用于微流控分析芯片的PMMA高聚物热雕刻技术研究

摘要

微流控分析芯片是一种多功能的微全分析系统（μ-TAS,micro total analysis system）。它利用微机电系统（MEMS，Micro-Electro-Mechanical System）技术将进样、混合、分离和检测等实验手段与功能集成在一块尺寸为数平方厘米的芯片上。目前，微流控分析芯片技术已经从实验室走向实用化应用，在生物、医学和环保等领域发挥着重要作用。μ-TAS技术的普及应用离不开微制造工艺技术的发展，以便于在常规实验条件下就可以完成芯片的制造与封接。本文首先阐述了高聚物微流道加工、封接技术以及微流道制作技术建模研究的国内外研究状况。针对现有芯片制作工艺，提出了基于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA,polymethyl methacrylate）材料的微流道热雕刻制作技术和改进的微波热键合技术。其次，本文采用传热学和流变学理论对基于PMMA材料的微流道热雕刻过程进行了理论分析和建模研究，并在不同工艺参数下进行了实验研究。最后，本研究采用热雕刻技术和改进的微波加热键合技术制作了基于安培检测的微流控分析芯片，通过搭建的测试系统对芯片的性能进行了测试。本文主要完成的研究工作如下。
　　对于热雕刻过程涉及的传热学与流变学过程进行了理论分析。通过分析PMMA材料在不同相态下的定压比热容、比体积和导热率等参数的变化，为建模研究热雕刻过程中PMMA粘性流流动特性提供了理论依据。结合流变学原理，分析了在热雕刻过程中玻璃态、高弹态和粘流态PMMA材料的流变特性。通过对于非粘流态PMMA材料的弹性特性和断裂机理的分析，确定了工艺温度参数应大于PMMA材料的粘流转变温度。通过对于粘流态PMMA材料的流动机理的分析，为建立基于PMMA材料的微流道热雕刻过程模型奠定了理论基础。
　　结合有限元方法建立了基于PMMA材料的微流道热雕刻模型。通过建立传热模型，分析了微尺寸刀头在不同温度参数下的温度梯度变化。借助于该仿真结果，对刀头与PMMA粘性流的传热过程进行了建模仿真。通过建模仿真，研究了不同工艺参数对PMMA粘性流流场分布与粘性流体压力的影响。最终，模拟结果给出了温度、速度等工艺参数与热雕刻过程中的不可压缩非牛顿粘性流的温度分布、粘性流流场和粘性流体压力分布的关系。仿真数据表明，在速度参数恒定时，当刀头温度处于89℃-96℃区间时，刀头迎面周围的粘性流受到的压力随温度会出现趋势性变化。当刀头运动速度增加时，粘性流受到的压力随速度呈非线性增加。
　　通过系统总体设计、控制模块搭建以及关键组件制作，建立了基于PMMA材料的微流道热雕刻实验平台。利用该实验平台，研究了不同工艺参数对微流道质量的影响。结果表明，在热雕刻速度为4.2mm/s，刀头温度为91℃时可以获得平均表面粗糙度为0.33μm的微流道。通过对微流道进行平均表面粗糙度、润湿性与电渗特性等测试，证实了热雕刻技术用于微流道制作的可行性。
　　采用高聚物微流道热雕刻技术制作了基于安培检测的微流控分析芯片，并采用无水乙醇微波辅助热键合方法实现了微流控芯片的封接。该方法能够提供1215N/cm2的键合强度，同时键合形变量小于4％。采用搭建的安培检测系统实现了多羟基化合物的分离与检测。测试结果表明，制作的微流控分析芯片能够在1000V直流高压下，在185s内对含有蔗糖、麦芽糖和木糖三种组分的样品溶液完成分离检测。
　　综上，本文通过对微流道热雕刻过程的理论分析、建模仿真和实验研究，实现了一种低成本、高效率、高精度的微流控分析芯片制作方法，为μ-TAS的普及提供了技术积累。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 高聚物微流控芯片制作技术研究现状

1.3 研究概况总结与存在问题

1.4 研究的目的和意义

1.5 论文的主要研究内容

第2章 PMMA材料的热雕刻机理研究

2.1 引言

2.2 PMMA材料热雕刻的流变分析

2.3 PMMA材料热雕刻的流变机理

2.4 本章小结

第3章 PMMA材料的热雕刻建模与仿真分析

3.1 引言

3.2边界条件与控制方程

3.3热雕刻模型的建立

3.4热雕刻模型仿真结果分析

3.5本章小结

第4章 微流道热雕刻制作的实验研究

4.1 引言

4.2 热雕刻系统的研究与实现

4.3 微流道的热雕刻实验

4.4 实验结果分析

4.5 微流道的表征

4.6 本章小结

第5章 微流控芯片的实现与检测

5.1 引言

5.2 芯片的设计与制作

5.3 芯片键合与检测系统搭建

5.4 安培检测系统的测试

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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