图1、新熔接工艺的原理

由德国弗劳恩霍夫材料和光束技术研究所开发的新技术，能直接、牢固的焊接陶瓷和聚合物。乍看起来，直接熔接两种截然不同熔点的物体似乎是很困难的。普通的热塑性聚合物熔点在250 ℃以下，热分解的话需要超过400 ℃的高温。相比之下，陶瓷的熔点却在1000 ℃以上。这两种材料大相径庭的受热及物理表现对这种熔接技术构成了挑战。 

这种新颖的熔接技术的基本理念（见图1），就是通过部分熔化聚合物，将其推入坚固的陶瓷材料表面中孔洞和凹凸不平的地方。熔接过程分为两个步骤：表面改性，通过激光辐射进行热连接。 

        在加工的{dy}步骤中，陶瓷物体的表面是有图案的，例如，通过激光烧蚀形成两个物体的密实的复合物。在接下来的热加工过程中，激光束在连接范围内熔化掉薄薄的一层聚合物表面。激光属从透明的聚合物部分穿过，被陶瓷部分吸收，促成对陶瓷表面进行有选择的熔化。熔接点之间的热传导使聚合物持续升温，能通过外部压力，使聚合物熔化的部分流入到陶瓷的表面结构（见图2）。等待温度降低，凝固之后，两个物体紧紧地融合在一起。完成这个熔接的关键两点：通过机械锚定使聚合物连接到陶瓷表面微结构中，以及接触物体之间的粘连。 

图2、连接机理（机械固定和黏合）的图解

        {zx1}的研究工作调查并优化了不同的加工参数对热熔接过程的影响，这些参数包括激光功率、加工速度、连接压力、连接区温度等。为了有效地监测和控制结合温度，在系统中安装了高温测量仪和激光功率。到目前为止，共运用了两种不同的激光光源：棒型Nd:和系统。相比较而言，比固态激光器拥有xxx率的光束质量。总体上来看，其他激光光源，比如也能适用。 

由于LTCC技术在微型和传感器系统的巨大潜力，研发部门着力研究这种类型的陶瓷。不同的聚合物材料都成功地经过检测和比较，比如PC、PMMA、SAN和PETG。熔接物体（在我们的案例中为陶瓷）的表面图形对熔接强度和耐用性有着重要的影响。通过运用不同的短脉冲激光光源，不同领域的表面图形被创造、连接和比较。长宽等结构尺寸对不同的几何图形都是不一样的，比如单陨石坑或直线槽。不同的结构和加工参数彼此影响，对接点属性也产生作用。原料处理和制备也会对最终表现产生影响。为了能达到{zj0}的熔接效果，对所有互相关联的参数进行复杂的优化和调整就显得至关重要。抗拉强度达到25 N/mm2的密封连接由此产生了。 

图3、单芯片实验系统配备LTCC为基础的多

电极传感器和聚合物微流腔。

        单芯片实验系统 

        基于这项全新的熔接技术，一些生物反应器和单芯片实验系统被制造出来，用于研究和测试。运用优化的连接技术，基于LTCC的陶瓷传感器与透明的聚合物相结合，比如平面窗或微流体元件。弗劳恩霍夫陶瓷技术和系统研究所协助开发了包含不同传感器和微流体系统部件的陶瓷元件。从图3中的单芯片实验系统中可以看到，综合微生物反应器内部的细胞生长在自定义的热度和生化条件下能被监测和控制。通过使用透明的聚合物窗口，该系统现在能通过光学显微镜监测到内部流程。另一种选择是利用分光光度法，例如荧光分析术，来分析反应器内部的生化变化。 

图4、基于LTCC的单芯片实验系统配有一个聚合物窗口。

        图4显示，一种集成的多电极阵列陶瓷聚合物流量传感器被用于测量细胞培养过程中发出的电子信号。陶瓷传感器通过新型的熔接技术被连接到一种聚合物微流体元件中。培养过程中，细胞可吸收聚合物流体传输的养分溶液和各种反应物。 

        在同时进行的另一项研发工作中，德国弗劳恩霍夫材料和光束技术研究所开发出了一种在活性气体环境下，脉冲激光可使聚合物表面图案化和功能化。这将影响特定表面上的细胞增生，从而在其连接到传感系统之前，令聚合物的生物功能化成为可能。 

        这种新型的熔接工艺应用前景和市场广阔，覆盖化学和生物分析等领域，比如制药公司中用到的筛检，化学设施中的环境分析，食品行业和医学技术中的分析等。 

        未来前景 

        德国弗劳恩霍夫材料和光束技术研究所正在进行的研究活动中，有一个目的就是改善连接点的抗拉强度。进一步优化表面图案化和表面预处理。将来的研究也将会把连接过程转移到其他物体的融合，比如其他聚合物或新的陶瓷，或将该项技术用到连接聚合物和半导体或金属。通过这种方式，该技术的应用范围便扩大到微系统技术和微电子领域。（作者：Volker Franke，Udo Klotzbach）