一種新穎的熔接工藝，由德國弗勞恩霍夫材料和光束技術研究所（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)工程在生物化學及化學分析領域的制造過程。在此，我們著重介紹運用激光技術直接熔接聚合物和陶瓷。此研發(fā)項目旨在開發(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。通過激光技術，不同材質的各種物體被強力、持久地結合在一起。激光技術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 陶瓷的多層LTCC技術是被廣泛認可的制造微電子、傳感器（如壓力傳感器、pH值檢測、導電性及電阻測量）和執(zhí)行機構（如壓電致動器）的生產技術。此項技術能制造三維的、大功率的電子電路，可被用于汽車和電信行業(yè)。 未燒結材料中的柔性箔片是LTCC技術的基? Ｕ廡┑ジ霾芡ü導庸せ蚣す饃帳瓷杉負甕夾巍＠緱扛齙ゲ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。低溫共燒陶瓷技術的一個缺點就是不夠透明，導致很難用光學手段進行流程監(jiān)控。 藥學和生物學界的科學家正利用傳感系統(tǒng)嘗試光學監(jiān)控加工流程。通過安裝透明的聚合物窗口，陶瓷感應系統(tǒng)將能通過光學監(jiān)測內部加工過程。復雜的微流體系統(tǒng)通常都不是通過LTCC技術制造的。材料和制造技術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用。 尖端的技術 工業(yè)制造通常采用不同的連接技術來接合聚合物和陶瓷部件，比如，粘接或機械連接技術。在工業(yè)生產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。這項技術的缺點之一就是它額外采用了化學物質用作粘合材料，對最終系統(tǒng)的功能帶來了不必要的影響，比如生物醫(yī)學反應。使用單芯片實驗系統(tǒng)或生物醫(yī)學系統(tǒng)的科學家對利用光學方式從外部監(jiān)控內部狀況很感興趣，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，經常會發(fā)生窗體剝落或泄漏的情況。 機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)內認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。被吸收的激光能量使接觸區(qū)域內的部件熔化并結合。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 由德國弗勞恩霍夫材料和光束技術研究所開發(fā)的新技術，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的物體似乎是很困難的。普通的熱塑性聚合物熔點在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)對這種熔接技術構成了挑戰(zhàn)。 這種新穎的熔接技術的基本理念（見圖1），就是通過部分熔化聚合物，將其推入堅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的復合物。在接下來的熱加工過程中，激光束在連接范圍內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，促成對陶瓷表面進行有選擇的熔化。熔接點之間的熱傳導使聚合物持續(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構（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。完成這個熔接的關鍵兩點：通過機械錨定使聚合物連接到陶瓷表面微結構中，以及接觸物體之間的粘連。 圖2、連接機理（機械固定和黏合）的圖解最新的研究工作調查并優(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量。總體上來看，其他激光光源，比如半導體激光器也能適用。 由于LTCC技術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度和耐用性有著重要的影響。通過運用不同的短脈沖激光光源，不同領域的表面圖形被創(chuàng)造、連接和比較。長寬等結構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。不同的結構和加工參數(shù)彼此影響，對接點屬性也產生作用。原料處理和制備也會對最終表現(xiàn)產生影響。為了能達到最佳的熔接效果，對所有互相關聯(lián)的參數(shù)進行復雜的優(yōu)化和調整就顯得至關重要?？估瓘姸冗_到25 N/mm2的密封連接由此產生了。 單芯片實驗系統(tǒng) 基于這項全新的熔接技術，一些生物反應器和單芯片實驗系統(tǒng)被制造出來，用于研究和測試。運用優(yōu)化的連接技術，基于LTCC的陶瓷傳感器與透明的聚合物相結合，比如平面窗或微流體元件。弗勞恩霍夫陶瓷技術和系統(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中的單芯片實驗系統(tǒng)中可以看到，綜合微生物反應器內部的細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)在能通過光學顯微鏡監(jiān)測到內部流程。另一種選擇是利用分光光度法，例如熒光分析術，來分析反應器內部的生化變化。 圖3、單芯片實驗系統(tǒng)配備LTCC為基礎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被連接到一種聚合物微流體元件中。培養(yǎng)過程中，細胞可吸收聚合物流體傳輸?shù)酿B(yǎng)分溶液和各種反應物。 圖4、基于LTCC的單芯片實驗系統(tǒng)配有一個聚合物窗口在同時進行的另一項研發(fā)工作中，德國弗勞恩霍夫材料和光束技術研究所開發(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用前景和市場廣闊，覆蓋化學和生物分析等領域，比如制藥公司中用到的篩檢，化學設施中的環(huán)境分析，食品行業(yè)和醫(yī)學技術中的分析等。 未來前景 德國弗勞恩霍夫材料和光束技術研究所正在進行的研究活動中，有一個目的就是改善連接點的抗拉強度。進一步優(yōu)化表面圖案化和表面預處理。將來的研究也將會把連接過程轉移到其他物體的融合，比如其他聚合物或新的陶瓷，或將該項技術用到連接聚合物和半導體或金屬。通過這種方式，該技術的應用范圍便擴大到微系統(tǒng)技術和微電子領域。