激光熔接陶瓷和聚合物

        一种全新的连接工艺，适合于加工微型部件，能经济地熔接不同的金属。

图1 新熔接工艺的原理

        一种新颖的熔接工艺，由德国弗劳恩霍夫材料和光束技术研究所（Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology）研发，并得到弗劳恩霍夫陶瓷技术和系统研究所（Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems）的协助，旨在改善微型系统工程在生物化学及化学分析领域的制造过程。在此，我们着重介绍运用激光技术直接熔接聚合物和陶瓷。此研发项目旨在开发出一种便宜的、多功能传感器系统，通过整合基于低温共烧陶瓷（LTCC）的传感器和利用低成本聚合物微射流的致动技术。通过激光技术，不同材质的各种物体被强力、持久地结合在一起。激光技术还有助于低温共烧陶瓷和聚合物的微图像化及表面功能化。
        
        低温共烧陶瓷技术
        
        陶瓷的多层LTCC技术是被广泛认可的制造微电子、传感器（如压力传感器、pH值检测、导电性及电阻测量）和执行机构（如压电致动器）的生产技术。此项技术能制造三维的、大功率的电子电路，可被用于汽车和电信行业。
        
        未烧结材料中的柔性箔片是LTCC技术的基础。这些单个箔片能通过机械加工或激光烧蚀生成几何图形。例如每个单箔表面上的电器元件能通过丝网印刷生成。接下来，预制箔片在900℃的温度下被叠放、压平、烧结。低温共烧陶瓷技术的一个缺点就是不够透明，导致很难用光学手段进行流程监控。 

图2 连接机理（机械固定和黏合）的图解

        药学和生物学界的科学家正利用传感系统尝试光学监控加工流程。通过安装透明的聚合物窗口，陶瓷感应系统将能通过光学监测内部加工过程。复杂的微流体系统通常都不是通过LTCC技术制造的。材料和制造技术使这种陶瓷元器件比同等级的聚合物元器件得到更广泛的应用。
        
        尖端的技术
        
        工业制造通常采用不同的连接技术来接合聚合物和陶瓷部件，比如，粘接或机械连接技术。在工业生产中常常会用到粘合剂，来粘合不同的物体，最后能对缝合口起到很好的密合作用。这项技术的缺点之一就是它额外采用了化学物质用作粘合材料，对最终系统的功能带来了不必要的影响，比如生物医学反应。使用单芯片实验系统或生物医学系统的科学家对利用光学方式从外部监控内部状况很感兴趣，他们通常会用粘合剂在陶瓷体上安装一个透明窗口，以便观察内部情况。长期来看，许多这样的粘合接口不够稳定和牢固，经常会发生窗体剥落或泄漏的情况。
        
        机械连接一般用到螺丝钉、夹钳或类似的工具，为连接陶瓷和聚合物提供了另一种选择。在这种情况下，像孔或卡口之类的地方需要同时考虑两个被连接部件，增加了工作量。此外还需要配备密封垫圈，用来完成聚合物和陶瓷部件之间不漏液、不漏气的无缝装配。
        
        激光焊接是另一种被业内认可的聚合物部件焊接工艺，需要熔接的两部分由相似的热塑性聚合物组成。激光束能量穿越首个熔接部件后被第二个吸收，加之外在的压力，能让两个部件紧紧连在一起，形成有力的接点。被吸收的激光能量使接触区域内的部件熔化并结合。在连接区域固化之后，表现出和基底材料同样的属性。 

图3 单芯片实验系统配备LTCC为基
础的多电极传感器和聚合物微流腔。

        新颖的熔接技术
        
        由德国弗劳恩霍夫材料和光束技术研究所开发的新技术，能直接、牢固的焊接陶瓷和聚合物。乍看起来，直接熔接两种截然不同熔点的物体似乎是很困难的。普通的热塑性聚合物熔点在250 ℃以下，热分解的话需要超过400 ℃的高温。相比之下，陶瓷的熔点却在1000 ℃以上。这两种材料大相径庭的受热及物理表现对这种熔接技术构成了挑战。
        
        这种新颖的熔接技术的基本理念（见图1），就是通过部分熔化聚合物，将其推入坚固的陶瓷材料表面中孔洞和凹凸不平的地方。熔接过程分为两个步骤：表面改性，通过激光辐射进行热连接。 nextpage
         
        在加工的第一步骤中，陶瓷物体的表面是有图案的，例如，通过激光烧蚀形成两个物体的密实的复合物。在接下来的热加工过程中，激光束在连接范围内熔化掉薄薄的一层聚合物表面。激光属从透明的聚合物部分穿过，被陶瓷部分吸收，促成对陶瓷表面进行有选择的熔化。熔接点之间的热传导使聚合物持续升温，能通过外部压力，使聚合物熔化的部分流入到陶瓷的表面结构（见图2）。等待温度降低，凝固之后，两个物体紧紧地融合在一起。完成这个熔接的关键两点：通过机械锚定使聚合物连接到陶瓷表面微结构中，以及接触物体之间的粘连。
        
        最新的研究工作调查并优化了不同的加工参数对热熔接过程的影响，这些参数包括激光功率、加工速度、连接压力、连接区温度等。为了有效地监测和控制结合温度，在系统中安装了高温测量仪和激光功率控制器。到目前为止，共运用了两种不同的激光光源：棒型Nd:YAG激光器和光纤激光系统。相比较而言，光纤激光器比固态激光器拥有更高效率的光束质量。总体上来看，其他激光光源，比如半导体激光器也能适用。 

图4 基于LTCC的单芯片实验系统配有一个聚合物窗口

        由于LTCC技术在微型和传感器系统的巨大潜力，研发部门着力研究这种类型的陶瓷。不同的聚合物材料都成功地经过检测和比较，比如PC、PMMA、SAN和PETG。熔接物体（在我们的案例中为陶瓷）的表面图形对熔接强度和耐用性有着重要的影响。通过运用不同的短脉冲激光光源，不同领域的表面图形被创造、连接和比较。长宽等结构尺寸对不同的几何图形都是不一样的，比如单陨石坑或直线槽。不同的结构和加工参数彼此影响，对接点属性也产生作用。原料处理和制备也会对最终表现产生影响。为了能达到最佳的熔接效果，对所有互相关联的参数进行复杂的优化和调整就显得至关重要。抗拉强度达到25 N/mm^{2的密封连接由此产生了。
        
        单芯片实验系统
        
        基于这项全新的熔接技术，一些生物反应器和单芯片实验系统被制造出来，用于研究和测试。运用优化的连接技术，基于LTCC的陶瓷传感器与透明的聚合物相结合，比如平面窗或微流体元件。弗劳恩霍夫陶瓷技术和系统研究所协助开发了包含不同传感器和微流体系统部件的陶瓷元件。从图3中的单芯片实验系统中可以看到，综合微生物反应器内部的细胞生长在自定义的热度和生化条件下能被监测和控制。通过使用透明的聚合物窗口，该系统现在能通过光学显微镜监测到内部流程。另一种选择是利用分光光度法，例如荧光分析术，来分析反应器内部的生化变化。
        
        图4显示，一种集成的多电极阵列陶瓷聚合物流量传感器被用于测量细胞培养过程中发出的电子信号。陶瓷传感器通过新型的熔接技术被连接到一种聚合物微流体元件中。培养过程中，细胞可吸收聚合物流体传输的养分溶液和各种反应物。
        
        在同时进行的另一项研发工作中，德国弗劳恩霍夫材料和光束技术研究所开发出了一种在活性气体环境下，脉冲激光可使聚合物表面图案化和功能化。这将影响特定表面上的细胞增生，从而在其连接到传感系统之前，令聚合物的生物功能化成为可能。
        
        这种新型的熔接工艺应用前景和市场广阔，覆盖化学和生物分析等领域，比如制药公司中用到的筛检，化学设施中的环境分析，食品行业和医学技术中的分析等。 
         
        未来前景
        
        德国弗劳恩霍夫材料和光束技术研究所正在进行的研究活动中，有一个目的就是改善连接点的抗拉强度。进一步优化表面图案化和表面预处理。将来的研究也将会把连接过程转移到其他物体的融合，比如其他聚合物或新的陶瓷，或将该项技术用到连接聚合物和半导体或金属。通过这种方式，该技术的应用范围便扩大到微系统技术和微电子领域。
         
        本文作者Volker Franke（volker.franke@iws.fraunhofer.de）是德国弗劳恩霍夫材料和光束技术研究所微技术及生物技术组的研究助理，Udo Klotzbach博士（udo.klotzbach@iws.fraunhofer.de）是该部门的负责人。}