用于透明微流體裝置制造的原位轉移式光聚合技術

供稿人：王帥偉 連芩 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　


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

相比傳統(tǒng)光刻裝置，該裝置具有一個由兩個額外的電動線性平臺驅動的輔助平臺,如(圖1a)所示。同時，研究人員使用簡化的Y結流體混合器模型(圖1c)來說明打印過程(圖1d-i)。

圖1 IST-VPP工藝原理[1] a)IST-VPP裝置的詳細結構。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結流體混合器模型及其三個正交視圖。d、e)主構建平臺和相應的投影圖像。f)使用輔助平臺和相應的灰度蒙版圖像制作通道頂部。g、h)通道的兩部分進行粘接。i)制造零件的其余部分。

如圖2所示，為了驗證IST-VPP是否可以實現精確的微流體通道高度控制，研究人員首先設計了一個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橫截面輪廓。對于10μm高度的通道（用綠色圈出）。為了進一步驗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具有24個通道的模型，其高度從10μm到60μm（圖2c）。SEM結果（圖2d）和統(tǒng)計結果（圖2e）表明他們的平均誤差為<1.5μm，達到了系統(tǒng)所使用的Z軸移動距離的精度極限。此外，該團隊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)預制通道高度的統(tǒng)計結果。

這項研究提出了一種基于VPP技術的成形方法，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。 研究人員還提出如果該裝置使用具有亞微米分辨率的Z向壓電傳動軸能實現接近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)具有顯著的微細結構打印優(yōu)勢。
參考文獻：

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