微流控芯片注射成型及模內鍵合研究.pdf

1、隨著微流控芯片研究的不斷深入，對低成本、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業(yè)化和商業(yè)化的主要方向。目前，用于實驗室研究的單件、小批量芯片制備已經能夠實現(xiàn)，但如何實現(xiàn)聚合物微流控芯片高效、低成本制造才是該技術產業(yè)化所面臨的關鍵難題。本文提出一種聚合物微流控芯片的注射成型及模內鍵合技術，實現(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)值模擬和實驗研究的方式，研究了聚合物微流控芯片注

2、射成型及模內鍵合工藝與相關理論，提高了微流控芯片的成型質量，為微流控芯片的批量化生產提供一個新思路。
　　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裝配技術，提出一種微流控芯片注射成型及模內鍵合的制造工藝方案，對澆注系統(tǒng)、抽芯油缸及溫度控制系統(tǒng)的設計進行了對比分析。最終，實現(xiàn)聚合物微流控芯片的成型、對準和鍵合的有效集成。
　　在注射成型工藝中，首先針對微流控芯片宏觀翹曲變形進行了實驗研究，通過模流分析軟件對芯片

3、充填過程的壓力分布進行了分析，揭示了注射成型工藝參數(shù)對制件的翹曲的影響規(guī)律，對成型工藝參數(shù)進行了初步優(yōu)化。然后，利用單因素實驗法，研究注射成型工藝參數(shù)對橫向和縱向微觀微通道復制度的影響。適當?shù)卦黾幽＞邷囟取⑷垠w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，保壓時間3s時，所成型微流控芯片的翹曲量較小、微通道形貌一致性良好。
　　基于聚合物力學基礎理論，分析模內鍵合過程中微流控芯片微通道的變形機理。進行了PMMA材料的高溫力學性能實驗，獲得其相關力學性能參數(shù)，在玻璃轉化溫度附近時，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微流控芯片模內鍵合過程中微通道變形情況，與實驗結果進行對比分析，揭示了鍵合工藝參數(shù)對微通道變形的影響規(guī)律。研究結果表明，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與兩側壁發(fā)生粘合，對微通道變形影響很大，主要體現(xiàn)在上寬和高度方向上。
　　基于吸附理論和擴散理論分析了微流控芯片模內鍵合過程中鍵合強度的形成機理。利用分子動力學軟件對PMMA芯片模內鍵合過程進行模擬，同時進行了芯片模內鍵合實驗及強度測

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