玻璃三通微流体管道热流变拉制仪设计及实验

　　1　引　言

　　微流体系统是目前微系统研究的一个热点,作为微量流体驱动和流动的平台,微流体器件在生物医学工程、微全分析系统(μTAS)、微传热、微化学等领域有着重要的应用前景。近年来,微流体器件的制作技术发展很快,已从传统的光刻工艺发展到模塑法[1]、激光烧蚀法[2]、微细切削加工[3]、软刻蚀法[4]等多种方法。通用的二维微流体器件制备工艺通常是先在基片上加工出未封闭的微沟槽网络,然后通过键合工艺将基片与盖板封接在一起从而形成密封的微管道系统,微管道结构的加工成形方向一般与管道轴线所在平面垂直。多年来,研究者们一直致力于简化微管道加工工艺过程,降低制作成本,缩短制备周期,提高微管道表面质量。

　　微流体数字化技术以裸微结构的微流体器件为微量流体的流动载体[5],通过裸微结构的微流体器件,将小幅脉冲惯性力施加于微量流体,在惯性力与粘性力交替作用下实现流体在微管道中的数字化脉冲流动[6]。为了获得具有良好微流动特性的圆截面微流体器件,并在此基础上构建二维裸微结构微流体管道网络,南京理工大学微系统研究室设计了基于热流变拉伸成形原理的玻璃三通微流体管道制备工艺[7]。本文在此工艺基础上设计了玻璃三通微流体管道热流变拉制仪。

　　2　工　艺

　　2.1　工艺原理

　　玻璃是一种热粘弹性材料,从流变制造角度来看,玻璃的成型过程是一个复杂的粘弹材料流变成型过程[8]。根据玻璃成型的特点,在微管道拉伸成型工艺中,先将玻璃毛细管变形区加热至成型温度,使其达到半熔融状态。然后在其冷却固化过程中沿轴向对其施加一个瞬时的拉伸力。半融区的毛细玻璃管在沿拉伸方向伸长的同时内外径减小,从而完成圆形截面微管道成型。拉伸力牵引玻璃半融体发生变形,玻璃和空气间的表面张力保证微管道内外壁面获得正确的圆柱形状。采用该工艺可制备理想圆截面的玻璃微管道[7],微管道的加工成形方向在微管道轴线平面内。

　　2.2　工艺过程概述

　　玻璃三通微管道成型过程如图1所示,主要分为以下3步:

　　2.2.1　毛坯弯制

　　将制作电极用硼硅酸盐玻璃毛细管(内径1.0 mm,外径1.6 mm,长100 mm)中部热软化后弯制成“V”字形的二维结构的玻璃毛细管毛坯,形成如图1所示的1端、2端和3端;

　　2.2.2　粘丝工艺

　　芯丝通电红热后,靠近V形玻璃毛细管的1端部并将其热软化。微量进针,将芯丝嵌入到毛细管适当位置,冷却后1端固结在芯丝端部;

　　2.2.3　三通管道二维热拉伸成型

　　将毛坯的固结区(1端)在加热器形成的加热域中软化,加热器断电后,在半熔融玻璃冷却过程中,牵引2、3端拉伸一个适当的距离,与原拉伸端对应形成1管、2管和3管,完成三通微管道成型。