一種新穎的熔接工藝，由德國弗勞恩霍夫材料和光束技術(shù)研究所（Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology）研發(fā)，并得到弗勞恩霍夫陶瓷技術(shù)和系統(tǒng)研究所（Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems）的協(xié)助，旨在改善微型系統(tǒng)工程在生物化學(xué)及化學(xué)分析領(lǐng)域的制造過程。在此，我們著重介紹運(yùn)用激光技術(shù)直接熔接聚合物和陶瓷。此研發(fā)項(xiàng)目旨在開發(fā)出一種便宜的、多功能傳感器系統(tǒng)，通過整合基于低溫共燒陶瓷（LTCC）的傳感器和利用低成本聚合物微射流的致動技術(shù)。通過激光技術(shù)，不同材質(zhì)的各種物體被強(qiáng)力、持久地結(jié)合在一起。激光技術(shù)還有助于低溫共燒陶瓷和聚合物的微圖像化及表面功能化。 低溫共燒陶瓷技術(shù) 陶瓷的多層LTCC技術(shù)是被廣泛認(rèn)可的制造微電子、傳感器（如壓力傳感器、pH值檢測、導(dǎo)電性及電阻測量）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如壓電致動器）的生產(chǎn)技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)能制造三維的、大功率的電子電路，可被用于汽車和電信行業(yè)。 未燒結(jié)材料中的柔性箔片是LTCC技術(shù)的基? Ｕ廡┑ジ霾芡ü導(dǎo)庸せ蚣す饃帳瓷杉負(fù)甕夾?。例染椏庚_ゲ礱嬪系牡縉髟芡ü客∷⑸傘＝酉呂?，预制箔片?00℃的溫度下被疊放、壓平、燒結(jié)。低溫共燒陶瓷技術(shù)的一個缺點(diǎn)就是不夠透明，導(dǎo)致很難用光學(xué)手段進(jìn)行流程監(jiān)控。 藥學(xué)和生物學(xué)界的科學(xué)家正利用傳感系統(tǒng)嘗試光學(xué)監(jiān)控加工流程。通過安裝透明的聚合物窗口，陶瓷感應(yīng)系統(tǒng)將能通過光學(xué)監(jiān)測內(nèi)部加工過程。復(fù)雜的微流體系統(tǒng)通常都不是通過LTCC技術(shù)制造的。材料和制造技術(shù)使這種陶瓷元器件比同等級的聚合物元器件得到更廣泛的應(yīng)用。 尖端的技術(shù) 工業(yè)制造通常采用不同的連接技術(shù)來接合聚合物和陶瓷部件，比如，粘接或機(jī)械連接技術(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)中常常會用到粘合劑，來粘合不同的物體，最后能對縫合口起到很好的密合作用。這項(xiàng)技術(shù)的缺點(diǎn)之一就是它額外采用了化學(xué)物質(zhì)用作粘合材料，對最終系統(tǒng)的功能帶來了不必要的影響，比如生物醫(yī)學(xué)反應(yīng)。使用單芯片實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)或生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)的科學(xué)家對利用光學(xué)方式從外部監(jiān)控內(nèi)部狀況很感興趣，他們通常會用粘合劑在陶瓷體上安裝一個透明窗口，以便觀察內(nèi)部情況。長期來看，許多這樣的粘合接口不夠穩(wěn)定和牢固，經(jīng)常會發(fā)生窗體剝落或泄漏的情況。 機(jī)械連接一般用到螺絲釘、夾鉗或類似的工具，為連接陶瓷和聚合物提供了另一種選擇。在這種情況下，像孔或卡口之類的地方需要同時(shí)考慮兩個被連接部件，增加了工作量。此外還需要配備密封墊圈，用來完成聚合物和陶瓷部件之間不漏液、不漏氣的無縫裝配。 激光焊接是另一種被業(yè)內(nèi)認(rèn)可的聚合物部件焊接工藝，需要熔接的兩部分由相似的熱塑性聚合物組成。激光束能量穿越首個熔接部件后被第二個吸收，加之外在的壓力，能讓兩個部件緊緊連在一起，形成有力的接點(diǎn)。被吸收的激光能量使接觸區(qū)域內(nèi)的部件熔化并結(jié)合。在連接區(qū)域固化之后，表現(xiàn)出和基底材料同樣的屬性。 新穎的熔接技術(shù) 由德國弗勞恩霍夫材料和光束技術(shù)研究所開發(fā)的新技術(shù)，能直接、牢固的焊接陶瓷和聚合物。乍看起來，直接熔接兩種截然不同熔點(diǎn)的物體似乎是很困難的。普通的熱塑性聚合物熔點(diǎn)在250 ℃以下，熱分解的話需要超過400 ℃的高溫。相比之下，陶瓷的熔點(diǎn)卻在1000 ℃以上。這兩種材料大相徑庭的受熱及物理表現(xiàn)對這種熔接技術(shù)構(gòu)成了挑戰(zhàn)。 這種新穎的熔接技術(shù)的基本理念（見圖1），就是通過部分熔化聚合物，將其推入堅(jiān)固的陶瓷材料表面中孔洞和凹凸不平的地方。熔接過程分為兩個步驟：表面改性，通過激光輻射進(jìn)行熱連接。 圖1、新熔接工藝的原理在加工的第一步驟中，陶瓷物體的表面是有圖案的，例如，通過激光燒蝕形成兩個物體的密實(shí)的復(fù)合物。在接下來的熱加工過程中，激光束在連接范圍內(nèi)熔化掉薄薄的一層聚合物表面。激光屬從透明的聚合物部分穿過，被陶瓷部分吸收，促成對陶瓷表面進(jìn)行有選擇的熔化。熔接點(diǎn)之間的熱傳導(dǎo)使聚合物持續(xù)升溫，能通過外部壓力，使聚合物熔化的部分流入到陶瓷的表面結(jié)構(gòu)（見圖2）。等待溫度降低，凝固之后，兩個物體緊緊地融合在一起。完成這個熔接的關(guān)鍵兩點(diǎn)：通過機(jī)械錨定使聚合物連接到陶瓷表面微結(jié)構(gòu)中，以及接觸物體之間的粘連。 圖2、連接機(jī)理（機(jī)械固定和黏合）的圖解最新的研究工作調(diào)查并優(yōu)化了不同的加工參數(shù)對熱熔接過程的影響，這些參數(shù)包括激光功率、加工速度、連接壓力、連接區(qū)溫度等。為了有效地監(jiān)測和控制結(jié)合溫度，在系統(tǒng)中安裝了高溫測量儀和激光功率控制器。到目前為止，共運(yùn)用了兩種不同的激光光源：棒型Nd:YAG激光器和光纖激光系統(tǒng)。相比較而言，光纖激光器比固態(tài)激光器擁有更高效率的光束質(zhì)量。總體上來看，其他激光光源，比如半導(dǎo)體激光器也能適用。 由于LTCC技術(shù)在微型和傳感器系統(tǒng)的巨大潛力，研發(fā)部門著力研究這種類型的陶瓷。不同的聚合物材料都成功地經(jīng)過檢測和比較，比如PC、PMMA、SAN和PETG。熔接物體（在我們的案例中為陶瓷）的表面圖形對熔接強(qiáng)度和耐用性有著重要的影響。通過運(yùn)用不同的短脈沖激光光源，不同領(lǐng)域的表面圖形被創(chuàng)造、連接和比較。長寬等結(jié)構(gòu)尺寸對不同的幾何圖形都是不一樣的，比如單隕石坑或直線槽。不同的結(jié)構(gòu)和加工參數(shù)彼此影響，對接點(diǎn)屬性也產(chǎn)生作用。原料處理和制備也會對最終表現(xiàn)產(chǎn)生影響。為了能達(dá)到最佳的熔接效果，對所有互相關(guān)聯(lián)的參數(shù)進(jìn)行復(fù)雜的優(yōu)化和調(diào)整就顯得至關(guān)重要。抗拉強(qiáng)度達(dá)到25 N/mm2的密封連接由此產(chǎn)生了。 單芯片實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 基于這項(xiàng)全新的熔接技術(shù)，一些生物反應(yīng)器和單芯片實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)被制造出來，用于研究和測試。運(yùn)用優(yōu)化的連接技術(shù)，基于LTCC的陶瓷傳感器與透明的聚合物相結(jié)合，比如平面窗或微流體元件。弗勞恩霍夫陶瓷技術(shù)和系統(tǒng)研究所協(xié)助開發(fā)了包含不同傳感器和微流體系統(tǒng)部件的陶瓷元件。從圖3中的單芯片實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中可以看到，綜合微生物反應(yīng)器內(nèi)部的細(xì)胞生長在自定義的熱度和生化條件下能被監(jiān)測和控制。通過使用透明的聚合物窗口，該系統(tǒng)現(xiàn)在能通過光學(xué)顯微鏡監(jiān)測到內(nèi)部流程。另一種選擇是利用分光光度法，例如熒光分析術(shù)，來分析反應(yīng)器內(nèi)部的生化變化。 圖3、單芯片實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配備LTCC為基礎(chǔ)的多電極傳感器和聚合物微流腔。圖4顯示，一種集成的多電極陣列陶瓷聚合物流量傳感器被用于測量細(xì)胞培養(yǎng)過程中發(fā)出的電子信號。陶瓷傳感器通過新型的熔接技術(shù)被連接到一種聚合物微流體元件中。培養(yǎng)過程中，細(xì)胞可吸收聚合物流體傳輸?shù)酿B(yǎng)分溶液和各種反應(yīng)物。 圖4、基于LTCC的單芯片實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配有一個聚合物窗口在同時(shí)進(jìn)行的另一項(xiàng)研發(fā)工作中，德國弗勞恩霍夫材料和光束技術(shù)研究所開發(fā)出了一種在活性氣體環(huán)境下，脈沖激光可使聚合物表面圖案化和功能化。這將影響特定表面上的細(xì)胞增生，從而在其連接到傳感系統(tǒng)之前，令聚合物的生物功能化成為可能。 這種新型的熔接工藝應(yīng)用前景和市場廣闊，覆蓋化學(xué)和生物分析等領(lǐng)域，比如制藥公司中用到的篩檢，化學(xué)設(shè)施中的環(huán)境分析，食品行業(yè)和醫(yī)學(xué)技術(shù)中的分析等。 未來前景 德國弗勞恩霍夫材料和光束技術(shù)研究所正在進(jìn)行的研究活動中，有一個目的就是改善連接點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度。進(jìn)一步優(yōu)化表面圖案化和表面預(yù)處理。將來的研究也將會把連接過程轉(zhuǎn)移到其他物體的融合，比如其他聚合物或新的陶瓷，或?qū)⒃擁?xiàng)技術(shù)用到連接聚合物和半導(dǎo)體或金屬。通過這種方式，該技術(shù)的應(yīng)用范圍便擴(kuò)大到微系統(tǒng)技術(shù)和微電子領(lǐng)域。