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微探针阵列零件的注射成型

1.概述

安装在内窥镜中的尖的探针阵列可以穿透肠胃里面的癌细胞。然后提供药物或基因进入细胞进行针对性的根治。在这个研究中，制备了两个探针模型。第一个模型是基于单晶硅的探针阵列（高度80mm，宽高比0.17，密度780/），由KOH湿蚀刻制作。第二个模型是基于不锈钢的材料来制作的，这是由WEDG制作和组装的针灸针（高度890mm，长宽比0.45）。插电铸模具使用镍作为材料。高黏度的PC和通用PP被用来通过注射成型模具探针零件。在实验中，非常成功的制作了PP微型探针通过注射压缩成型。田口方法被认为接近最佳的处理参数和对注塑压缩成型做出了贡献。

2.介绍

显微组织材料在汽车，航空器，生化，测量，信息技术以及医疗卫生等方面有有广泛的应用。显微组织的周围的数量级是微M级别的，表面的粗糙度的要求超过亚微M。为了满足这些条件，非常规的制造技术，例如基于硅的IC处理技术是一些用于制造微结构部件的首要选择。

在IC制造中，硅最常用的地方在于制造薄膜和膜结构。硅有一定的优势，比如积分电路的兼容，还有良好的机械性能。如果材料要求具有光学延展性，耐化学性，无蛋白质的吸收以及批量生产，热塑性聚合物成型是首先选择的技术。

安装在内窥镜探针阵列的是很尖锐的一部分，可以穿透在肠胃里面的癌细胞，然后提供治疗药物或基因进入细胞。人类的细胞直径是20-30mm。要想穿透2-3层细胞或者外延真皮，微型探针的适当高度是50-59mm。体微加工的主流技术FAB-rication生产出的一批柱石。使用单晶硅晶体和各向异性蚀刻剂可以制造尖锐的探针或凹槽。然而在使用单晶硅的过程中有两个限制。第一个是通过蚀刻参数的控制对高度和纵横比的微探针限制。第二个是吸收的蛋白质并不适合蛋白质基因或溶液的单晶硅芯片。

聚合物的一般成型技术是热压成型，反应注射成型，注射成型或注射压缩成型。塑料成型模具嵌件是必不可少的。有两种方法来实现。其中之一是直接制造金属基体材料，第二种是通过延长时间来实现。哪一种方法更有优势呢？复制模具插入，主体材料是硅，PMMA等。一旦主体材料准备好，通过电铸来复制模内镶件。复制技术，电铸已经被用于光学塑料很长一段时间。例如：塑料透镜或汽车反射镜。这其中涉及到

金属沉淀，可以反复使用。模嵌件的精度是亚微M级或纳M级。所以，模具插入的准确性和主体材料有很大的依赖性。

DESPA等重复研究了高纵横比的微凝固组织的注塑过程，模具的高温对于微观结构成型是有帮助的。KEMMANN等研究发现POM的复制能力比PPS更好。YU等人采用PMMA和OQPC去注塑微薄壁模具（最小50mm）发现高速注射对于低残余应力一部分的成型是有利的。NIGGEMANN等人采用注塑成型微孔，他们发现PC，PS，COC适合用于微型注塑成型。SU等人研究了硅微金字塔的复制模具插入。他们使用了C-MOLD2000（2.5D冲模CAE软件）来模拟显微注射成型的成型条件。微金字塔的纵横比为0.707。

由于塑料的经济优势，发展高宽度比的探针组件的注射成型技术是可以的。由于小型化和显微注射成型技术，微观结构复制和保真度，尺寸精度和注射成型的过程的高精度的要求，这些都是需要考虑的因素。因此，注塑成型机，模具和工艺条件的微结构需要仔细检查。

在这项研究中，研究了两种探针主体的成型性。一个是基于硅为主体，一个是不锈钢。然后，使用电铸技术制造镍模内镶件和注塑成型复制微型探针阵列。最后，通过田口实验探讨研究来找到最接近加工参数的注射压缩成型工艺。

设计和制造的微型探针，以下是探针的要求的参数：

1，微探针的高度大约是50-59mm。

2，每个探针上有小尖头；

3，单位面积上阵列密度高；

4，每个探针有高的纵横比；

5，蛋白质和体液没有化学反应。

3.基于硅的主体

首先，单晶硅和散装微加工来制造微探针母版。在湿法蚀刻中，EDP，KOH，TMAH 和NaOH也常常用于各向异性蚀刻。在G1009和G1119KOH蚀刻速度的最大比率将达到400:1。这意味着，一些蚀刻条件下，较高的纵横比的微探针或更少的削弱效果可以得到。

探针阵列的图案是矩形。P和D是间距和圆底座的直径。湿法蚀刻工艺会出现削弱效应，受此影响，微型探针阵列可以直接用于硅制造。首先，模型被复制到由二氧化硅制作的G1009晶圆上。然后，用蚀刻剂KOH来蚀刻晶片和削弱效果。只要形成探针

针尖，晶片从蚀刻剂中取出。由于天然的非均匀性和不准确操作。必须过度腐蚀。以确保大柱石的形成。但是过度腐蚀将会缩短探针的高度。通过这样的技术，微探针的纵横比是1.7和曲率半径是0.1mm。

当用KOH制造凹凸结构，水平面{411}和{311}将被形成在凸型角部的{8}。基体虽然加入IPA，可以减少削弱影响，新的凸角面{212}将会形成。在{212}上的粗糙度是{100}面上的79倍。比{11}面大七倍。比{311}面大九倍。{212}面是不适合注射成型的。

KOH的蚀刻速率的主要参数是浓度和温度。当浓度在4M周围的时候，蚀刻速率在{100}面上是最快的。即，大约80-C在1.2毫M每分钟周围。作为负面效应，表面粗糙度降低。例如，80-C，用8MKOH，表面粗糙度将会小于100nm。为了得到更好的表面粗糙度插入物，百分之45的KOH来进行蚀刻G1009硅。

由于许多平面出现在凸角，蚀刻速率不是线性的。并不容易测量或估计蚀刻速率的削弱。使用光学显微观察蚀刻状态，通过反复实验，来确保探针的形成。随着45重量的条件，平均探针的高度大约在50毫M。在模式2中，当使用的平均高度的微探针是80毫M，直径D和高度的比率的微探针大约是3.75。D的大小是300毫M和P为350毫M。

4.不锈钢的主体

另一种类型的探针，这是复制主体型的针灸针，后来发展到研究探针的能力。为了解决针灸针。1个微孔用不锈钢板制作，然后，ACU的穿刺针插入小孔并切断端部侧。微探针的底部直径大约是190毫M和高度是890毫M。虽然与规模探针相比有一些大，但是，在微硅探针里面，在注塑模具过程中，这是一个非常好的模型来研究微型探针。

在注塑成型实验中，插入两种探针模型制备的电铸模型。第一种模型是80毫M高的探针模具镶件。另一种是80毫M高的探针模具嵌件。电铸是将非金属或金属的显微组织转移到模具中的最流行的技术之一。对于第一个探针模型，硅探针的主体被复制，形成金属探针槽模具镶件。使用去离子水清洗硅探针的重要部分然后用氮气干燥。籽晶层层积PVD（例如，蒸发，溅射等），这种金属种子层，镍分子可以假去电铸。然后，硅主体和电铸模具镶件被分离和模具嵌件可以浸泡在70-C的KOH中，这样可以清除残留的硅和杂质。

因为微探针插入模具的槽，它是不容易被轻易观察的。为了验证微探针的前端被

复制。复制薄膜被用于表面特征的观察。在复制膜（厚的复制材料，G254A），可以复制的表面特征是125毫M的高度或深度。复制的探针槽的结构是完整的，显现的柱石也是清楚的。

对于不锈钢探针主体，籽晶层是可以忽略的。为了限制电铸模具插入物，PMMA用于固定不锈钢主体。要组装模具镶件注射模具，对插入的电铸模具进行设计和加工。在这种情况下，这是不必模嵌件与模基座进行探针对准。

5.注射成型和注射成型在液压注塑机上成型

为了测试探针技术的成型性，对传统的模具标准件进行了修改。第一模型的电铸模具镶件模具基体被进行了固定。在一个1毫M的高凸的柱石上，FCS的FT-110注塑机和冷却水通过。树脂PC被使用，因为它具有很高的流动速率。这个很适合薄的部分注塑。

注塑成型的条件中虽然合适，但是有时候会出现高速喷射，低的注射速度有利于微观结构成型。低温的模具壁，那么凝固树脂的流动会出现明显的柱石和很尖锐的几何形状以至于不能被复制。在本实验研究中，重复的质量非常差的柱石。为了克服这个问题，使用全动注射成型机来解决模具的开发问题。

6.全电动注塑成型机

全电动注塑成型机，使用模具修改后的探针的一小部分，流动距离更短，大约13毫M，该部分是很小的（12毫M）和浇道和流道的直径为4毫M。小的空气排气口需要空气流通和通气孔间隙为0.03毫M。两个GE的树脂，PC和CHISSO被用于注射成型何总，除了注射过程中被使用，通过注射压缩成型过程中定义的微探针。注射研所成型实验，注射成型和热压印的组合，更好的复制微观结构。

首先，PC被用来模制微探针的第一模型的一部分的处理条件已经可以找出。冷却油的温度是非常接近树脂的热变形温度（玻璃化转变温度）。这将减缓树脂的凝固，探针槽可以提高探针的成型性。但是提高ING的模具温度也将延迟周期。即使这种类型的PC具有很高的流动性，不完整的用于注塑成型和注射压缩成型的微探针的尖端的成型。这样会得到更好的实验模具。

然后，从PC到PP树脂，进程的条件在表中可以查询。冷却油的温度接近于PP的热变形温度。聚丙烯的熔体流动速率是小于PC的。从注射成型的实验结果来看。PP的成型性由于PC，但不形成尖锐的针尖的注射压缩成型优于注射。在合理范围内PP的注

射温度远大于PC和在实验中中的PP的注射温度接近注射温度的上限。这是PP的微探针成型性优于PC的主要原因。

最后，改变模具插入探针的第二个模型，这是电铸针灸。从实验中来看，注射压缩成型的PP的成型质量是很好的。

成型参数分析和田口实验知道了工艺参数在影响质量上的重要性。田口方法被用来获取过程中的一组参数，这是接近优化。注塑成型的过程决定以后，容易观察。柱石高度的差异相比原来的设计作为品质的特点。一组使用光学显微镜和精确的钳位阶段的探针来测量高度的高度差，在一般情况下，会比较好。

因素一是对质量的特性值，n是测量的数量，平均yy是义，最佳的品质和最小偏差的两个函数的S/N比，如果被选择的S/N比大的值。在表中已经列出了所有的控制因素和L18直交被用于计算S/N。然后，他可以被称为A2-B3-C2-D2-E3-F3-G3-H3是从因子响应表的最好的因子水平。从排名的因素中，模具温度是最重要的参数和注射速度是第二重要的。如果模具温度足够高的时候，探针槽里面树脂的固化时间将会被延迟，并且将被填充的提示除外。此外，如果增加喷射速度，微探针的前端凝固的风险将会降低。此最佳的一组因子水平可以用来预测接近最佳的S/N比。在此之后，进行实验来验证预测的S/N比，确认前实验的S/N比是接近的预测的S/N比。

最后，执行方差ANOVA分析，在99%的置信度下，注射速度（46%）和模具的温度（19%）是最大的。

7.结论

在这项研究中，探针阵列（纵横比0.17）由体微机械加工。由于凸角的影响，探针部分是方形或八角形。要降低生产成本，塑料是合适的材料来作为显微组织的组成部分。尖锐的微观结构的注射所面临的挑战是完全重复的微观结构定义。这是需要重新考虑注射技术，包括产品设计，模具设计，模具制造布局插入，模具装配，成型工艺等，在我们观察中，在探针注射成型的关键问题之一是解决空气流通。此外，为了有良好的成型性的微观结构和机械性能。选择合适才塑料的性能是很重要的。