抽象定義

微流體裝置的開(kāi)發(fā)已在實(shí)驗室中證明是成功的。隨著(zhù)數量的增加，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(jìn)步現在允許對非常小而復雜的幾何形狀進(jìn)行塑料鍵合。組裝完成時(shí)沒(méi)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 的粘合區域。為了實(shí)現這一點(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(guò)，將圖案轉移到基板上。專(zhuān)用面板允許靈活性和自動(dòng)對齊可以精確地

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

并轉化為熱量。將部件夾在一起后，熱量會(huì )傳導到兩個(gè)部件中，從而形成氣密結合。大多數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(kāi)發(fā)，即所謂的芯片實(shí)驗室技術(shù)，是醫學(xué)和生物診斷發(fā)展最快的領(lǐng)域之一，適用于各種應用，包括 DNA 分析、藥物發(fā)現和臨床診斷。在微流體或微機械設備的初始設計中，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的加工方法在這些材料中加工出獨特的特征。隨著(zhù)這些設備變得越來(lái)越小，傳統緊固件的使用限制了設備的小型化程度。這些初步設計雖然適用于測試和概念驗證一次性設備，但在推進(jìn)大批量生產(chǎn)時(shí)證明是不經(jīng)濟的。因此，該舉措已轉向塑料。塑料的明顯好處是能夠通過(guò)注塑成型工藝批量生產(chǎn)物品。過(guò)去幾十年工程塑料設計的進(jìn)步創(chuàng )造了在強度、視覺(jué)清晰度、溫度穩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(jìn)的復制技術(shù)（例如注塑或熱壓?。┰诰哂?nbsp;50-100μm 尺寸通道的復雜圖案的塑料基板上生產(chǎn)微結構相對容易。這種微流體裝置的完整制造方法包括兩個(gè)主要步驟：在塑料基底晶片或層中形成微通道，并將基底層與覆蓋片粘合以形成封閉通道。塑料組裝長(cháng)期以來(lái)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(wèn)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不能或只能非常困難地適用于微結構塑料部件。激光已成為金屬加工不可或缺的方法，并且在塑料中越來(lái)越受歡迎，但主要是在打標、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用。在過(guò)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)應用領(lǐng)域。憑借其成本效益、可控的局部能量轉移以及施加在被連接材料上的低機械應力，激光傳輸焊接提供了一種有吸引力的替代方案，在傳統技術(shù)達到其極限的情況下。傳統的對接焊是最早將激光作為一種可能的連接方法進(jìn)行測試的接頭設計之一。人們很快意識到，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(cháng)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(guò)透明部分，并在吸收部分轉化為熱量。通過(guò)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(guò)熱傳導加熱。最常見(jiàn)的方法是輪廓焊接（圖 2），其中激光通過(guò)玻璃夾具和透射組件向下投射，并且激光組件通過(guò) XY 機制穿過(guò)。這項研究的目標是為塑料制成的微結構一次性流體裝置開(kāi)發(fā)一種經(jīng)濟的組裝技術(shù)。組裝過(guò)程和相關(guān)設備基于透射紅外焊接 (TTIR) 原理。本報告將掩模系統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(guò)程中流體將通過(guò)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構，尺寸為 10mm × 20mm × 3mm。在這種情況下，流體通道是 200 μm 寬。此類(lèi)設備組裝的常見(jiàn)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。通道和混合區域內裝置的整體體積和質(zhì)地必須保持一致，因為這會(huì )影響毛細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(kāi)發(fā)的；然而，這些應用程序中的大多數都是專(zhuān)屬的內部組裝。 1990 年代中期，公司開(kāi)始銷(xiāo)售用于連接塑料的交鑰匙系統。

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

當需要線(xiàn)或區域形式的非常小且高精度的焊縫時(shí)，必須確保對沉積的激光能量進(jìn)行精確的局部區分。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(xiàn)上的二極管條照亮，該線(xiàn)在面板上進(jìn)行掃描。焊接過(guò)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。

工藝設備

本文中描述的微流體裝置的所有組裝過(guò)程均由圖 4 所示的掩模焊接系統執行?；竟に囋O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(cháng)在 NIR 范圍內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(guò)程，需要 30-90W 范圍內的功率。

在掩模焊接過(guò)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 毫米的對準精度焊接零件。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位。在大多數情況下，這是可以接受的，設計良好的夾具可以確?？芍貜偷暮附訄D案放置。如果需要極其精確的焊接對準，帶有 3 軸平臺 (XY-φ) 的視覺(jué)系統可以通過(guò)使用兩點(diǎn)測量原理和直接從微結構中選擇的明確位置標記來(lái)調整掩模相對于焊接部件的位置在焊接部分（圖 6）。定義的位置標記的定位是通過(guò)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(lái)執行的。在調整過(guò)程之后，組件被抬起并壓在掩模上，激光源出現在組件上方。圖 3 顯示了這些更小、更精確的組件。

結果和討論

微米范圍內的掩模焊接概念與焊接過(guò)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(dòng)的響應.

為了實(shí)現小型結構的最佳焊接質(zhì)量，使用非結構化（扁平）和結構化（具有微通道）塑料部件研究熔體流動(dòng)。圖 7 顯示了選定的測試焊縫。已實(shí)現最小尺寸為 100 μm 的焊接結構。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度和照射時(shí)間。該流程的控制是通過(guò)過(guò)程優(yōu)化實(shí)現的（圖 8）。

非結構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(xiàn)的寬度作為掃描速度的函數。在窄范圍內顯示出近乎線(xiàn)性的行為。掃描速度低于 30 mm/s 時(shí)，由于掩模區域外的過(guò)度熔化，無(wú)法測量明確的結構。對于大于 50 mm/s 的掃描速度，激光照射不會(huì )產(chǎn)生熔體流體相。

大多數塑料材料僅在深度為 25 到 100 μm 的頂面吸收 NIR 范圍內的激光束。激光能量的深度穿透可以通過(guò)液體塑料流體的熱相互作用來(lái)實(shí)現?？焖偌訜岷屠鋮s過(guò)程有利于限制熔體擴散，但可能會(huì )導致非常薄的有效對流區，從而降低焊接強度。必須通過(guò)掩模的過(guò)度覆蓋來(lái)做出妥協(xié)，以便為塑料熔體通量的膨脹預留足夠的位置，因為工藝優(yōu)化不能完全排除熔體擴散。

過(guò)程控制

創(chuàng )建一致焊縫的第一步是從可靠的塑料部件開(kāi)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域或變形，零件的其余區域將無(wú)法保證緊密接觸，這是焊接區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準機械排列。對于需要 +/- 2 μm 焊接精度的更精確應用，可以使用視覺(jué)系統。假設零件是平坦的并且掩模準確對齊，則焊接功能本身仍然存在。

在激光焊接過(guò)程中，需要控制三個(gè)參數：激光功率（瓦數）、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(shí)際焊接過(guò)程中確定一致的質(zhì)量。一種方法是結合視覺(jué)系統。使用合適的照明技術(shù)，可以光學(xué)觀(guān)察一些焊接缺陷（如圖 7a 和 7b 中的那些），識別焊接區域與非焊接區域。第二種方法是使用高溫計來(lái)檢測焊接區域的溫度。這項技術(shù)的最大挑戰是使設備能夠在焊接過(guò)程中測量精確的區域。當使用標準聚光鏡時(shí)，例如使用輪廓焊接方法，可以結合使用雙向反射鏡，以允許輻射傳輸到達測量設備，基本上給出焊接區域的溫度讀數。使用這種方法可以確認產(chǎn)生了足夠的熱量，也可以確認沒(méi)有獲得過(guò)多的熱量。

結論

現在可以使用掩模焊接工藝連接塑料設備。 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 與基于掩蔽的系統成功焊接并以所需的精度封裝。 具有自動(dòng)對準和焊接程序系統校準的特殊設計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(guò)程。