一种利用数控雕刻技术结合石蜡基片制作微流控芯片模具的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用数控雕刻技术结合石蜡基片制作微流控芯片模具的方法，属于微加工领域。本方法先将绘图软件绘制的微流控芯片图形刻划在石蜡基片上，形成石蜡母模；再利用表面涂层技术改进石蜡母模表面的光滑度；最后通过浇注倒模的方法制作微流控芯片模具。本发明专利技术的方法一方面利用了石蜡硬度较低的特点，使得在使用超细径刀具加工微管道或微腔体结构时不易出现刀具断裂的现象，从而能够制备结构更精细的微流控芯片模具；另一方面操作简单，只需AutoCAD芯片设计、雕刻机加工、表面涂层、浇注倒模等步骤，可极大程度减少微流控芯片模具的加工时间和成本。本发明专利技术微流控芯片模具的制作方法适合微流控芯片小批量生产或实验室级别的加工。

【技术实现步骤摘要】
一种利用数控雕刻技术结合石蜡基片制作微流控芯片模具的方法
本专利技术属于微加工领域，具体涉及一种利用数控雕刻技术结合石蜡基片制作微流控芯片模具的方法。
技术介绍
近年来，微流控技术作为一种新的技术平台，在生物和化学领域受到广泛关注，是当前发展最活跃的领域之一。对于微流控技术来说，微流控芯片的加工制作是其应用的前提和基础。目前制作微流控芯片的基质材料主要有硅、玻璃和聚合物三大类。其中硅和玻璃材质芯片通常是采用微电子加工工艺结合湿法腐蚀来实现，具体流程包括掩模版的制作、光刻图形化(光刻工艺包括涂胶、烘胶、曝光、显影、后烘等步骤)、湿法腐蚀或干法刻蚀、键合，整个制作过程周期长、成本高，大大限制了硅基和玻璃微流控芯片的实际应用。近年来，聚合物微流控芯片以其材料价格低、加工成型方法多、易于大批量规模化制备的优势，得到越来越多的关注。其中目前主流的聚合物微流控芯片加工成型技术包括热压成型、注塑成型和浇注成型等三种，这三种成型技术均需要预先制备微流控芯片模具。传统的微流控芯片模具制作方法包括基于光刻工艺的SU-8模具制作、基于LIGA(Lithographiegalvanoformungabformung)工艺和微电铸技术的金属模具制作，这些制作方法均存在加工过程复杂、制作周期较长、需要昂贵的设备以及苛刻的加工环境，这些缺陷在一定程度上大大限制了微流控技术的发展和实际应用。因此，迫切需要发展一种快速简洁、成本低廉的微流控芯片模具制作方法，促进微流控芯片的低成本、快速制备，从而加速微流控技术的研究和实际应用。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种利用数控雕刻技术结合石蜡基片制作微流控芯片模具的方法。为实现上述专利技术目的，本专利技术提供如下技术方案：1、一种利用数控雕刻技术结合石蜡基片制作微流控芯片模具的方法，所述方法的步骤如下：(1)利用数控雕刻机将AutoCAD软件绘制的微流控芯片图形刻划在石蜡基片上，形成微管道和/或微腔体结构，制得基于石蜡基片的微流控芯片母模；(2)对基于石蜡基片的微流控芯片母模进行表面涂层处理，改进微结构表面光滑度；(3)利用石蜡母模，通过浇注、倒模技术即可得到微流控芯片模具。优选的，所述石蜡基片的表面光滑、平整并且内嵌于金属、玻璃或者陶瓷类硬质材料腔中。优选的，步骤(1)中所述的母模的具体制作步骤如下：(1)首先利用AutoCAD软件进行微流控芯片图形设计，然后将该设计图形导入到数控软件中，设置加工工艺参数，最后通过软件生成数控加工代码；(2)将待加工的石蜡基片通过外围硬质框固定于数控雕刻机的加工平台上；(3)将步骤(1)中得到的数控加工代码导入到数控雕刻机的控制软件中，控制刀具运行轨迹，使其在石蜡基片上雕刻加工所设计图形；(4)雕刻完成后，将加工有图形的石蜡基片清洗干净，制得基于石蜡基片的微流控芯片母模。优选的，步骤(2)中所述的表面涂层处理的具体操作步骤如下：(1)将PDMS和交联剂按照5～15:1的质量比进行混合，并真空除泡，得到含交联剂的PDMS；(2)将上述步骤(1)中制得的含交联剂的PDMS旋涂于基于石蜡基片的微流控芯片母模，静置10～30min；(3)将上述步骤(2)的产物放置于数控雕刻机的加工平台上，利用固定于主轴刀具夹头上的压缩空气针头，沿母模雕刻路径移动，吹出石蜡模具微结构中残留过多的PDMS，继续静置1～2h，使PDMS回流平坦；(4)将步骤(3)中静置后的母模在50～60℃热板上或烘箱中静置4～8h或者室温下静置24～48h，使PDMS涂层固化，完成母模表面光滑处理。优选的，步骤(1)中所述PDMS和交联剂按照10:1的质量比进行混合，并真空除泡，得到含交联剂的PDMS。优选的，步骤(3)中所述的模具包括聚合物模具和陶瓷模具。进一步，所述的石蜡基片通过以下方法制备：(1)将包含空腔的金属板、玻璃板或者陶瓷板放置于100～120℃的热板上，将熔化的石蜡浇注于平板空腔中，覆盖一层胶片和玻璃板，静置10～20min；(2)关闭热板电源，使石蜡冷却凝固；(3)待石蜡冷却凝固后，移除盖玻板和胶片，即制得表面光滑、平整的石蜡基片。进一步，母模的具体制作步骤(1)所述的工艺参数为刀具类型为立铣刀，刀具直径为0.025～5mm，刀具转速设置为6000～10000rpm，进给速度为0.2～20mm/min之间，进给深度设置为0.01～1mm。进一步，所述聚合物模具的制备方法如方法一所示：(1)将可交联的液态聚合物浇注于经表面涂层处理过的石蜡母模上，静置使聚合物固化，(2)剥离石蜡母模及其表面的PDMS膜，即制得聚合物模具；所述陶瓷模具的制备方法如方法二所示：(1)将陶瓷粉料分散于添加有分散剂的水或乙醇溶剂中，球磨12～36h，得到陶瓷粉浆，(2)将球磨后制得的陶瓷粉浆浇注于经表面涂层处理的石蜡母模上，静置12～48h，使溶剂挥发，得到浇注陶瓷粉体的石蜡母模，(3)将浇注陶瓷粉体的石蜡母模置于100～150℃的热板或烘箱中，熔化除去石蜡，剥离PDMS膜，得到陶瓷块体，(4)将陶瓷块体放置于600～1700℃的高温退火炉中，烧结1～3h，冷却后即得陶瓷模具。优选的，所述可交联的液态聚合物为环氧胶、紫外胶或者SU-8胶中的任意一种。优选的，所述陶瓷粉料为氧化铝、氧化镍、氧化钛、氧化锆、氧化锌、氧化锡或者锆钛酸铅中的任意一种。本专利技术公开了一种利用数控雕刻技术结合石蜡基片制作微流控芯片模具的方法，其有益效果在于：1、本专利技术采用的石蜡基片相对于常规的数控雕刻材料(如铜、铝、有机玻璃、树脂等)硬度较低，因此可以利用超细径刀具加工微管道或微腔体结构而不出现刀具断裂的情况，从而制作结构更精细的微流控芯片模具；2、本专利技术的微流控芯片模具的制备方法操作简单，只需要CAD芯片设计、雕刻机加工、表面涂层、浇注倒模等操作，因此相比于传统的基于光刻技术制作微流控芯片模具的方法，能够极大程度减少微流控芯片模具的加工时间和成本，具有制作周期短、加工成本低、结构设计灵活性高等优势，从而加速微流控技术的研究和实际应用；3、本专利技术的方法还可通过控制刀具进给深度或者更换刀具制作具有三维结构的微流控芯片模具，为微流控芯片结构设计和前期原理验证提供了一种更加灵活简捷的途径；4、本专利技术的方法适合微流控芯片小批量生产或实验室级别的加工。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本专利技术提供如下附图：图1为制备微流控芯片模具的流程示意图；图2为石蜡基片制作流程示意图；图3为基于石蜡母模浇注倒模制作热敏固化型聚合物微流控芯片模具示意图；图4为基于石蜡母模浇注倒模制作光敏固化型聚合物微流控芯片模具示意图；图5为基于石蜡母模浇注倒模制作陶瓷微流控芯片模具示意图。具体实施方式下面将对本专利技术的优选实施例进行详细的描述。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。本专利技术一种利用数控雕刻技术结合石蜡基片制作微流控芯片模具的方法的流程示意图如图1所示。实施例1制作基于环氧胶的聚焦型液滴微流控芯片模具，具体步骤是：(1)石蜡基片制作：将一块镂空玻璃板与另一平整玻璃板以双面胶带粘接，组合成一含空腔的平板；将此平板放置于100℃热板上，并在其空腔中注入熔化的微晶蜡，使石蜡液面稍高于空腔上表面；再将一张本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用数控雕刻技术结合石蜡基片制作微流控芯片模具的方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：(1)利用数控雕刻机将AutoCAD软件绘制的微流控芯片图形刻划在石蜡基片上，形成微管道和/或微腔体结构，制得基于石蜡基片的微流控芯片石蜡母模；(2)对石蜡母模进行表面涂层处理，改进微结构表面的光滑度；(3)利用石蜡母模，通过浇注、倒模技术即可得到微流控芯片模具。

【技术特征摘要】
1.一种利用数控雕刻技术结合石蜡基片制作微流控芯片模具的方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：(1)利用数控雕刻机将AutoCAD软件绘制的微流控芯片图形刻划在石蜡基片上，形成微管道和/或微腔体结构，制得基于石蜡基片的微流控芯片石蜡母模；(2)对石蜡母模进行表面涂层处理，改进微结构表面的光滑度；(3)利用石蜡母模，通过浇注、倒模技术即可得到微流控芯片模具。2.根据权利要求1所述的制作微流控芯片模具的方法，其特征在于，所述石蜡基片的表面光滑、平整并且内嵌于金属、玻璃或者陶瓷类硬质材料腔中。3.根据权利要求1所述的制作微流控芯片模具的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的母模的具体制作步骤如下：(1)首先利用AutoCAD软件进行微流控芯片图形设计，然后将该设计图形导入到数控软件中，设置加工工艺参数，最后通过软件生成数控加工代码；(2)将待加工的石蜡基片通过外围硬质框固定于数控雕刻机的加工平台上；(3)将步骤(1)中得到的数控加工代码导入到数控雕刻机的控制软件中，控制刀具运行轨迹，使其在石蜡基片上雕刻加工所设计图形；(4)雕刻完成后，将加工有图形的石蜡基片清洗干净，制得基于石蜡基片的微流控芯片母模。4.根据权利要求1所述的制作微流控芯片模具的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的表面涂层处理的具体操作步骤如下：(1)将PDMS和交联剂按照5-15:1的质量比进行混合，并真空除泡，得到含交联剂的PDMS；(2)将上述步骤(1)中制得的含交联剂的PDMS旋涂于石蜡母模，静置10～30min；(3)将上述步骤(2)静置后的产物置于数控雕刻机的加工平台上，利用固定于主轴刀具夹头上的压缩空气针头，沿母模雕刻路径移动，吹出石蜡模具微结构中残留过多的PDMS，继续静置1～2h，使PDMS回流平坦；(4)将步骤(3)中静置后的母模在50～60℃热板上或烘箱中静置4～8h或者室温下静置24～48h，使PDMS涂层固化，完成母模表面光滑处理。5.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：李刚，刘小龙，库晓永，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50