一种玻璃基微通道网络的成型装置及其加工方法.pdf

本发明公开了一种玻璃基微通道网络成型装置及其加工方法，装置包括圆直的玻璃基微通道、夹持槽道、定位器、成型靠模、第一运动台、第二运动台、第三运动台、工作台、加热片及运动控制器、中心处理器；其中，所述圆直的玻璃基微通道的一端夹固在所述夹持槽道内，另一端与定位器连接；所述成型靠模安装于第一运动台上，所述夹持槽道安装于第二运动台上，所述加热片安装于第三运动台上，所述第一运动台、第二运动台、第三运动台和定位器均安装于工作台上并均与运动控制器控制连接；与现有技术与设备相比，具有很强拓展性，加工自由度大且由常规器件组成，装置结构简单，工作可靠且便捷，成本低廉。

1.  一种玻璃基微通道网络成型装置，其特征在于：包括圆直的玻璃基微通道(3)、夹持槽道(1)、定位器(7)、成型靠模(5)、第一运动台(4)、第二运动台(13)、第三运动台(8)、工作台(14)、加热片(6)、电压控制器(9)、电源(10)、运动控制器(12)及中心处理器(11)；其中，圆直的玻璃基微通道(3)的一端设置于夹持槽道(1)内，另一端水平设置并通过定位器(7)定位；所述第一运动台(4)、第二运动台(13)、第三运动台(8)上分别固定连接所述成型靠模(5)、夹持槽道(1)及加热片(6)；所述第一运动台(4)、第二运动台(13)及第三运动台(8)和定位器(7)均设置在所述工作台(14)上并均与运动控制器(12)控制连接；所述加热片(6)通过电压控制器(9)与电源(10)连接；所述运动控制器(12)和电压控制器(9)分别与所述中心处理器(11)控制连接；
所述第一运动台(4)、第二运动台(13)及第三运动台(8)均为电机控制的丝杠滑台；所述电机与运动控制器(12)连接；
所述夹持槽道(1)包括槽道及弹性压板(2)，所述弹性压板(2)设置于夹持槽道(1)的开口上方形成闭合槽，进而夹持玻璃基微通道(3)；弹性压板(2)由弹性片(15)与柔性元件(16)粘接而成。

2.  如权利要求1所述的玻璃基微通道网络成型装置，其特征在于：所述圆直的玻璃基微通道(3)材料为石英玻璃、硼硅酸盐玻璃、铅硅酸盐玻璃中的任意一种，且内外径尺寸处于毫米或微米量级。

3.  一种基于权利要求1-2任一项所述玻璃基微通道网络成型装置的加工方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
(a)清洁夹持：将玻璃基微通道(3)清洁干燥后，利用均匀分布的弹性压板(2)封挡在平直的夹持槽道(1)内，利用定位器(7)固定玻璃基微通道(3)的一端，以便于后续操作；
(b)加热软化：根据所加工微通道网络结构特征，利用第三运动台(8)将加热片(6)移动至玻璃基微通道(3)指定变形部位，加热至软化温度；利用第一运动台(4)将成型靠模(5)移动至玻璃基微通道(3)变形部位的弯曲内侧，以便于执行变形操作；
(c)弯曲成型：利用第二运动台(13)带动夹持槽道(1)按指定方式运动，在成型靠模(5)的作用下，可实现玻璃基微通道(3)的变形，加热片(6)停止加热并移开，冷却玻璃基微通道(3)的变形部位；
(d)根据所需加工玻璃基微通道网络的结构，重复执行步骤(b)和步骤(c)即可，待 玻璃基微通道网络结构完成，即可取下试样保存备用。

一种玻璃基微通道网络的成型装置及其加工方法
技术领域
本发明属于微纳加工与微流体器件技术及其装备领域，涉及基于玻璃软化成型工艺的微通道网络成型装置与加工工艺，尤其适用于制作玻璃基微流控芯片、微混合器、微量检测等微流体系统的微通道网络。
背景技术
近年来，微流体系统应用需求持续增大，涉及生物医疗、化学化工、检验检疫等生产生活和科学研究领域，其性能要求也越来越高。微流体系统由微泵、微阀、微通道、输入输出接口和功能体等单元组成，微通道具有流体传输和单元连接等功能，微通道网络结构决定了微流体系统的性能与应用，如用于无痛药物注射的锥形微针(FirasSammoura,KangJeongJin,HeoYoung-Moo,etal.Polymericmicroneedlefabricationusingamicroinjection moldingtechnique[J].MicrosystemTechnology,2007(13):517-522.)、用作微流散热器的阵列微通道(杨凯钧，左春柽，丁发喜等.微通道散热器长直微通道的新加工工艺研究[J].吉林化工学院学报，2011,28(9)：61-64.)、实现生物体内微循环的自然微通道(Yoonkwang Nama,MinseokKin,TaesungKim.Pneumaticallycontrolledmulti-levelmicrochannel forseparationandextractionofmicroparticles[J].SensorsandActuatorsB:Chemical,2014(190):86-92.)等。
基于光刻、腐蚀、热压印、热键合等技术，现有微通道制作工艺在硅、玻璃、聚合物等基体材料中加工微通道，网络结构多为平面内的直线或折线形状(张高朋，田桂中，曹伟龙.微流体系统中微通道制作工艺的研究进展[J].微纳电子技术，2013,50(8)：512-517,527.)，通道截面多呈三角形、矩形或半圆形，流动性能较差，加工设备昂贵。利用飞秒激光加工技术，可在玻璃材料中制作立体螺旋的微通道网络(LiYan,QuShiLiang.Fabricationof spiral-shapedmicrofluidicchannelsinglassbyfemtosecondlaser[J].Materials Letters,2010(64):1427-1429.)，但尺寸精度太低、表面质量差、强度不足，尚未投产应用。此外，基于玻璃软化成型特性，玻璃毛细管可预热拉制成玻璃基微通道，具有尺寸均匀、截 面规整圆形、壁面光滑、工艺可靠、成本低廉等特征，但玻璃基微通道的网络结构单一，多为圆直线性。因此，需结合应用需求研究微通道网络结构成型装置和加工工艺，可有效提高微流体系统的流动性能和应用价值。
发明内容
发明目的：为解决上述问题，本发明提供一种玻璃基微通道网络成型装置及加工方法，针对毫米或微米量级的玻璃基微通道，可根据微通道应用需求进行网络结构成型加工，工艺简单可靠且操作便捷，装置结构简单且成本低廉。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种玻璃基微通道网络成型装置，包括圆直的玻璃基微通道、夹持槽道、定位器、成型靠模、第一运动台、第二运动台、第三运动台、工作台、加热片、运动控制器及中心处理器；其中，圆直的玻璃基微通道的一端设置于夹持槽道内，另一端水平设置并通过定位器定位；所述第一运动台、第二运动台、第三运动台上分别固定连接所述成型靠模、夹持槽道及加热片；所述第一运动台、第二运动台及第三运动台和定位器均设置在所述工作台上并均与运动控制器控制连接；
所述第一运动台、第二运动台及第三运动台均为电机控制的丝杠滑台；所述电机与运动控制器连接；
所述夹持槽道包括槽道及弹性压板，所述弹性压板设置于夹持槽道的开口上方形成闭合槽，进而夹持玻璃基微通道；弹性压板由弹性片与柔性元件粘接而成；
所述加热片通过电压控制器与电源连接；
所述运动控制器和电压控制器分别与所述中心处理器控制连接。
所述圆直的玻璃基微通道材料为石英玻璃、硼硅酸盐玻璃、铅硅酸盐玻璃中的任意一种，且内外径尺寸处于毫米或微米量级。
本发明还公开了一种所述玻璃基微通道网络成型装置的加工方法，包括以下几个步骤：
(a)清洁夹持：将玻璃基微通道清洁干燥后，利用均匀分布的弹性压板封挡在平直的夹持槽道内，利用定位器固定玻璃基微通道的一端，以便于后续操作；
(b)加热软化：根据所加工微通道网络结构特征，利用第三运动台将加热片移动至玻璃基微通道指定变形部位，加热至软化温度；利用第一运动台将成型靠模移动至玻璃基微通道变形部位的弯曲内侧，以便于执行变形操作；
(c)弯曲成型：利用第二运动台带动夹持槽道按指定方式运动，在成型靠模的作用下， 可实现玻璃基微通道的变形，加热片停止加热并移开，冷却玻璃基微通道的变形部位；
(d)根据所需加工玻璃基微通道网络的结构，重复执行步骤(b)和步骤(c)即可，待玻璃基微通道网络结构完成，即可取下试样保存备用。
有益效果：与现有技术与设备相比，本发明一种玻璃基微通道网络成型装置及加工方法，具有以下优点：
第一、基于玻璃软化成型特性的玻璃基微通道网络结构及其成型工艺具有很强拓展性，根据应用需求可加工出平面内往复/回字形的折线、弹簧状空间螺旋线等多种结构的微通道网络。封装前，所加工玻璃基微通道网络具有一定的整体柔性，微通道间可产生一定的形变；封装后，玻璃基微通道网络结构完全固定，与常规的类似。
第二、玻璃基微通道网络成型装置加工自由度大，适用于毫米和微米量级范围内的多种尺寸微通道网络成型，改变成型装置的加工步骤和运动控制机构的运动方式，可制作出多种不同类型的微通道网络结构。
第三、玻璃基微通道网络成型装置由步进电机、滑动导轨、电阻加热片及电源调压器等常规器件组成，装置结构简单，工作可靠且便捷，成本低廉。
附图说明
图1为本发明所述玻璃基微通道网络成型装置的结构示图；
其中，1、夹持槽道；2、弹性压板；3、圆直的玻璃基微通道；4、第一运动台；5、成型靠模；6、加热片；7、定位器；8、第三运动台；9、电压控制器；10、电源；11、中心处理器；12、运动控制器；13、第二运动台；14、工作台； 
图2为图1的A向视图；
其中，15、弹性片；16、柔性元件； 
图3为本发明所述平面往复折线形玻璃基微通道网络成型加工流程框图；
图4为往复折线形玻璃基微通道网络的结构示图；
图5为回字形折线玻璃基微通道网络的结构示图；
图6为弹簧状螺旋线形玻璃基微通道网络的结构示图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明所述玻璃基微通道网络成型装置，包括圆直的玻璃基微通道3、夹 持槽道1、弹性压板2、定位器7、成型靠模5和加热片6。
如图2所示，所述弹性压板2由弹性片15与柔性元件16粘接而成，弹性片15固定于夹持槽道1形成闭合槽，柔性元件16与夹持槽道1内壁通过微小的弹性力夹持玻璃基微通道3。
所述成型靠模5安装于第一运动台4，所述夹持槽道1与弹性压板2安装于第二运动台13，所述加热片6安装于第三运动台8，所述第一运动台4、第二运动台13、第三运动台8均由运动控制器12控制，所述第一运动台4、第二运动台13、第三运动台8和定位器7安装于工作台14。所述加热片6通过电压控制器9与电源10连接，电压控制器9调节加热片6的电压。所述运动控制器12和电压控制器9均由中心处理器11统一控制。 
本实施例中，所述玻璃基微通道内外径尺寸处于毫米或微米量级，其玻璃材料可以选用石英玻璃、硼硅酸盐玻璃、铅硅酸盐玻璃等常见的组分类型。
本发明还公开了玻璃基微通道网络成型工艺的加工方法，包括清洁夹持、加热软化、弯曲成型等步骤。
如图3所示，本发明以平面往复折线形玻璃基微通道网络的成型加工流程为例，包括以下步骤：
a清洁夹持：在清洁无尘操作环境内，将玻璃基微通道3干燥后，利用均匀分布的弹性压板2封挡在平直的夹持槽道1内，利用定位器7固定玻璃基微通道3的一端，以便于后续操作。
b加热软化：根据所加工微通道网络结构特征，利用第三运动台8将加热片6移动至玻璃基微通道3指定变形部位，调节电压控制器9加热至玻璃软化温度；利用第一运动台4将成型靠模5移动至玻璃基微通道3变形部位的弯曲内侧，以便于执行变形操作。
c弯曲成型：利用第二运动台13带动夹持槽道1按指定方式运动，在成型靠模5的作用下，可实现玻璃基微通道3的变形，通过电压控制器9使加热片6停止加热，冷却玻璃基微通道3的变形部位。 
d根据所需加工玻璃基微通道网络的结构，重复执行步骤b和步骤c即可。待玻璃基微通道网络结构完成，即可取下试样保存备用。
如图4、图5及图6所示，玻璃基微通道网络的典型结构包括往复折线形、回字形折线、弹簧状螺旋线形等类型，以及这三种类型的组合与变形。该微通道网络由组分均匀且光学与力学性能良好的玻璃材料加工而成，壁面材料与性能完全一致，横截面呈规整圆形，微通道各段间连接呈自然连续，封装前微通道网络具有一定的柔韧性，可小幅振动，封装后微通道网络空间结构完全确定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，但本发明的结构特征并不局限于此。应当指出：对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干的等同变化与修改，皆应视为本发明的保护范围。