用于透明微流体装置制造的原位转移式光聚合技术

供稿人：王帅伟 连芩 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室　


软光刻技术作为一种新型的光刻技术，相比传统光刻技术可以打印出更加精细的结构。因此，软光刻技术已经应用于电子、生物、微电子、传感器等加工领域。虽然VPP(Vat photopolymerization)技术相比软光刻技术来说在进行打印时更加高效，但是难以在打印方向上良好地控制生成微米级(<100μm)通道。南加州大学先进制造中心的Daniel J. Epstein等人[1]提出使用3D打印与原位转移式光聚合技术（IST-VPP），解决在打印透明微流体器件时，透明树脂易过固化，从而造成固化树脂阻塞微流体通道导致堵塞这一问题。

相比传统光刻装置，该装置具有一个由两个额外的电动线性平台驱动的辅助平台,如(图1a)所示。同时，研究人员使用简化的Y结流体混合器模型(图1c)来说明打印过程(图1d-i)。

图1 IST-VPP工艺原理[1] a)IST-VPP装置的详细结构。b) VPP打印过程中不同材料界面不同接触区域的分离力测量。c)简化的Y结流体混合器模型及其三个正交视图。d、e)主构建平台和相应的投影图像。f)使用辅助平台和相应的灰度蒙版图像制作通道顶部。g、h)通道的两部分进行粘接。i)制造零件的其余部分。

如图2所示，为了验证IST-VPP是否可以实现精确的微流体通道高度控制，研究人员首先设计了一个单层微流体通道的零件的CAD模型，其中包含一层具有10、20、30、40、50和60μm高度的嵌入式通道（图2a）。通道宽度为75μm（所用 DLP系统的4像素大小）。SEM图像（图2b）给出了打印通道的详细横截面轮廓。对于10μm高度的通道（用绿色圈出）。为了进一步验证所提出的方法制造多层微通道的可行性，研究人员制作了一个具有24个通道的模型，其高度从10μm到60μm（图2c）。SEM结果（图2d）和统计结果（图2e）表明他们的平均误差为<1.5μm，达到了系统所使用的Z轴移动距离的精度极限。此外，该团队还使用该方法打印出微流体阀和微粒分选装置。

图2 通过IST-VPP制造微流体通道[1] a)嵌入了单层微流体通道的零件的CAD模型。b)微流体通道横截面的扫描电镜图像。c)具有多层微流体通道的部件的CAD模型。d)多层微流体通道截面的扫描电镜图像。e)预制通道高度的统计结果。

这项研究提出了一种基于VPP技术的成形方法，所制造的微流体通道在Z向上分辨率<10μm，在XY平面上精度在±1μm内。 研究人员还提出如果该装置使用具有亚微米分辨率的Z向压电传动轴能实现接近TTP（Two photon polymerization）的分辨率。 而且，相比TPP，这种方法的打印速度超过100倍，成本降低100倍。 总之，该系统具有显着的微细结构打印优势。
参考文献：

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