醫(yī)用微流道模具掩膜電解加工數(shù)值模擬及工藝研究.pdf

1、微流控芯片因具有高效篩選、自動(dòng)化程度高、易于使用、可平行分析、反應(yīng)時(shí)間短和低樣品或試劑消耗等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等被廣泛應(yīng)用，因此加工出符合要求的微流道模具能提高芯片的加工效率、降低加工成本。掩膜電解加工技術(shù)是光刻工藝和電化學(xué)蝕刻工藝的組合，加工過(guò)程無(wú)電極損耗，非接觸、無(wú)外力，無(wú)熱影響，適用于難加工金屬材料及復(fù)雜圖案模具的成型等。
　　本文以寬度500±10μm、深度200±10μm醫(yī)用微流道模具掩膜電解加工為研究對(duì)象，考慮了流場(chǎng)、陰

2、陽(yáng)極產(chǎn)物、溫度場(chǎng)和電場(chǎng)的相互關(guān)系建立了有限元模型，對(duì)微流道掩膜電解加工過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬并展開了系列試驗(yàn)研究。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下：
　?。?）多物理場(chǎng)有限元模型建立。以微流道模具掩膜電解加工(ECMTM)為對(duì)象，考慮流場(chǎng)通過(guò)中間物理量（氫氣氣泡率、鐵離子濃度和溫度）對(duì)電場(chǎng)的影響，應(yīng)用Comsol數(shù)值計(jì)算軟件，建立了多物理場(chǎng)耦合有限元模型。
　?。?）根據(jù)建立的有限元模型，分析了陰陽(yáng)極間隙電解液中流速、電解產(chǎn)物、溫度和電場(chǎng)

3、的分布情況，探討了電解液入口速度對(duì)氣泡率、鐵離子濃度和溫度的影響，及其通過(guò)上述三者進(jìn)一步對(duì)電導(dǎo)率的影響。微流道直線段較兩端圓弧段流速分布均勻；電解產(chǎn)物濃度和溫度從入口處到出口處呈遞增趨勢(shì)，受流速分布影響，微流道段分布不均勻；隨著電解液入口速度增大，電解液電導(dǎo)率穩(wěn)定性好，微流道尺寸分布越均勻；電場(chǎng)影響著微流道溝槽的成型形狀和速度。在自行設(shè)計(jì)的裝置平臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果溝槽形狀吻合較好，深度方向最大誤差為10.07μm，百分

4、比誤差為5.03%。
　?。?）微流道陽(yáng)極掩膜的工藝試驗(yàn)研究。根據(jù)模擬結(jié)果確定了電流密度、加工間隙、電解液濃度和加工時(shí)間的范圍，試驗(yàn)研究了304不銹鋼微流道溝槽的幾何形貌及雜散腐蝕程度的影響因素。結(jié)果表明：溝槽的雜散腐蝕程度主要與電流密度有關(guān)，電流密度為9A/cm2時(shí)，雜散腐蝕程度最小，側(cè)向腐蝕系數(shù)EF為3.77；組合各參數(shù)，電解加工出平均尺寸為498.48μm，208.92μm的304不銹鋼微流道溝槽，深度方向加工速度83.57

5、μm/min，側(cè)壁垂直且表面平整，將模具寬度和深度控制在500±10μm、200±10μm之間；參考該較優(yōu)參數(shù)組合，調(diào)整了時(shí)間參數(shù)，在 HPM75模具鋼上加工得到平均尺寸為513.74μm，200.53μm的微流道溝槽，基本滿足技術(shù)要求。
　　本文以微流道模具掩膜電解加工為研究對(duì)象，數(shù)值模擬研究了流場(chǎng)參數(shù)對(duì)成形均勻性的影響，試驗(yàn)控制了微流道溝槽的幾何形貌和雜散腐蝕程度，為大去除量復(fù)雜圖案模具的掩膜電解加工成形提供了理論與試驗(yàn)依據(jù)。