基于PMMA的微流控芯片键合技术研究

摘要

近几年聚合物的微流控芯片已逐步应用到临床诊断、核酸分析、蛋白质分析、细胞筛选、以及环境监测等众多领域，具有广泛的发展前景。聚合物因具有价格低、易成型、适于批量化生产等优势，已逐步成为微流控领域的首选材料。对于聚合物材料而言，微流控芯片的制备大体上可以分为微结构的成型技术以及后续的键合技术。其中适用于微流控芯片中小批量化制备的微细铣削与热压成型法已得到了应用,可用于芯片大批量化制备的微注塑也已开始得到研究。相比之下,聚合物的微流控芯片的键合技术还不够成熟，制备质量，制备效率等方面还需很大的改善,已成为制约微流控芯片获得大量应用的主要瓶颈问题。本文针对微细铣削成型的聚合物微流控芯片，采用试验研究与数值模拟相结合的手段，对芯片的热键合工艺展开了系统的研究，其中以仿真为辅提出采用不等温方式来进行键合以减小微结构的变形，从而实现键合工艺的最终优化，最后提出了一种以溶剂辅助的方式来提高热压键合效率的方法,并对其作用机理进行了详细的讨论。
　　首先以聚合物材料 PMMA作为主要的研究对象，对微流控芯片热键合的方法展开了系统的研究，分别研究了键合所用温度、压力以及时间等因素对键合后的微结构截面形状、尺寸、盖片的微凸起的影响，对工艺变化的趋势和规律进行了分析，以期掌握在热键合中微结构的变形规律。
　　然后基于扩散理论与吸附理论，对键合中温度，时间以及压力三因素与微结构变形以及键合平均强度这两个指标的相互影响关系进行了研究。最终确定出用于芯片键合的工艺参变量，并以此为基础，对基片与盖片进行最终的键合试验，对键合平均强度、密封性能、微结构横截面进行测定。
　　接着基于上两章的研究，利用仿真软件COMSOL通过数值模拟的方式来进一步探究基于聚合物芯片在热键合的过程中的相关机理，研究基片与盖片在键合中的温度场分布以及材料的流动情况，提出非等温的键合方式，并在后续通过仿真与试验结合的手段进行了验证，从而进一步优化相关工艺，提高键合质量。
　　最后对基于氧等离子体表面处理的溶剂辅助低温热键合方法进行了研究，试验中首先研究了接触角大小与强体压力、射频时间、射频功率的关系，然后研究了纯乙醇对PMMA基片的微结构形貌与表面质量的影响，接着在不同的键合压力下进行了键合试验，得出最佳工艺参数，最后进行了相关键合机理的分析讨论。

目录

第一章 绪论

1.1微流控芯片研究概述

1.2微流控芯片的制备技术

1.3本文课题来源及主要研究内容

第二章 聚合物微流控芯片热键合微结构变形研究

2.1引言

2.2聚合物微流控芯片热键合的试验研究

2.3本章小结

第三章 聚合物微流控芯片键合平均强度研究

3.1引言

3.2聚合物微流控芯片键合强度形成机理

3.3测试设备、夹具、测试前的准备

3.4键合平均强度的实验研究

3.5芯片键合质量评估

3.6本章小结

第四章 聚合物微流控芯片热键合的仿真研究

4.1引言

4.2仿真模型的建立

4.3温度分布分析

4.4基片及盖片材料的流动分析

4.5热、压力耦合作用分析及验证

4.6本章小结

第五章 溶剂辅助低温热键合

5.1引言

5.2聚合物的氧等离子体表面改性研究

5.3 PMMA基片与溶剂（纯乙醇）的相溶性研究

5.4溶剂辅助低温热键合实验

5.5溶剂辅助低温热键合方法提高芯片键合效率的机理

5.6本章小结

全文总结

参考文献

攻读学位期间学术成果

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