【微流控·博士公开课】高深宽比微结构注塑辅助技术：聚合物微流控芯片加工技术（下）

图1 注塑成型与热压成型的成本比较

对于高深宽比结构，热压印往往需要提高温度，牺牲效率以得到更好填充，而注塑成型比热压印更困难，需要各种辅助技术。变模温注塑技术是应用Z为广泛的一种。

变模温注塑原本应用于产品的高光无痕注塑，如图2所示，通过注射过程中提高模具温度，使得熔体流动前沿与模面接触点的界面温度提高，可使模具部分的微细形状复制容易，如结合表面高光的模具、特殊工程塑料，可生产出高光泽度的注塑产品，又称为快速热循注塑、动态模温控制技术等。

变模温技术除了提高微结构的充填、减少缺陷提高外观以外，还可以减少残余应力、缩短成型周期等。

模具表面的加热方式是温控系统的关键技术，通过加热方式的不同可以分为蒸汽/过热水加热、电加热、红外加热、电磁感应加热等。

图2 变模温与常规注塑循环示意图

1.急冷急热模温机

即采用特殊变温技术的模温机达到变模温的效果，以油或水作为传送介质，如图3所示，为提GX果须对模具进行热学处理：

a）水道须距离模具表面尽量靠近以加快传热；

b）模仁部分需与模架做到闭空绝热处理。

图4为使用变模温机对于填充效果的影响，a,b图为模温130℃的填充效果，c和d图为150℃。可见效果十分明显。

图3 急冷急热模温机控制

图4 使用变模温机的填充效果对比

2.电加热模具

如韩国E-mold系统，电加热成本低，易实施，但易造成模具加热不均，降温慢，能耗高等缺点。

除使用传统加热棒外，也有研究者使用自带加热的模芯，将加热元件与微结构做到一体，大大加强了加热效率，亦得到很高的深宽比结构。

图5 模芯植入加热元件示意图

图6 模芯植入加热元件得到的PMMA高深宽比结构

3.电磁感应加热

模具外部加热方式的一种，根据电磁感应原理使工件的温度升高。由于集肤效应，在工件表面上产生的涡流Z强，而在内部很弱，到芯部接近于零。因此这种方法可只对工件表面至集肤深度范围加热，因此加热体积小，升温速度快，如台湾中原大学研发的系统升温速度已经达到20℃/s以上。

由图8，可知填充深度与模具温度有重要影响。

电磁感应加热的缺点在于模芯材料受限，须是铁磁性材料（Fe，Ni，Co）。

图7 电磁感应加热微结构模具

图8 电磁感应加热温度与填充高度的关系

4.红外加热

与电磁感应一样使用外部加热方式，同样具有无需接触，热量集中在表面，安全、设备简单、易推广等，其缺点在于光亮金属的红外线吸收能力较弱，加热速度慢，以及加热均匀性等问题。图10为使用后的效果。

图9 红外辐射加热示意图

a）未使用红外加热

b）使用红外加热

图10 使用红外加热的填充效果对比

除了使用变模温的辅助方式以外，还有真空辅助注塑成型、注塑压缩成型、超声波辅助注塑成型等。

其中，注塑压缩成型效果较好，但需要带有压缩功能的注塑机模块的支持；超声波辅助提升作用有限，需要对注塑机或模具进行复杂改造；真空辅助在不同文献的作用差别较大，起到反作用的原因通常认为真空抽气可能降低模具温度。

含光微纳具有业界先进的聚合物微流控芯片量产解决方案，含光独有的模具加工工艺结合精密注塑成型，拥有多种注塑辅助技术，实现快速、精细、Z小流道低至1μm的聚合物芯片大规模量产，显著降低了芯片的制造费用。

参考文献

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本期作者

Wendell

北京大学博士，研究方向MEMS微加工，在国际ding级mems、transducers会议上发表多篇文章，欧洲访学归国，专注微成型领域5年以上。

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