(shè)計中，首選材料是硅、金屬、玻璃/石英或獨特的聚合物（如 PDMS），主要是因為這些材料的微制造方法已在微電子行業(yè)得到廣泛發(fā)展?？梢允褂脗鹘y(tǒng)的加工方法在這些材料中加工出獨特的特征。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)計雖然適用于測試和概念驗證一次性設(shè)備，但在推進大批量生產(chǎn)時證明是不經(jīng)濟的。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)計的進步創(chuàng)造了在強度、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，因為它們對某些化學(xué)品的抵抗力和生物相容性。使用最先進的復(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)相對容易。這種微流體裝置的完整制造方法包括兩個主要步驟：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。塑料組裝長期以來一直以超聲波焊接、振動焊接、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)達到其極限的情況下。傳統(tǒng)的對接焊是最早將激光作為一種可能的連接方法進行測試的接頭設(shè)計之一。人們很快意識到，在塑料連接市場中，采用透射紅外方法將是最理想的采用激光的方法（圖 1）。

待接合的兩個塑料部件在激光波長下必須具有不同的光學(xué)傳輸特性，一個必須是透明或半透明的，另一個是吸收性的。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 機制穿過。這項研究的目標(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實心塑料底座組成，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。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分層和焊接，而不會溢出/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，因為這會影響毛細(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)的最新進展，現(xiàn)在可以使用 NIR 范圍（700 至 1500 nm）的緊湊、經(jīng)濟和可靠的激光源，這促進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，必須確保對沉積的激光能量進行精確的局部區(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。基本工藝設(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?？梢允褂煤唵蔚膴A具以 0.10 毫米的對準(zhǔn)精度焊接零件。圖 5 顯示了一個焊接組件，您可以在其中看到焊接圖案的輕微錯位。在大多數(shù)情況下，這是可以接受的，設(shè)計良好的夾具可以確?？芍貜?fù)的焊接圖案放置。如果需要極其精確的焊接對準(zhǔn)，帶有 3 軸平臺 (XY-φ) 的視覺系統(tǒng)可以通過使用兩點測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熔體流動的響應(yīng).

為了實現(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。圖 7 顯示了選定的測試焊縫。已實現(xiàn)最小尺寸為 100 μm 的焊接結(jié)構(gòu)。熔體流動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度和照射時間。該流程的控制是通過過程優(yōu)化實現(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，由于掩模區(qū)域外的過度熔化，無法測量明確的結(jié)構(gòu)。對于大于 50 mm/s 的掃描速度，激光照射不會產(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現(xiàn)?？焖偌訜岷屠鋮s過程有利于限制熔體擴散，但可能會導(dǎo)致非常薄的有效對流區(qū)，從而降低焊接強度。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，因為工藝優(yōu)化不能完全排除熔體擴散。

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行某些控制和限制，以提供一致、可預(yù)測的質(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。

掩模的對齊也很重要，因為這將決定焊接圖案在零件上的位置。對于焊接位置相當(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)機械排列。對于需要 +/- 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，需要控制三個參數(shù)：激光功率（瓦數(shù)）、激光源在零件上移動時的速度以及夾緊壓力。所有這三個參數(shù)都可以很容易地測量并保持一致。除此之外，還有兩種方法可以在實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），識別焊接區(qū)域與非焊接區(qū)域。第二種方法是使用高溫計來檢測焊接區(qū)域的溫度。這項技術(shù)的最大挑戰(zhàn)是使設(shè)備能夠在焊接過程中測量精確的區(qū)域。當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)聚光鏡時，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_測量設(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。 無需使用粘合劑或振動其他更猛烈的連接方法，即可實現(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。 具有自動對準(zhǔn)和焊接程序系統(tǒng)校準(zhǔn)的特殊設(shè)計布置允許使用中等激光功率進行非?？焖俚募訜岷屠鋮s過程。