用于透明微流體裝置制造的原位轉(zhuǎn)移式光聚合技術(shù)

供稿人：王帥偉 連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　


軟光刻技術(shù)作為一種新型的光刻技術(shù)，相比傳統(tǒng)光刻技術(shù)可以打印出更加精細(xì)的結(jié)構(gòu)。因此，軟光刻技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于電子、生物、微電子、傳感器等加工領(lǐng)域。雖然VPP(Vat photopolymerization)技術(shù)相比軟光刻技術(shù)來說在進(jìn)行打印時(shí)更加高效，但是難以在打印方向上良好地控制生成微米級(<100μm)通道。南加州大學(xué)先進(jìn)制造中心的Daniel J. Epstein等人[1]提出使用3D打印與原位轉(zhuǎn)移式光聚合技術(shù)（IST-VPP），解決在打印透明微流體器件時(shí)，透明樹脂易過固化，從而造成固化樹脂阻塞微流體通道導(dǎo)致堵塞這一問題。

相比傳統(tǒng)光刻裝置，該裝置具有一個(gè)由兩個(gè)額外的電動(dòng)線性平臺(tái)驅(qū)動(dòng)的輔助平臺(tái),如(圖1a)所示。同時(shí)，研究人員使用簡化的Y結(jié)流體混合器模型(圖1c)來說明打印過程(圖1d-i)。

圖1 IST-VPP工藝原理[1] a)IST-VPP裝置的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。b) VPP打印過程中不同材料界面不同接觸區(qū)域的分離力測量。c)簡化的Y結(jié)流體混合器模型及其三個(gè)正交視圖。d、e)主構(gòu)建平臺(tái)和相應(yīng)的投影圖像。f)使用輔助平臺(tái)和相應(yīng)的灰度蒙版圖像制作通道頂部。g、h)通道的兩部分進(jìn)行粘接。i)制造零件的其余部分。

如圖2所示，為了驗(yàn)證IST-VPP是否可以實(shí)現(xiàn)精確的微流體通道高度控制，研究人員首先設(shè)計(jì)了一個(gè)單層微流體通道的零件的CAD模型，其中包含一層具有10、20、30、40、50和60μm高度的嵌入式通道（圖2a）。通道寬度為75μm（所用 DLP系統(tǒng)的4像素大小）。SEM圖像（圖2b）給出了打印通道的詳細(xì)橫截面輪廓。對于10μm高度的通道（用綠色圈出）。為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提出的方法制造多層微通道的可行性，研究人員制作了一個(gè)具有24個(gè)通道的模型，其高度從10μm到60μm（圖2c）。SEM結(jié)果（圖2d）和統(tǒng)計(jì)結(jié)果（圖2e）表明他們的平均誤差為<1.5μm，達(dá)到了系統(tǒng)所使用的Z軸移動(dòng)距離的精度極限。此外，該團(tuán)隊(duì)還使用該方法打印出微流體閥和微粒分選裝置。

圖2 通過IST-VPP制造微流體通道[1] a)嵌入了單層微流體通道的零件的CAD模型。b)微流體通道橫截面的掃描電鏡圖像。c)具有多層微流體通道的部件的CAD模型。d)多層微流體通道截面的掃描電鏡圖像。e)預(yù)制通道高度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

這項(xiàng)研究提出了一種基于VPP技術(shù)的成形方法，所制造的微流體通道在Z向上分辨率<10μm，在XY平面上精度在±1μm內(nèi)。 研究人員還提出如果該裝置使用具有亞微米分辨率的Z向壓電傳動(dòng)軸能實(shí)現(xiàn)接近TTP（Two photon polymerization）的分辨率。 而且，相比TPP，這種方法的打印速度超過100倍，成本降低100倍。 總之，該系統(tǒng)具有顯著的微細(xì)結(jié)構(gòu)打印優(yōu)勢。
參考文獻(xiàn)：

    徐 Y，齊 F，毛 H，等。 用于透明微流控器件制造的原位轉(zhuǎn)移缸光聚合[J]. 自然通訊，2022 年，13(1)。