用于微流控分析芯片的PMMA高聚物熱雕刻技術(shù)研究.pdf

1、微流控分析芯片是一種多功能的微全分析系統(tǒng)（μ-TAS,micro total analysis system）。它利用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS，Micro-Electro-Mechanical System）技術(shù)將進(jìn)樣、混合、分離和檢測(cè)等實(shí)驗(yàn)手段與功能集成在一塊尺寸為數(shù)平方厘米的芯片上。目前，微流控分析芯片技術(shù)已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱没瘧?yīng)用，在生物、醫(yī)學(xué)和環(huán)保等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。μ-TAS技術(shù)的普及應(yīng)用離不開(kāi)微制造工藝技術(shù)的發(fā)展，以便于在常規(guī)

2、實(shí)驗(yàn)條件下就可以完成芯片的制造與封接。本文首先闡述了高聚物微流道加工、封接技術(shù)以及微流道制作技術(shù)建模研究的國(guó)內(nèi)外研究狀況。針對(duì)現(xiàn)有芯片制作工藝，提出了基于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA,polymethyl methacrylate）材料的微流道熱雕刻制作技術(shù)和改進(jìn)的微波熱鍵合技術(shù)。其次，本文采用傳熱學(xué)和流變學(xué)理論對(duì)基于PMMA材料的微流道熱雕刻過(guò)程進(jìn)行了理論分析和建模研究，并在不同工藝參數(shù)下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。最后，本研究采用熱雕刻技術(shù)和改進(jìn)

3、的微波加熱鍵合技術(shù)制作了基于安培檢測(cè)的微流控分析芯片，通過(guò)搭建的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)芯片的性能進(jìn)行了測(cè)試。本文主要完成的研究工作如下。
　　對(duì)于熱雕刻過(guò)程涉及的傳熱學(xué)與流變學(xué)過(guò)程進(jìn)行了理論分析。通過(guò)分析PMMA材料在不同相態(tài)下的定壓比熱容、比體積和導(dǎo)熱率等參數(shù)的變化，為建模研究熱雕刻過(guò)程中PMMA粘性流流動(dòng)特性提供了理論依據(jù)。結(jié)合流變學(xué)原理，分析了在熱雕刻過(guò)程中玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)PMMA材料的流變特性。通過(guò)對(duì)于非粘流態(tài)PMMA材料的彈性

4、特性和斷裂機(jī)理的分析，確定了工藝溫度參數(shù)應(yīng)大于PMMA材料的粘流轉(zhuǎn)變溫度。通過(guò)對(duì)于粘流態(tài)PMMA材料的流動(dòng)機(jī)理的分析，為建立基于PMMA材料的微流道熱雕刻過(guò)程模型奠定了理論基礎(chǔ)。
　　結(jié)合有限元方法建立了基于PMMA材料的微流道熱雕刻模型。通過(guò)建立傳熱模型，分析了微尺寸刀頭在不同溫度參數(shù)下的溫度梯度變化。借助于該仿真結(jié)果，對(duì)刀頭與PMMA粘性流的傳熱過(guò)程進(jìn)行了建模仿真。通過(guò)建模仿真，研究了不同工藝參數(shù)對(duì)PMMA粘性流流場(chǎng)分布與粘性

5、流體壓力的影響。最終，模擬結(jié)果給出了溫度、速度等工藝參數(shù)與熱雕刻過(guò)程中的不可壓縮非牛頓粘性流的溫度分布、粘性流流場(chǎng)和粘性流體壓力分布的關(guān)系。仿真數(shù)據(jù)表明，在速度參數(shù)恒定時(shí)，當(dāng)?shù)额^溫度處于89℃-96℃區(qū)間時(shí)，刀頭迎面周?chē)恼承粤魇艿降膲毫﹄S溫度會(huì)出現(xiàn)趨勢(shì)性變化。當(dāng)?shù)额^運(yùn)動(dòng)速度增加時(shí)，粘性流受到的壓力隨速度呈非線性增加。
　　通過(guò)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、控制模塊搭建以及關(guān)鍵組件制作，建立了基于PMMA材料的微流道熱雕刻實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。利用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

6、，研究了不同工藝參數(shù)對(duì)微流道質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，在熱雕刻速度為4.2mm/s，刀頭溫度為91℃時(shí)可以獲得平均表面粗糙度為0.33μm的微流道。通過(guò)對(duì)微流道進(jìn)行平均表面粗糙度、潤(rùn)濕性與電滲特性等測(cè)試，證實(shí)了熱雕刻技術(shù)用于微流道制作的可行性。
　　采用高聚物微流道熱雕刻技術(shù)制作了基于安培檢測(cè)的微流控分析芯片，并采用無(wú)水乙醇微波輔助熱鍵合方法實(shí)現(xiàn)了微流控芯片的封接。該方法能夠提供1215N/cm2的鍵合強(qiáng)度，同時(shí)鍵合形變量小于4％。采