روش‌های ساخت ریزساختار از پلاستیک

سه روش رایج تولید در شکل نشان داده شده است .
روش‌های مختلف تولید
داریم :
قالب گیری (molding): مخلوط محتوی یک کاتالیست و یک پلیمر روی یک قالب پاشیده می‌شود و آن گرم را می‌کنیم. بعد از شبکه بندی، ساختار از روی قالب کنده می‌شود، و بنابراین این شکل، الگوی قالب را به خود می‌گیرد.
ریخته گری (casting): قالب در ماده گرم قابل شکل پذیری فرو برده می‌شود. بعد از سرد شدن و جدایی، ساختاری که گرفته می‌شود، نشان دهنده قالب منفی است.
تزریق میکرونی (Microinjection): پلاستیک گرم شده در حالت مایع داخل قالب ریخته می‌شود. بعد از جداسازی شکل قالب منفی گرفته می‌شود.
قالب گیری بر پایه- PDMS
فرمول ساختاری
در حوزه میکرومایعات، قالب گیری بر اساس PDMS (پلی دی متیل سلیکسان) نقش بسیار مهمی را دارا است. PDMS به خانواده‌ای از پلیمرها تعلق دارد که حاوی روغن سیلیکون است. فرمول PDMS ، (–Si(CH3)2O) است. فرمول شبه-ساختاری‌اش در شکل نشان داده شده است. این پلیمرها وقتی که به دمای بالاتر از دمای پلیمرازیسونش بروند و عامل شبکه شدن حضور یابد، یک ترکیب الاستیک شکل می‌دهد که خصوصیات اصلی‌اش در جدول آورده شده است.
برای شکل دادن ساختاری شبیه میکروکانال، تولید با روش قالب گیری انجام می‌شود که سه قدم است.
قالب گیری (molding)
قالبی که از مواد سخت ساخته شده، مورد استفاده قرار می‌گیرد. ماده قالب می‌تواند سیلیکون، فلز electrodeposited یا پلیمر مشبک مثل SU8 باشد. ساختن قالب نیازمند استفاده از یک اتاق تمیز است. با این حال، مرحله قالب گیری (molding) می‌تواند در محیط‌های عادی و متداول هم انجام شود، به شرط اینکه دما و رطوبت با دقت کنترل شود. مخلوطی از PDMS و عامل مشبک شدن بر روی قالب کشیده می‌شود. سیستم در دمای نسبتا بالا قرار داده می‌شود(70 درجه سانتی‌گراد). حین این مرحله، PDMS پلیمرایز می‌شود، مشبک می‌شود، و مخلوط جامد می‌شود. بعد از کندن PDMS جسمی که نشانگر منفی ساختار قالب است، بدست می‌آید.
دقت این ساختار به شکل باورنکردنی بسیار زیاد است و این مسئله که ساختار هندسی با نسبت ظاهری بالا ساخته شود امکان پذیر است. با این حال، به علت شکل پذیری PDMS، بیشتر ساختارهای میکرومایعی موجب نسبت ظاهری بالاتر از 10/1 می‌شود.
با توجه به ساختارهای میکرونی، ویژگی‌های خاصی که PDMS باید داشته باشد در زیر آورده شده است:
شفافیتش در طیف مرئی اجازه مشاهده مایعات را می‌دهد.
مدول یانگ PDMS مشبک، به طور قابل توجه‌ای با نسبت بین PDMS/عامل شبکه‌ای، تغییر می‌کند.
باید تاکید شود که فایده مهم PDMS مشبک، خصوصیات مکانیکی‌اش است. کیفیت الاستیک بودنش، ساختن اتصال‌های میکرومایعاتی با مجرای تنگ را تسهیل می‌کند. قابلیت ارتجاعی این ماده اجازه ساخت دریچه‌ها و پمپ‌هایی با استفاده از غشا را می‌دهد. با این اوصاف، PDMS‌ها راه حل مناسبی برای مدیریت مایعات روی چیپ در آزمایشگاه عرضه می‌کند. بنابراین، بیشتر سیستم‌های پیچیده آزمایشگاه روی یک تراشه (LOC) امروز از PDMS استفاده می‌کنند.
PDMS طبیعی بدون عمل آوری، آب گریز است، اما بعد از اکسایش سطح با پلاسمای اکسیژن یا بعد از غوطه وری در یک پایه قوی، آب دوست می‌شود. پلاسما باعث پیدا شدن سیلان پس از اکسایش گروه متیل می‌شود. PDMS اکسید شده بوسیله خودش به شیشه، سیلیکون، یا پلی اتیلن می‌چسبد.
نفوذپذیری نسبت به گاز عمل پر شدن را تسهیل می‌کند (از لحاظ تئوری هیچ لزومی ندارد که کانال‌ها باز شود.) با این حال، نفوذپذیری نسبت به حلال‌های غیر قطبی آلی PDMS را برای بسیاری از مصارف نامناسب می‌کند.
انرژی سطحی ضعیفش مفید است و این باعث تسهیل کندن آن از روی قالب می‌شود.
با این حال، باید توجه کنیم که خصوصیات PDMS نسبت به زمان پایدار نیست. اثرات گذشت زمان وجود دارد که پیشگویی‌اش را دشوار می‌کند. همچنین، گذاشتن PDMS در معرض بخار آب می‌تواند به طور قابل توجهی آب گریزی سطح را تغییر دهد. PDMS ماده بسیار پر سودی است، اما نسبت به سیلیکون و شیشه خصوصیات غیرقابل پیش بینی بیشتری دارد.
ریخته گری (casting)
ریخته گری (casting)
متداول‌ترین ماده‌ای که در ریخته گری مورد استفاده قرار می‌گیرد PMMA (پلی متیل متا کریلات) است، که مانند پلاستیک شفافی مثل شیشه پلکسی در حالت جامد می‌ماند. وقتی دما از دمای نسبتا بالا بیشتر شود (تقریبا 170 درجه سانتی‌گراد) و وقتی تحت فشار 10‌ها بار قرار بگیرد، ماده می‌تواند تغییر شکل قابل توجهی بدهد. بنابراین، این امر امکان پذیر است که به وسیله پرس یک ورقه PMMA الگوی یک ساختار را تحت شرایط دمایی کنترل شده؛ به آن منتقل کنیم. قوانین این تکنیک ساده است و در شکل نشان داده شده است.
برای میکروساختارها، قالب از مواد صلبی مثل سیلیکون و فلز ساخته می‌شوند. موادی که برای قالب سازی ریخته گری استفاده می‌شود، فقط محدود به PMMA نمی‌شود بلکه پلاستیک‌های دیگری مثل PC ، PI ، PE ، PET ، PVC, PEEKو … است. الگوهایی که گرفته می‌شود می‌توانند دقت قابل توجهی داشته باشد، معمولا تقریبا ده‌ها نانو متر. ضخامت این ساختار می‌تواند محدوده بزرگی داشته باشد (از نانومتر تا میلی‌متر) و فاکتور شکل دهی بالایی دارد (چند صد ). این تکنیک برای مدل سازی و ساخت سری محصولات بسیار مناسب است، و از محدوده اطلاعاتی که در حوزه مواد پلاستیکی بدست می‌آید، استفاده فراوانی می‌کند.
تزریق میکرونی (Microinjection)
تزریق میکرونی (Microinjection)
تزریق میکرونی تکنیکی است که از حوزه پلاستیک بدست میآید که به صورت شماتیک در شکل نشان داده شده است.
این روش شامل سه مرحله زیر است:
پلاستیک مایع تحت خلا و فشار و دمای بیشتر از دمای گذار شیشه درون قالب تزریق می‌شود.
سیستم تا زیر دمای گذار شیشه سرد می‌شود.
بعد از جدا کردن قالب، ساختاری که گرفته می‌شود متناظر است با قسمت منفی قالب.
این تکنیک آهسته است، قالب‌ها برای ساختن ظریفند، و بهینه سازی این تکنیک پیچیده است. با این حال، این تکنیک از دیدگاه صنعتی برای تولیدات سری مفید است. همچنین همه کارهای مهمی که در صنعت پلاستیک انجام می‌شود را انجام می‌دهد، و در بسیار ی از موارد، ماشین موجود برای سازگار شدن با تولید گروهی تنها نیازمند اندکی تغییر است تا بر شرایط موجود منطبق شود. بسیاری از شرکت‌های معروف مثل Aclara ،Weidmann, Corning و … این روش را برای تولیداتشان انجام می‌دهند.
تولید مستقیم از پلاستیک
استریولیتوگرافی
قطع لیزری (Laser ablation)
پلاستیک می‌تواند به طور مستقیم مورد استفاده قرار بگیرد. امروزه روش‌های فراوانی وجود دارد که تعدادی از این‌ها آورده شده است:
- استریولیتوگرافی(-Stereolithography): مقاومت‌های حساس به نور با استفاده از لیزر فرابنفش لایه به لایه پلیمریزه می‌شوند. مواد میکروماشین شده ایپوکسی رزین(epoxy resins ) و اکرلیک است. مثال مورد توجه کاربرد این تکنیک در شکل نشان داده شده است.
این تکنیک برای استفاده پیچیده است و تجهیزات ضروری شامل کنترل پیشرفته حرکت باریکه لیزر را نیاز دارد. دقت این روش تقریبا چند میکرومتر است. با این حال، این روش متدوال‌ترین روشی است که در سه بعد برای میکروساختارها استفاده می‌شود.
قطع لیزری (Laser ablation): در این روش پلاستیک با کاربرد موضعی یک باریکه لیزری چگال تصعید می‌شود. مثال‌هایی از این روش در شکل نشان داده شده است. لیزرهای استفاده شده در این روش لیزر فرابنفش و فمتوثانیه است. دقت میکروماشین حدود چند میکرومتر است و زبری سطح تقریبا 200 تا 500 نانومتر است. با این حال، میکروماشین با قطع لیزری متنوع است. این روش اجازه کنترل ویژگی‌های ایجاد کننده رطوبت و بارسطح را می‌دهد. همچنین، دسترسی به میکروکانال‌ها از خارج سختی به همراه ندارد.
بقیه روش‌ها: روش‌های دیگری مثل قلم کاری پلاسمای اکسیژن(oxygen plasma etching)، قطع به وسیله جریان ذرات (particle jet ablation) و سایش میکروالکترونی (microelectro-erosion) وجود دارد.