RYJ-Ⅱ型聚合物微结构热压成形设备研制

　　0 引言

　　聚合物制作的微器件, 如聚合物微流控芯片[1]、聚合物光波导器件[2]等, 因其低廉的材料和制作成本等特点, 显现出了广泛的市场前景。热压成形法[3]是聚合物微结构制作的最常用的方法之一, 具有方法简单、制作周期短、易于实现批量生产等优点。温度、压力和时间是热压成形过程的重要参数, 为保证所制作的聚合物微结构具有良好的一致性和加工质量, 要求所研制的热压设备对成形过程中的温度、压力、时间等工艺参数进行准确的控制, 以保证制作质量和产品的一致性。功能齐备的高精度生产设备的研究开发将具有很好的应用前景和现实意义。大连理工大学微系统研究中心已经开发出了 RYJ- I 型热压设备[4], 该热压设备已经应用于塑料 (PMMA) 微流控芯片微通道的制作,同时也在其他需要进行精确温度或压力控制的实验研究中获得应用。使用两台该设备, 分别用作微通道热压成形机和热键合机, 配合自动机器人和芯片预联接台, 已经实现了塑料 (PMMA) 微流控芯片自动制造系统[4], 能够自动化批量制作高质量的塑料 (PMMA) 微流控芯片。

　　鉴于温度和压力系统的限制, RYJ- I 型热压设备主要面向 PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯) 材料的微结构制作与工艺研究。通过结构及加热方式[5]等方面的设计改进, 开发了温度 ( 室温至 300℃) 和压力 ( 0～50kN) 控制范围更大的 RYJ- II 型热压设备, 适合绝大多数聚合物微结构 ( 如 PC、PVC 等与 PMMA 相比均具有较高软化温度的聚合物微结构) 的制作。本文具体介绍 RYJ- II型热压设备的结构设计。

　　1 RYJ- II 型热压成形机主体结构

　　RYJ- II 型热压设备的机械结构及其整体图如图 1 所示, 该设备采用闭式四立柱结构。

　　热压运动过程中, 利用固定于热压设备一侧的光栅尺实时反馈热压头之间的相对位置。该机位移范围为200mm, 光栅尺精度为 3μm, 分辨率为 1μm。压力传感器置于下联接板下方,利用四个直线轴承对下联接板进行导向 ,以降低摩擦对压力检测的影响。压力控制范围为 0～50kN, 压力控制精度±50N, 热压头有效工作面积大于(150×150)mm。上、下热压头部件置于真空密封腔体内, 在下热压头部件的底部, 下联接板的上面安装了能够承受重载的精密调平装置, 能够实现上、下热压头平面的精密调平。

　　2 RYJ- II 型热压成形机结构设计

　　2.1 热压设备的机身设计

　　机身是热压设备的基本部件, 热压设备几乎所有零件都要安装在机身上。机身要承受热压工作时全部的变形力, 它的变形刚度决定了热压设备整体刚度, 因此需要选取适合的结构。II 型机采用闭式四立柱结构代替的原有 I 型机的闭式两立柱结构, 由表 1 可知闭式机身能够克服开式机身较大角变形的缺点。同时四立柱结构相对两立柱结构不仅提高了热压机整体刚性,更能有效地提高系统的抗偏载能力, 因此在压力控制范围远大于I 型热压机的 II 型机中是十分必要的。