專利名稱：制造微型流體裝置的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及微型流體裝置及制造這類裝置的方法，具體涉及高熱效率玻璃， 玻璃陶瓷或陶瓷質(zhì)的微型通道(microcharmel)即微型流體裝置，以及制造這類裝置的方法。
背景技術(shù)：
微型通道即微型流體裝置一般理解成其特征尺寸范圍在10 μ m-1000 μ m之間的 流體通道的裝置，而流體在所述通道內(nèi)通過，并以各種方式接受處理。這類裝置被認為極有 希望在化學(xué)與生物工藝技術(shù)中帶來革命性變化，特別是因為在微型流體裝置中傳熱速率與 傳質(zhì)速導(dǎo)率要比常規(guī)化學(xué)處理系統(tǒng)所達到的速率高幾個數(shù)量級。玻璃或玻璃陶瓷中的流體微型通路一般具有優(yōu)異化學(xué)耐性的優(yōu)點，但玻璃與玻璃 陶瓷是熱的不良導(dǎo)體，而熱交換在大多數(shù)化學(xué)合成中是關(guān)鍵的過程。準確而又安全的局部 熱控制一般可以使得化學(xué)過程在相對更高的濃度、壓力與溫度下進行，進而在大多數(shù)情況 下使得產(chǎn)率更高，效率更高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種制造微型流體裝置的方法，所述方法包括提供一個模；將軟化的玻璃或可陶瓷化的玻璃的片置于所述模上；對所述片施加不同的氣體壓力，使所述片與所述模貼合，由此在所述片的至少一 個表面上形成微型通道；通過在所述模上粘結(jié)一塊玻璃或可陶瓷化的玻璃的片，在所述片的至少一個表面 上基本封蓋所述微型通道。在一個優(yōu)選的實施方式中，該方法還包括陶瓷化所述板與所述片的步驟。在另一個優(yōu)選的實施方式中，對所述片施加不同的氣體壓力以使所述片與所述模 貼合的步驟包括對在所述片與所述模之間的片抽真空。在另一個優(yōu)選的實施方式中，通過在所述模上粘結(jié)玻璃或可陶瓷化的玻璃的片以 在所述片的至少一個表面上基本封蓋所述微型通道的步驟包括將一軟玻璃片軋平放置在 所述貼合的片上，由此將所述軟玻璃片粘結(jié)在所述貼合的片上。本發(fā)明提供一種裝置，它具有由薄的玻璃片，玻璃陶瓷片或陶瓷片材料所形成的 微型流體通道，這些片狀材料具有良好的表面特性與強度，且提供一種能可靠與有效地制 造這類裝置與通道的工藝方法。薄壁式微型通道能有效進行熱交換，同時能提供優(yōu)異化學(xué) 耐性與耐熱性。本發(fā)明的成形工藝提供的是一種簡單而可靠的制造方法，同時提供最后得到的裝置，其熱交換量達到最大。按照本發(fā)明一個實施方式，微型流體裝置包括玻璃或玻璃陶瓷材料的成形片。所 述的成形片要成形成在它的第一表面上具有一個或多個第一微型通道，且在所述第一表面 相背的第二表面上具有一個或多個第二微型通道。所述的第二通道與第一通道是互補的。 所述的第一通道由結(jié)合在所述的成形片第一表面上的第一玻璃板或玻璃陶瓷材料板所基 本上封蓋，且所述的第二通道可以由結(jié)合在所述第二表面上的第二玻璃板或玻璃陶瓷材料 板所基本上封蓋。按照本發(fā)明另一個實施方式，它提供的是制造一種微型流體裝置的方法。該方法 包括是提供一個單表面模，將玻璃片或可陶化玻璃片置于該模上，對模與薄片進行加熱，在 薄片上施加氣體壓力差，使該薄片與模貼合。結(jié)果是在該薄片的至少一個面上，通常在它的 兩面上形成微型通道。然后將玻璃板或可可陶化玻璃板結(jié)合在具有微型通道的薄片的至少 一個表面上將微型通道基本上封蓋住。按照本發(fā)明又一個實施方式，它提供的是制造一種微型流體裝置的方法。該方法 包括將第一軟玻璃片軋平到一個移動模上的步驟，所述第一軟玻璃片具有與所述模相背的 第一表面以及與該第一表面相背的第二表面，該第二表面擱在所述模上；該方法還包括對 軟玻璃片真空成形，使該玻璃片貼合在所述模上，由此形成一個在第一表面與第二表面上 具有微型通道的成形片。該方法還包括將第二軟玻璃板軋平到所述成形片的所述第一表 面上，然后將所述第二軟玻璃板結(jié)合到所述成形片上，在其第一表面上將所述的微型通道 基本上封蓋。該方法還包括將所述成形片從所述模上揭下來。該方法可以另外包括將第三 軟玻璃板軋平到所述成形片的所述第二表面上，然后將所述第二軟玻璃板結(jié)合到所述成形 片上，在其第二表面上將所述微型通道基本上封蓋?？梢岳斫馇懊娴囊话阈詳⑹雠c后面的詳細敘述提供的是本發(fā)明實施方式，意在提 供理解本發(fā)明權(quán)利要求的本質(zhì)與特征的綜述與框架。附圖用來進一步理解本發(fā)明，且在此 引入并構(gòu)成本專利的一個組成部分。
本發(fā)明的各實施方式，連同說明書一起用來 解釋本發(fā)明的原理與操作。
圖1是與本發(fā)明相關(guān)的模20與真空箱24的截面圖。圖2是圖1模上放置了一塊薄片30后的截面圖。圖3是圖2薄片30經(jīng)過真空成形后形成的成形片32之后的截面圖。圖4是圖3成形片32從模20被揭下來之后的截面圖。圖5是一個組合板38的截面圖，它包括圖4的成形片32，頂板34與底板36。圖6是按照本發(fā)明的一個實施方式中的微型流體裝置50的截面圖，所述裝置50 是將圖5所述組合板結(jié)合一起而成的。圖7是圖6微型流體裝置50的截面圖，它包括一個流體接頭52。圖8是圖6微型流體裝置50的截面圖，表明了可供第一流體Fl與第二流體F2用 的的交替通道。圖9可用于本發(fā)明裝置的微型流體通路結(jié)構(gòu)的平面圖，所述結(jié)構(gòu)具有一些平行通 道54，每個通道具有兩個孔56。
圖10是可用于本發(fā)明裝置的另一種微型流體通路結(jié)構(gòu)的平面圖，所述結(jié)構(gòu)具有 兩個交替的同心螺旋形通道。每個通道在其中心處與螺旋邊緣處各有一個孔。圖11是微型流體裝置50的截面圖，它包括一些小通道60。圖12是可用于本發(fā)明裝置的另一種微型流體通路結(jié)構(gòu)的平面圖，所述結(jié)構(gòu)包括 小通道60。圖13是圖4所述成形片32的截面圖，它表明在虛線所圈定部位41內(nèi)的部位材 料可以除去，使相鄰交替通道(43與45)之間形成流體連通。圖14A-14F是一組截面圖，分別說明制造本發(fā)明裝置優(yōu)選方法的某些步驟。圖15是微型流體裝置50的另一種實施方式的截面圖，它具有三角形通道40。
具體實施例方式本發(fā)明提供一種裝置，它具有由薄玻璃片，玻璃陶瓷片或陶瓷片材料形成的微型 流體通道，這些片狀材料具有良好的表面特性與強度，且提供一種能可靠與有效地制造這 類裝置與通道的工藝方法。本發(fā)明方法采用氣體壓力差成形法得到所需的薄壁高表面質(zhì)量 的玻璃，玻璃陶瓷或陶瓷的微型通道。形成的薄壁微型通道使得熱交換效率提高，同時提供 優(yōu)異的化學(xué)耐性與耐熱性。本發(fā)明的成形方法提供簡單而可靠的制造工藝，制成的裝置具 有最大熱交換效率。按照本發(fā)明，微型通道是由一種工藝造成的，它包括將玻璃、玻璃陶瓷或陶瓷的三 維形體封蓋起來，而不是僅僅將微結(jié)構(gòu)板疊加在一起。下面將參考圖1-7說明構(gòu)成本發(fā)明 一個方面的示例性工藝。圖1是用于本發(fā)明一個方面的裝置10的截面圖，該裝置包括流體通路模20，它由 經(jīng)機械加工，或其他方法由合適材料，如Thyssen_France，78Maur印as，F(xiàn)rance出售的耐高 溫鋼板NS 30/ASI 310制成。模20中具有用于形成真空的微通道22。模20置于如真空箱 24 一類的真空密封結(jié)構(gòu)之中，它具有一個表面或凸緣26，用于在模20周圍形成真空密封。 所述真空箱24的內(nèi)部空間連接到圖中未被顯示的真空泵一類的真空源。使用之前，模20用合適的脫模劑，如氫氧化鈣(乙醇+Disperbick 190，如0. 5% 懸浮液)涂覆。Disperbick 190 可以從 BYK-Chemie Gmbh, Abelstr. 14D-46483 Wesel, Germany購得。所述脫模劑最好均勻一致噴涂在所述模20的整個表面上。如圖2所示，然后將由合適的玻璃材料構(gòu)成，其表面積大小正好覆蓋到模的表面 或凸緣26的薄片30，放置在模20上。例如，所述玻璃片可以是Corning 1737 , Corning Inc. Corning NY, USA 所售的。然后將薄片30與模20 —起加熱到玻璃材料退火溫度以上，且最好是接近但低于 該材料的軟化溫度。在使用Corning 1737 的玻璃片情況下，它的退火溫度約為721°C，軟 化溫度約為925°C，則模與薄片可以加熱到約870°C，時間長達約20分鐘。然后真空箱24內(nèi)抽真空達足夠長時間，使薄片30貼合在模20表面上，形成如圖3 所示的成形片32。作為一種代替的辦法，也可以在與模20表面相背的薄片30表面上施加 氣體壓力，而微通道22僅用提供剝除的反壓力。另外一種辦法是在模的外部施加正壓力， 同時在模的內(nèi)部抽真空。真空成形法，除了將薄片30成形為成形片32之外，也具有對薄片30的再壓延作用(也叫“真空壓延”)，形成的成形片32通常比原先的薄片30更薄，特別是在材料被抽吸 在模上的區(qū)域更是如此。因此，真空成形工藝可以可靠重復(fù)地形成厚度小于0.3mm，最好在 約0. 2mm至0. 7mm或更小范圍之內(nèi)的壁結(jié)構(gòu)。另一方面，使用適當厚的起始片，采用本工藝 也可以形成較厚的壁結(jié)構(gòu)，其厚度范圍約在約0. 7mm-3mm之間，這種厚度可以用于高壓或 很高壓的用途。真空成形后，將模20與成形片32冷卻至足夠低的溫度，使所述成形片32保持其 所成的形狀，但最好要求溫度還足夠高，使成形片容易從模20揭下來。例如，對于Corning 1737 ，薄片30可以冷卻至約750°C，時間長達2分鐘。然后，在真空通道22中施加較小的 空氣壓力，將成形片32從模20揭下來。脫模劑有明顯促進這步操作的作用。最后形成的 成形片32其截面圖示于圖4中。隨后，如圖5截面圖所示，將頂板34與底板36置于成形片32上，形成一個組合板 38。在將所述組合片38粘結(jié)之前通過鉆孔、打磨或其它合適工藝最好是透過頂板34和/或 底板36(如有所需，還可以透過成形片32)形成任何所需的輸入孔與輸出孔。如圖5所示， 這些孔可以形成在相背的兩塊板上，如孔42與孔44 (在該圖的右邊)，或者如有需要，可以 在同一板上形成孔，如孔46與孔48?？卓梢酝高^頂板34與成形片32，如孔48就是如此。然后將組合板38結(jié)合成如圖6所示的具有包封的微型通道40連同樣品孔42、44、 46與48的微型流體裝置50。組合板38的結(jié)合最好通過玻璃-玻璃熱結(jié)合，即將Corning 1737 板結(jié)合到Corning 1737 成形片上，然后將所述組合板38在約870°C下退火約90分 鐘。在結(jié)合之前，通過鉆孔或其它方法形成孔，這樣由成孔工藝產(chǎn)生的微小裂縫與表面損傷 (如果有的話)，可以在退火處理時消除。上述本發(fā)明工藝方法的例子在同一工藝步驟中，可以形成由一薄玻璃層分隔的雙 通道結(jié)構(gòu)。例如，從厚度為0. 5mm薄片起始，側(cè)壁58的厚度范圍在0. 4-0. 3mm之間，對熱交 換幾無障礙。如有要求，側(cè)壁可以較厚，從0.7mm或Imm厚的薄片起始。圖7所示的標準流體接頭52可以通過聚合物結(jié)合或其它兼容的玻璃結(jié)合手段固定之。由于上述成形工藝方法容易在成形片32的上下兩面制成互補式雙通道結(jié)構(gòu)。以 這種方式形成的微型流體裝置的一個普通應(yīng)用就是熱交換。如圖8所示，所述成形片32的 一邊通道中可以有第一流體F1，而該成形片32的另一邊通道中可以有第二流體F2。因為 這兩邊的通道是由極薄玻璃片分隔的，所以可以快速有效地進行傳熱遞。圖9所示為如圖8的微型流體通路中相隔兩條通道的一種可能排列方向的平面 圖。通道54可以呈直線，平行排列在一起，有兩個孔在各通道的兩端。這類通道可用于兩 個相隔通道中的兩種流體以相反方向流動，如圖中箭頭與陰影所示，或在另一方式中，如有 需要，兩種流體以平行相同方向流動，能達到高流量的熱交換。圖10所示為如圖8 一類兩個相隔通道的另一種可能的排列。在圖10中，兩個相 間通道54以同心螺旋狀排列在一起，兩個孔56在所述螺旋的最外邊與中心處。本專利工藝產(chǎn)生的微型通道的排列不一定限于如圖9與10所示的那些相隔而互 不連通的通道排列。如有需要，例如形成成形片32的模可以結(jié)構(gòu)成能將所使成形片32 —面的部分通 道或全部通道的通道尺寸達到最小，造成如圖11所示那種微型流體裝置50，它有小通道60，與它交替排列的是通常尺寸的通道40。由此產(chǎn)生的小通道然后可以從流體通路結(jié)構(gòu)中 整個被省略掉。如果需要，這些小通道60可以交替地充以空氣、氦或其它氣體，或甚至部分 真空，有助于相鄰流體通道的絕熱效果。相反，如果需要高熱質(zhì)量與相對較高的傳熱效果以 及溫度的均勻性，這些小通道也可充以水或其它流體。圖12平面圖所示的是根據(jù)本發(fā)明裝置的一個實施方式，在成形片一面具有小通 道尺寸。在此實施方式中，小通道60并不包括在微型流體通路中，而正常尺寸通道54具有 孔56。如圖12所示的實施方式，可以采用單塊板封蓋住正常尺寸的通道。在本發(fā)明微型流體裝置的另一替代實施方式中，如有需要，在成形片32 —面的流 體通道與另一面互補的流體通道，可以通過除去成形片32內(nèi)的通道壁的選定部分而造成 流體互通的開口。例如，如圖13所示的虛線框41內(nèi)的材料可以通過打磨、鉆孔或其它工藝 方法從成形片32除去，形成相互鄰近通道43與45之間的通孔。被除去的材料不一定沿通 道延伸一大段長度(沿圖中朝里與朝外方向)，因此成形片32基本上可以保持其結(jié)構(gòu)的整 體性。本發(fā)明微型流體裝置可以使用各種組成的玻璃成功地制造，包括Corning0211、 Corning 7059、Corning 1737 (這些在 Corning Incorporated^ CorningNew York、USA 有 售)和 Glaverbel D236 (在 Glaverbel Group, 1170 Brussels，Belgium 有售)。在這些玻 璃材料中，Corning 1737提供的熱膨脹系數(shù)最小，約為37. 6X 10-7C。由Corning 1737制 成的微型流體裝置適用于流體溫度高達650°C。也可以使用諸如Kerablack(從Keraglass， 77 Bagneau surLoing，F(xiàn)rance購得)的鋁硼硅酸鹽玻璃。微型流體裝置如上制成后， Kerablack玻璃然后被可陶化成玻璃陶瓷，它具有超低熱膨脹系數(shù)，約為_2 X 10_7。按照本發(fā)明還有一種實施方式，兩種熱膨脹系數(shù)相當接近的玻璃材料可用來制成 一單個微型流體裝置。例如，成形片32可以由Corning 1737制成，而用于裝置50內(nèi)封蓋 通道用的頂板34與底板36可以由Pyrex 7740玻璃制成(參見圖5與6)。這兩種玻璃材 料的軟化溫度差約100°C，可在大約780°C的溫度進行熱熔接。這種較低的熔接溫度有助于 防止成形片32后真空成形時的變形上。優(yōu)選的制造工藝上述的等溫工藝被用于原型結(jié)構(gòu)，它適用于很小規(guī)模的制造。下面敘述的是一種 成本較為低廉與更為有效的工業(yè)化規(guī)模制造的一個實施方式，參見圖14A-14F。如圖14A所示，一塊玻璃料坯70從進料罐(未被顯示)傳送到兩個加熱的滾子 72與74之間。結(jié)果軋出玻璃片76到移動模78上，立刻抽真空，形成如圖14B所示的成形 片80，由于真空抽吸作用，成形片的厚度相對于軟玻璃片76的厚度減小了。通過第二步立 即進行的滾子間通過，如圖14C所示，第二張軟玻璃板82放置在成形片80上。此第二張軟 玻璃板立即封蓋所述成形片80的上表面，形成封閉的上通道90，如圖14D所示。上通道90 由此建成并在短至約5-10秒內(nèi)快速封蓋。然后將具有封閉上通道90的成形片從模上揭下 來，反轉(zhuǎn)過來置于支撐臺82上。然后將先前未被封蓋的互補流體通道，如圖14E所示，用第 三張軟玻璃板84封蓋，形成封閉的下通道100，制成圖14F那樣的微型流體裝置50。對于采用Pyrex 7740玻璃料，所要求的熱條件是在1350°C將玻璃料傳送到溫度 為650°C的加熱滾子和模上。脫模劑最好是乙炔裂化產(chǎn)生的炭黑。玻璃片愈薄，滾子溫度應(yīng) 愈高。演示的是0. 8mm軋制與真空成形的成形片，而在其底部厚度甚至小于0. 2mm。
本發(fā)明與本發(fā)明工藝制造的微型流體裝置不一定限于近垂直通道壁的結(jié)構(gòu)。這里 圖15所示為具有三角形通道40的微型流體裝置50的截面圖。按照本發(fā)明也很容易獲得 這種與其它結(jié)構(gòu)。本發(fā)明工藝與方法可以重復(fù)可靠地形成壁很薄的玻璃微型通道。本發(fā)明形成的微 型流體裝置特別適合用于高流量微型流體的熱交換。與形成微型流體裝置的其它方法相比，本發(fā)明還提供相鄰?fù)ǖ乐g的壁表面積相 對于通道截面積大的優(yōu)點。壁的表面積大主要歸因于相對高的通道長徑比(通道高度與通 道寬度之比)，采用本專利揭示的方法，此長徑比可達2 1或更高。
權(quán)利要求
一種制造微型流體裝置的方法，所述方法包括提供一個模；將軟化的玻璃或可陶瓷化的玻璃的片置于所述模上；對所述片施加不同的氣體壓力，使所述片與所述模貼合，由此在所述片的至少一個表面上形成微型通道；通過在所述模上粘結(jié)一塊玻璃或可陶瓷化的玻璃的片，在所述片的至少一個表面上基本封蓋所述微型通道。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其特征為它還包括陶瓷化所述板與所述片的步驟。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征為對所述片施加不同的氣體壓力以使所述 片與所述模貼合的步驟包括對在所述片與所述模之間的片抽真空。
4.如權(quán)利要求1-3中任何一項所述的方法，其特征為通過在所述模上粘結(jié)玻璃或可 陶瓷化的玻璃的片以在所述片的至少一個表面上基本封蓋所述微型通道的步驟包括將一 軟玻璃片軋平放置在所述貼合的片上，由此將所述軟玻璃片粘結(jié)在所述貼合的片上。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種制造微型流體裝置的方法，所述方法包括提供一個模；將軟化的玻璃或可陶瓷化的玻璃的片置于所述模上；對所述片施加不同的氣體壓力，使所述片與所述模貼合，由此在所述片的至少一個表面上形成微型通道；通過在所述模上粘結(jié)一塊玻璃或可陶瓷化的玻璃的片，在所述片的至少一個表面上基本封蓋所述微型通道。
文檔編號C03B23/035GK101967038SQ20101026331
公開日2011年2月9日 申請日期2005年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月30日
發(fā)明者P·卡澤, T·L·A·達諾克斯 申請人:康寧股份有限公司