專利名稱：燒結的玻璃和玻璃-陶瓷結構及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及燒結的玻璃和玻璃-陶瓷結構及其形成方法，特別涉及形 成在實心(solid)基材上的燒結的玻璃和玻璃-陶瓷結構及其形成方法。
背景技術：
一種用來形成玻璃或玻璃-陶瓷結構(例如用于流體或微流體裝置的玻璃 或玻璃-陶瓷結構)的有效的制造方法是通過在基材上對玻璃料(frit)和粘合
劑混合物進行成形，或者使得玻璃料與粘合劑的混合物成形到基材上，形成較 細的三維結構，例如限定流體或微流體裝置的流體通道的壁。所述基材和玻璃 料可以一起與各自可具有圖案化的玻璃料三維結構的一個或多個其它基材疊 置，燒結在一起，形成一片或整體型的裝置。對于該類制造方法的一個例子的 更詳細的描述可參見轉讓給本申請的受讓人的美國專利第6,769,444號。
但是，對于在最終的裝置中，在圖案化的玻璃料一定特征尺寸范圍內提供 高強度仍然存在問題。在成形的玻璃料的三維結構被燒結的過程中，基材的物 理約束可能造成三維結構中產生裂紋。這會在最終完全燒結的產品中產生弱的 位點，潛在的破裂點。因此人們需要能夠防止形成這樣的裂紋的裝置或方法。

發(fā)明內容
根據(jù)一個實施方式，本發(fā)明包括一種整體化的結構，所述整體化的結構由 通過設置在兩塊或更多塊平面基板之間的玻璃或玻璃-陶瓷燒結的圖案化玻璃 料熔合在一起的兩塊或更多快平面基板組成。所述燒結的圖案化玻璃料的圖案在其中限定出通道，所述燒結的圖案化玻璃料在平行于所述基板的方向具有特 性第一最小特征尺寸。所述玻璃料的顆粒在最大長度尺度上具有多分散尺寸分 布，該多分散尺寸分布最高達到最大玻璃料粒度，燒結的圖案化玻璃料的第一 最小特征尺寸大于所述最大玻璃料粒度的兩倍，優(yōu)選約等于或大于三倍，且小
于最大玻璃料粒度的6.25倍，優(yōu)選約等于或小于五倍，最優(yōu)選約等于或小于4
倍。將最小特征尺寸設定成相對于最大玻璃料粒度足夠低，可以防止形成裂紋， 使得該結構更堅固，同時將該最小特征尺寸保持在足夠高的水平，使得在模塑 之類的有效的成形工藝中可以確保足夠的分辨率，使得所述結構更容易制造。 根據(jù)另一個實施方式，本發(fā)明還包括一種在基板上形成具有所需圖案的燒 結結構的方法。所述方法包括提供容易發(fā)生粘性燒結的多分散玻璃料材料，將 所述玻璃料與足量的粘合劑混合，使得形成玻璃料-粘合劑混合物。所述方法 還包括使得所述玻璃料-粘合劑混合物以所需的圖案在基板上成形，所述圖案 在平行于基板的方向具有第一最小特征尺寸，然后對所述成形的混合物進行燒 結，形成燒結的結構。根據(jù)該方法，所述多分散的玻璃料的最大粒度大于所述
第一最小特征尺寸的O. 16倍，優(yōu)選約等于或大于0.2倍，最優(yōu)選約等于或大 于0.25倍，并且小于或等于0.5倍，優(yōu)選約小于或等于0.3倍。選擇足夠高 的粒度，使得所得的結構更牢固，同時將粒度保持在足夠低的水平，使得結構 更容易制造。所述方法可包括用球磨或類似的合適的方法提供多分散玻璃料， 然后用尺寸為玻璃料最大粒度的一半的篩網對玻璃料進行篩分，將能夠通過篩 網的所有顆粒保留在玻璃料中。這樣提供了一種非常簡單的根據(jù)本發(fā)明方法制 造具有多分散粒度分布的高性能玻璃料的方法。
在以下詳述中描述了本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點，本領域技術人員通過本文 的描述(包括以下詳述、權利要求書、以及附圖)可以很容易地部分地了解，或 者通過根據(jù)本文所述內容實施本發(fā)明認識到這些特征和優(yōu)點。
應當理解以上簡述和以下本發(fā)明實施方式的詳述是用來為理解本發(fā)明所 要求的性質和特征提供縱覽或框結。附圖用來進一步理解本發(fā)明，并將其結合 入本發(fā)明的說明書中，構成說明書的一部分。附圖顯示了本發(fā)明的各種實施方 式，與說明書一起用來解釋本發(fā)明的原理和操作。


圖1是本發(fā)明微流體裝置的一個實施方式的截面示意圖； 圖2A-E是玻璃料結構20的一部份的顯微照片。
圖3是顯示用來制造圖2A-E的結構的玻璃料的粒度分布和結果的圖表。 圖4是三維玻璃料結構在燒結之后的層44的透視顯微照片，顯示了當將
63微米篩分的玻璃料用于最小寬度約為1000微米的結構時在隆起的橢圓形結
構底部的裂紋。
圖5是三維玻璃料結構燒結之后的層44的透視顯微照片，圖中顯示在使 用125微米篩分的玻璃料的情況下，在與圖4類似的隆起的橢圓結構的底部不 存在裂紋。
圖6是類似圖1所示的裝置10的裝置一部份的橫截面顯微照片，該裝置 被切段，然后進行蝕刻以顯示出燒結的結構化材料20內的顆粒邊界。
具 體實施方式
微流體裝置，例如圖1的裝置10，可以由三維(3-D)燒結玻璃料結構20 組成，所述三維燒結玻璃料結構20在兩塊基板30和40之間燒結從而熔融， 限定出其中具有流體通道70的整體型裝置10。如圖1中所示的裝置10，在一 些裝置或裝置的一些部分中，優(yōu)選通過模塑在基板上形成一個三維玻璃料結構 層44,然后燒結到僅包含玻璃料50的平坦薄層的另一個基板上，在三維玻璃 料結構20中形成虛線46表示的熔合連接處?；蛘?，在其他的裝置或者裝置的 部分上，首先在獨立的基板上形成的兩個三維玻璃料結構可以互相燒結在一 起。
在任意的情況下，所得的圖案化的燒結的玻璃料結構20在平行于基板30、 40的方向具有特性最小特征尺寸或尺度60。尺寸60等于玻璃料結構20的自 由(不受約束的)表面之間的特征最小距離，或者等于通道70的特征壁厚度。
所述圖案化的燒結玻璃料結構20還在垂直于基板30、 40的方向具有特性 最小特征尺寸或尺度62或64。該尺度62或64等于玻璃料結構20被約束的表 面(通過與基板30或40接觸而被約束)以及玻璃料結構20未被約束的表面(例 如通道70的內表面)之間的特征最小距離。尺度62還可表示殘余層的厚度，所述殘余層是作為形成三維玻璃料結構的層44的一部份在基板30上制造的玻 璃料的基板覆蓋層。尺度64還可表示平坦層50的厚度。尺度62和64可以相 等，但是也可不同，在不同的情況下，兩個尺度中較小的那個表示垂直于基板 30、 40的方向上的特性化的最小特征尺寸。
圖1所示種類的微流體裝置的破壞源分析(break source analysis)表明最終 裝置的機械耐受性會被玻璃料壁結構底部(即流體通道70的內角處或附近)的 裂紋改變，收縮裂紋造成的改變尤其明顯。另外，已經辨明當將最終流體裝置 10置于壓力測試中用來測量內壓力能力的時候，無論在所需標準之上或之下產
生破壞，最常見的破裂源是裂紋。
研究表明對于具有類似圖1的結構的設計，當尺寸60約為500微米，使 用具有篩分至低于63微米的多分散粒度分布(PSD)的玻璃料制造的時候，該結 構沒有任何裂紋。但是當使用相同的玻璃料，而成形的玻璃料結構20平行于 基板的最小特征60尺寸約為1000微米的時候，在最終的產品中會觀察到裂紋， 在預燒結過程中(部分燒結)即觀察到裂紋的形成， 一直持續(xù)到最終燒結階段。 對熱處理進行了研究以圖解決裂紋的問題，但是這些影響似乎最多只是產生次 一級的效果。
在陶瓷粉末成形和燒結中，通常優(yōu)選采用最小的粒度和最高的顆粒均勻 度。但是通過對具有較小的最大粒度和較大的粒度均勻性的玻璃料(用20微米 的標準進行篩分，保留所有能夠通過篩網的顆粒)進行測試，觀察到裂紋缺陷 顯著增多。而通過對具有較大的多分散PSD的玻璃料(以125微米和160微米 的尺寸進行篩分，所有能夠通過篩網的顆料都保留下來)進行測試，發(fā)現(xiàn)未形 成裂紋。因此，發(fā)現(xiàn)具有較大的最大粒度的多分散玻璃料的性能優(yōu)于具有較小 粒度的多分散玻璃料。相對于63微米篩分的玻璃料，125微米篩分的玻璃料消 除了裂紋形成，或者顯著減少了裂紋的形成，耐壓性顯著改進了大約8-32%。
這些試驗的結果見圖2A-E，圖中顯示了部分燒結的或"預燒結的"玻璃 料結構20的橫截面顯微照片。在組裝所需的多個基板進行最終燒結之前，可 能需要利用這些預燒結使得成型的玻璃料結構具有物理強度和粘著性。在圖 2A-E中從左到右，制造用來形成結構20的玻璃料時采用的篩網尺寸分別為20 微米、63微米、80微米、125微米和160微米。顯微照片中的白色區(qū)域是裂紋80。從圖中可以看出，當篩網尺寸為20微米、63微米和80微米的時候存在裂 紋，當篩網尺寸為125微米和160微米的時候不存在裂紋。在圖3中進一步總 結了這些結果，圖中顯示了累積體積百分量隨等效粒徑(微米，通過激光粒度 儀測量)的變化關系圖表示的PSD。曲線102， 104, 106, 108和110分別顯示了 篩分粒度低于20， 63， 80, 125和160微米的條件下得到的分布。
隨著在125微米篩分的玻璃料的粒度的增大，粘合劑的用量也可減小(在 相同的混合條件下，粘合劑從20重量％減小到17.6重量％,如果混合更加充分， 粘合劑含量可以減小到15.3重量％)，同時玻璃料和粘合劑的混合物保持相同 的粘度。
通過本發(fā)明的方法，可通過先干研磨然后篩分的方式非常簡單地制得完 全所需的PSD,而相比之下，在陶瓷工業(yè)中常用的方法是首先獨立制備一些單 分散的PSD,然后將其混合起來以改進與粘合劑混合的顆粒的初始致密性。而 本發(fā)明則恰恰相反，在篩分之后低于某粒度數(shù)值的全部多分散PSD都保留下來， 得到了能夠提供良好致密性的連續(xù)的PSD，通過干研磨本身產生了極小的顆粒。
盡管不希望被單獨的理論解釋所限制，但是本發(fā)明人按照這種方式理解本
發(fā)明的效果。
當三維成形的玻璃料結構(例如層44)在基板上燒結的時候，會造成在約 束條件下的燒結，所述約束即固定的基板幾何形狀的約束。在此方法中，所述 三維結構優(yōu)選用厚度為62的玻璃料殘余平坦層形成，使得在預燒結或者最終 燒結的早期，殘余層和基板30之間的界面受到約束，而層44的頂部更自由。 在高收縮的情況下，產生的應力很高，會導致裂紋。
通過在較大的尺寸篩分，為PSD添加更大的顆粒，同時保留干研磨產生 的極小的顆粒和連續(xù)分布，使得降低了對粘合劑的需求，因為被較大的顆粒代 替的較小的顆粒之間的空隙本身就被較大顆粒的材料代替了 。較少的粘合劑以 及隨之帶來的較小的總空隙體積使得在燒結的時候產生較少的收縮。
盡管人們將玻璃用于該試驗，但是也可類似地使用任何可能進行粘性燒結 過程的材料，例如玻璃-陶瓷以及一些可能的其它陶瓷材料。
所述玻璃料混合物可以如下所述制備?？梢杂们蚰λ璧牟ＡЩ虿Ａ?瓷進行研磨，然后使用所需的尺寸進行篩分(在該優(yōu)選的情況下，使用125微米的篩網)，將低于所需尺寸的所有部份都用于糊料(玻璃料和粘合劑混合物)的制 備。為了保護篩網免于被最大的顆粒影響，添加了更大的篩網。例如，在125 微米的篩網上面使用1毫米的篩網以進行保護。對球磨的尺寸、玻璃的初始量、 球磨施加的負荷，或者研磨時間或速度沒有限制，目的是得到所需的粒度分布。
研磨后得到的顆粒的長寬比通常約為1:2,意味著在篩分的過程中，如果 最大的顆粒的長度約等于篩網孔尺寸的兩倍，則能夠通過篩網。因此，63微米 篩網篩分的PSD中最大顆粒的最大尺寸約為126微米，而125微米篩網篩分的 PSD中約為250微米。這些值還等于通過激光粒度儀測得的PSD曲線上的最高 數(shù)值，在該測試中，顆粒在所有的尺度上進行表征。PSD曲線上最低的數(shù)值等 于檢測到的最細小的顆粒尺度，在本文所述的所有情況下，該最小尺度約為1. 3 微米。如果PSD是使用在溶劑中進行顆粒沉降的設備進行表征的，則僅會表征 顆粒的長度，因為顆粒是沿著對流動阻力最低的方向沉降的，PSD曲線不同于 激光粒度儀上得到的PSD曲線。必須根據(jù)用于PSD表征的設備小心地進行PSD 曲線解釋，當顆粒不是完全球形的時候特別要引起注意。
圖2和圖3表明對于80微米篩分的玻璃料(其中圖1的最小平行特征尺寸 60為1000微米)，幾乎不存在裂紋問題，但是一定程度上仍存在。假定顆粒的 長寬比為2:1，80微米篩分的玻璃料在最大尺寸方向上的最大粒度為160微米。 因此，希望最小平行特征尺寸約小于最大粒度的6.25倍，優(yōu)選約等于或小于 最大粒度的5倍。如圖2和3所示，如上文所討論，當125微米篩分的玻璃料 用于1000微米的最小平行特征尺寸時不會出現(xiàn)裂紋，當63微米篩分的玻璃料 用于500微米的最小平行特征尺寸時不會出現(xiàn)裂紋。因此非常需要最小平行特 征尺寸約等于或小于最大粒度的4倍。
還發(fā)現(xiàn)當垂直方向上的最小特征尺寸(尺度62或64)過大的時候，會出現(xiàn) 裂紋。具體來說，在可能的情況下，希望垂直方向的最小特征尺寸約等于或小 于最大粒度的2.5倍，優(yōu)選約等于或小于1.5倍。
如上所述，從63微米篩分出的PSD到125微米篩分出的PSD，可以觀察 到對于相同的混合步驟，在保持類似的糊料粘性的前提下，糊料中粘合劑的含 量從20重量％減小到17. 6重量％。通過延長混合時間來改進混合，粘合劑的 量可以減小到僅僅15.3重量％以保持類似的糊料粘性。粘合劑用量的減少正好能夠限制從模塑或成形的部件到燒結部件發(fā)生的整體收縮，可以用以下事實 來解釋即通過變?yōu)樵?25微米篩分的PSD，由于存在另外的較大的顆粒，使 得空隙減少。
因為用于該方法中的玻璃料(所得的裝置)發(fā)生粘性燒結，將大顆粒燒結成 結構不存在問題，可以包含常規(guī)的陶瓷粉末?？赡苄枰ㄟ^延長時間或提高溫 度來調節(jié)燒結歷程以提供充分完全的燒結。
如上所述，盡管使用的玻璃料的最大粒度的顆粒優(yōu)選是大顆粒，而且如上
所述，對于粘性燒結材料，燒結大顆粒是可行的，但是如果PSD中最大的顆粒
相對于形成的三維結構的最小特征尺寸來說過大，則在優(yōu)選用來形成圖案化的 結構的模塑過程中可能會損失分辨率，即損失小的或精細的特征。經驗上發(fā)現(xiàn)
優(yōu)選最小平行特征尺寸大于最大玻璃料粒度的2倍，更優(yōu)選至少約等于或大于
最大玻璃料粒度的三倍，以免出現(xiàn)分辨率的問題。
圖4是三維玻璃料結構在燒結之后的層44的透視顯微照片，顯示了當將 63微米篩分的玻璃料用于最小寬度約為1000微米的結構時在隆起的橢圓形結
構底部的裂紋。
圖5是三維玻璃料結構燒結之后的層44的透視顯微照片，圖中顯示在使 用125微米篩分的玻璃料的情況下，在與圖4類似的隆起的橢圓結構的底部不 存在裂紋。在預燒結過程中未形成裂紋。
圖6是類似圖l所示的裝置IO的裝置一部份的橫截面顯微照片，該裝 置被切段，然后進行蝕刻以顯示出燒結的圖案化玻璃料材料20內的顆粒邊 界。在不進行蝕刻的時候，觀察不到顆粒邊界，切段的結構外觀均一而平 整。在三維的燒結玻璃料結構20中限定出了通道70，這些結構隔開大約 1000微米的特性最小垂直距離60。從附圖可以看出，在結構20的最終燒 結之后，在通道70的角內的任何位置都沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。從蝕刻顯示出的顆 粒的尺寸還可以看出，約125微米的最大的顆粒非常稀少，它們的取向隨 機性足夠高，在所示的橫截面中，沒有125微米的顆粒沿長度方向取向。 沿最長的尺度觀察最大的顆粒通常需要綜合多個區(qū)段。
權利要求
1. 一種整體型結構，該結構由設置在兩個或更多個平面基板之間的玻璃或玻璃-陶瓷燒結的圖案化玻璃料熔合在一起的所述兩個或更多個平面基板組成，所述燒結的圖案化玻璃料的圖案在其中限定出通道，所述燒結的圖案化玻璃料在平行于所述基板的方向具有特性第一最小特征尺寸，其中，所述玻璃料的顆粒具有多分散粒度分布，該粒度分布最高具有沿最大長度方向的最大玻璃料粒度；所述燒結的圖案化玻璃料的第一最小特征尺寸大于所述最大玻璃料粒度的2倍，小于該最大粒度的6.25倍。
2. 如權利要求l所述的結構，其特征在于，所述燒結的圖案化玻璃 料的第一最小特征尺寸約為最大玻璃料粒度的3-5倍。
3. 如權利要求l所述的結構，其特征在于，所述燒結的圖案化玻璃 料的第一最小特征尺寸約為最大玻璃料粒度的3-4倍。
4. 如權利要求1-3中任一項所述的結構，其特征在于，所述燒結的 圖案化玻璃料在垂直于所述基板的方向具有特性第二最小特征尺寸，所述 燒結的圖案化玻璃料的第二最小特征尺寸約小于或等于所述最大玻璃料粒 度的2. 5倍。
5. 如權利要求1-3中任一項所述的結構，其特征在于，所述燒結的 圖案化玻璃料在垂直于所述基板的方向具有特性第二最小特征尺寸，所述 燒結的圖案化玻璃料的第二最小特征尺寸約小于或等于所述最大玻璃料粒 度的1.5倍。
6. 如權利要求1-5中任一項所述的結構，其特征在于，所述顆粒的 平均長寬比約為2:3至2:6。
7. 如權利要求1-5中任一項所述的結構，其特征在于，所述顆粒的 平均長寬比約為1:2。
8. 如權利要求1-7中任一項所述的結構，其特征在于，所述第一最 小特征尺寸約為100-2000微米。
9. 如權利要求1-7中任一項所述的結構，其特征在于，所述第一最 小特征尺寸約為500-1500微米。
10. 如權利要求1-9中任一項所述的結構，其特征在于，所述粒度分布是連續(xù)的。
11. 一種用來在基板上形成具有所需圖案的燒結的結構的方法，所述 方法包括提供易發(fā)生粘性燒結的多分散玻璃料材料，將其與足量的粘合劑混合， 使得形成玻璃料-粘合劑混合物；使得所述玻璃料-粘合劑混合物在基板上以所需的圖案成形，所述圖案 在平行于基板的方向具有第一最小特征尺寸；對成形的混合物進行燒結，形成燒結的結構；其特征在于，包括提供多分散玻璃料，所述玻璃料的最大粒度大于所 述第一最小特征尺寸的0. 16倍，且小于所述第一最小特征尺寸的0. 5倍。
12. 如權利要求ll所述的方法，其特征在于，提供多分散玻璃料的步 驟包括提供具有以下性質的多分散玻璃料其最大粒度約為所需圖案的第 一最小特征尺寸的0. 2-0. 3倍。
13. 如權利要求ll所述的方法，其特征在于，提供多分散玻璃料的步 驟包括提供具有以下性質的多分散玻璃料其最大粒度約為所需圖案的第一最小特征尺寸的0. 2-0. 25倍。
14. 如權利要求11-13中任一項所述的方法，其特征在于，提供多分 散玻璃料的步驟還包括提供具有以下性質的多分散玻璃料所述多分散玻 璃料包含平均長寬比約為2:3至2:6的顆粒。
15. 如權利要求11-13中任一項所述的方法，其特征在于，提供多分 散玻璃料的步驟還包括提供具有以下性質的多分散玻璃料所述多分散玻 璃料包含平均長寬比約為1:2的顆粒。
16. 如權利要求11-15中任一項所述的方法，其特征在于，提供多分 散玻璃料的步驟還包括提供多分散玻璃料，然后在尺寸為所述玻璃料最 大粒度一半的篩網中對所述玻璃料進行篩分。
17. 如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述提供多分散玻璃料 的步驟還包括在球磨機中對材料進行研磨，以形成所述玻璃料。
18. 如權利要求11-17中任一項所述的方法，其特征在于，所述提供 多分散玻璃料的步驟還包括提供具有連續(xù)粒度分布的玻璃料。
全文摘要
一種整體型結構(10)，由設置在兩個或更多個平坦基板(30，40)之間的玻璃或玻璃-陶瓷燒結的圖案化玻璃料(20)熔合在一起的所述兩個或更多個平坦基板(30，40)組成。所述燒結的圖案化玻璃料的圖案在其中限定出通道(70)，所述燒結的圖案化玻璃料(20)在平行于所述基板的方向具有特性最小特征尺寸(60)。所述玻璃料的顆粒在最大長度尺度上具有多分散尺寸分布，該多分散尺寸分布最高達到最大玻璃料粒度，燒結的圖案化玻璃料的最小特征尺寸(60)大于所述最大玻璃料粒度的兩倍，優(yōu)選約等于或大于三倍，且小于最大玻璃料粒度的6.25倍，優(yōu)選約等于或小于5倍，最優(yōu)選約等于或小于4倍。還揭示了一種用來制造所述結構(10)的方法。
文檔編號C03C27/06GK101443286SQ200780017489
公開日2009年5月27日 申請日期2007年5月14日 優(yōu)先權日2006年5月15日
發(fā)明者Y·內德萊克 申請人:康寧股份有限公司