生物传感器微流控通道模具：加工指南

生物传感器微流控通道模具是金属母模，其表面带有成品芯片所需流体网络的负型结构。将 PDMS 浇铸在其上，或将 COC、PMMA 热压印在其上，聚合物即可复制出通道图案。模具不是产品，而是决定后续每个复制件是否具有相同通道宽度、相同底面粗糙度和相同边缘几何形状的工具。

典型生物传感器布局使用 20 µm 至 500 µm 宽、10 µm 至 200 µm 深的通道。其中两项特征最为关键。第一是横截面。顶部尖角为直角的矩形通道可提供稳定流动和可预测的填充体积；圆角通道会改变流型，并影响试剂混合方式。第二是底面表面处理，因为光散射和非特异性蛋白吸附都会随粗糙度上升而增加。

我们在 3 轴、4 轴和 5 轴加工中心上，用铝、不锈钢、工具钢、黄铜或铜加工这些母模。基材选择取决于复制工艺，而非相反：150 °C 或以上的热压印倾向于使用钢，而低压 PDMS 浇铸通常用铝即可。

有一点值得尽早说明。模具是易损件。它要承受热循环、脱模力和清洗化学品，因此交付时看似完美的表面可能在数百次模压后劣化。设计母模时考虑到这一点，可避免项目中途出现意外。

我们的通用加工公差为 ±0.005 mm，常规加工表面可达 Ra 0.8–1.6 μm，在刀路和几何形状允许时可达到 Ra 0.2–0.8 μm。这些数值并不能自动套用到每一条微通道。关键在于通道宽度、深度与切削长度之间的比例。

200 µm 宽、50 µm 深、30 mm 长的通道属于常规加工。同样长度下 30 µm 宽的通道则不然，因为能进入槽内的刀具过于细长，切削时无法避免让刀。让刀表现为壁面锥度、底面弯曲或刀具中途断裂。当设计处于该边界时，我们会在 DFM 评审中说明，而不是报一个无法在生产批次中重复的数值。

深宽比是另一项约束。深宽比低于约 2:1 时，铣削稳定。高于 3:1 时，排屑成为问题。切屑挤入槽内，摩擦壁面，留下的表面处理无论怎样抛光都无法修复而不使棱角变圆。

尖锐内角也有硬性限制。转角半径不可能小于刀具半径，因此 100 µm 宽的通道无法做出真正的 90° 转角。如果设计需要直角，请预留圆角或改用能实现该特征的工艺。

• 1
  常规范围通道宽度 100–500 µm，深度小于 100 µm，深宽比低于 2:1。
• 2
  可谨慎实现宽度 50–100 µm，浅深度，短流道长度，较大的转角半径。
• 3
  需修改设计宽度小于 30 µm，深宽比高于 3:1，或带尖角的长窄槽。

微通道加工成败取决于刀具。我们使用硬质合金小直径立铣刀和微球头刀，在淬硬钢上则改用石墨电极进行微细电火花加工。刀具必须足够短以保持刚性，又要足够长以到达型腔底面，因此我们通常用递减直径的多把刀具分步加工，而不是试图用一把刀完成精加工。

粗加工用较大刀具去除大部分余量，在底面和壁面留 20–40 µm 余量。精加工随后以较高主轴转速进行轻径向切削。精加工采用顺铣，使切削力将工件压向刀具而非抬起工件，从而减少脆性材料的边缘崩缺并改善壁面直线度。

毛刺是典型的失效模式。在 50 µm 通道上，顶边 5 µm 的毛刺不是外观问题；它会改变密封面，并可能在键合后堵塞通道。我们通过锋利刀具、干净退出材料的精加工走刀，以及在几何形状允许时进行不触及通道底面的轻微去毛刺来控制毛刺。

深槽会积存切屑。我们编制带吹气或内冷的分步啄铣循环，并在工序间进行检查。一旦切屑被摩擦热焊接到通道壁上，清理成本通常高于重新加工该特征。

光学检测和荧光读取对通道底面敏感。底面越粗糙，散射光越多，基线噪声越大，因此生物传感器母模通常要求比一般机加工件更细的表面处理。平面底面和可触及侧壁可达 Ra 0.2–0.8 μm，但方法很关键。

用磨料介质进行机械抛光会使边缘变圆。在 100 µm 通道上，若抛光从底面去除 3 µm，可能使圆角半径减小 5 µm。这一变化会改变横截面，并可能改变填充行为。当尖角至关重要时，我们会让抛光区域远离边缘，其余部分依靠精加工刀路保证。

电解抛光和化学镀镍是替代方案。电解抛光不通过机械接触即可使不锈钢表面光滑，能更好地保持几何形状，但它均匀去除材料，无法修正波浪形底面。镀镍会形成一层坚硬、耐腐蚀的镀层，延长模具寿命，代价是增加一层薄镀层，必须在尺寸中予以考虑。

请告知您验收模具时将采用的测量方法。如果来料检验是沿通道进行轮廓仪扫描，我们将按同样方式报告。如果是显微镜图像，也请说明，因为不同方法下边缘轮廓的判读结果不同。

发货前我们对零件进行 100% 检验，包括原材料检查、过程监控和最终尺寸检验。对于微流控母模，最终报告通常包括沿流道多个位置的通道宽度和深度、底面粗糙度以及圆角半径说明。报告可按要求提供。

有效的检查不是在模具中心做一次测量，而是在最长通道的入口、中部和出口各做一组测量。长时间精加工过程中的热漂移会在这里显现。如果宽度沿长度方向的漂移超过允许值，模具生产出的芯片填充体积就会有梯度，而这个梯度后期很难发现。

钜亮五金（GreatLight）按照 ISO 9001:2015、IATF 16949:2016、ISO 13485:2016 和 ISO 27001:2022 运行。医疗器械标准在这里很重要，因为生物传感器工装通常处于受监管的开发项目中。图纸和工艺数据保密，文件传输前可按要求签署 NDA。

报价和免费 DFM 分析在 12 小时内返回。批准后 24 小时内可开始生产，零件 3–5 天发货。从一套原型模具到 10,000+ 件批量生产，没有最小起订量。