微流控芯片注射成型及模內(nèi)鍵合研究.pdf

1、隨著微流控芯片研究的不斷深入，對(duì)低成本、大批量、一次性使用芯片的需求日益迫切，聚合物微流控芯片已成為微型便攜分析儀器產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化的主要方向。目前，用于實(shí)驗(yàn)室研究的單件、小批量芯片制備已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)，但如何實(shí)現(xiàn)聚合物微流控芯片高效、低成本制造才是該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化所面臨的關(guān)鍵難題。本文提出一種聚合物微流控芯片的注射成型及模內(nèi)鍵合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了聚合物微流控芯片的注射成型和熱鍵合工藝的有效集成，并利用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究的方式，研究了聚合物微流控芯片注

2、射成型及模內(nèi)鍵合工藝與相關(guān)理論，提高了微流控芯片的成型質(zhì)量，為微流控芯片的批量化生產(chǎn)提供一個(gè)新思路。
　　分析傳統(tǒng)聚合物微流控芯片制造工藝，基于注射成型工藝中模內(nèi)裝配技術(shù)，提出一種微流控芯片注射成型及模內(nèi)鍵合的制造工藝方案，對(duì)澆注系統(tǒng)、抽芯油缸及溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了對(duì)比分析。最終，實(shí)現(xiàn)聚合物微流控芯片的成型、對(duì)準(zhǔn)和鍵合的有效集成。
　　在注射成型工藝中，首先針對(duì)微流控芯片宏觀翹曲變形進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，通過模流分析軟件對(duì)芯片

3、充填過程的壓力分布進(jìn)行了分析，揭示了注射成型工藝參數(shù)對(duì)制件的翹曲的影響規(guī)律，對(duì)成型工藝參數(shù)進(jìn)行了初步優(yōu)化。然后，利用單因素實(shí)驗(yàn)法，研究注射成型工藝參數(shù)對(duì)橫向和縱向微觀微通道復(fù)制度的影響。適當(dāng)?shù)卦黾幽＞邷囟?、熔體溫度可以減小不同位置微通道上寬的差距，使微通道形貌均勻一致;通過提高注射速度可有效降低微注射成型對(duì)高模具溫度和熔體溫度的要求。最后，優(yōu)化了成型工藝參數(shù)，當(dāng)模具溫度90℃、熔體溫度245℃、注射速度35cm3/s、保壓壓力140MP

4、a，保壓時(shí)間3s時(shí)，所成型微流控芯片的翹曲量較小、微通道形貌一致性良好。
　　基于聚合物力學(xué)基礎(chǔ)理論，分析模內(nèi)鍵合過程中微流控芯片微通道的變形機(jī)理。進(jìn)行了PMMA材料的高溫力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，獲得其相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)，在玻璃轉(zhuǎn)化溫度附近時(shí)，PMMA表現(xiàn)出明顯的粘彈性性能。利用有限元分析軟件仿真分析了PMMA微流控芯片模內(nèi)鍵合過程中微通道變形情況，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，揭示了鍵合工藝參數(shù)對(duì)微通道變形的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，采用廣義Max

5、well材料模型能較好的模擬聚合物微流控芯片鍵合過程中微通道的變形。隨著鍵合溫度、鍵合壓力和鍵合時(shí)間的提升，芯片的微通道變形增加;鍵合溫度和鍵合壓力是影響微通道變形的主要因素。在鍵合過程中微通道頂部會(huì)與兩側(cè)壁發(fā)生粘合，對(duì)微通道變形影響很大，主要體現(xiàn)在上寬和高度方向上。
　　基于吸附理論和擴(kuò)散理論分析了微流控芯片模內(nèi)鍵合過程中鍵合強(qiáng)度的形成機(jī)理。利用分子動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)PMMA芯片模內(nèi)鍵合過程進(jìn)行模擬，同時(shí)進(jìn)行了芯片模內(nèi)鍵合實(shí)驗(yàn)及強(qiáng)度測(cè)

6、試實(shí)驗(yàn)，對(duì)微流控芯片鍵合強(qiáng)度的形成機(jī)理進(jìn)行了驗(yàn)證，研究了鍵合環(huán)境對(duì)芯片鍵合強(qiáng)度形成的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，芯片鍵合強(qiáng)度的形成是界面分子擴(kuò)散和吸附共同作用的結(jié)果。適當(dāng)?shù)脑黾渔I合壓力，可以顯著的提升鍵合強(qiáng)度，并縮短鍵合時(shí)間。而鍵合溫度和鍵合時(shí)間的提升，增加鍵合界面間分子的相互擴(kuò)散，提高界面分子間的作用力，從而提高鍵合強(qiáng)度。
　　綜合考慮模內(nèi)鍵合過程中微通道變形及鍵合強(qiáng)度，論文選取鍵合溫度102℃，鍵合壓力1.8MPa和鍵合時(shí)間240