1+1式微流控芯片注射成型流动平衡研究

摘要

微流控芯片涉及的应用领域极其广泛，常用于基因分析、新药物的合成与筛选、生物选矿及疾病诊断等方面，其凭借快速分析、低消耗、微型化和自动化等特点，被列为21世纪最为重要的前沿技术研究对象之一，受到越来越广泛的关注。本文旨在研究“1+1式”微流控芯片基片与盖片的成型对注射成型流动平衡的影响，从而提高聚合物微流控芯片注射成型制件的厚度均匀性。
　　 为探究注射成型所获得“1+1”式微流控芯片基片厚度不均的根本原因，本文进行微流控芯片注射成型短射实验，观测基片与盖片的流动前沿位置，并对基片与盖片进行称重，绘制成型制件充填量与充填时间之间的关系曲线，定量评价了“1+1”式微流控芯片成型过程中的流动不平衡。
　　 建立了微流控芯片几何模型，采用了模流分析软件MoldflowPlastics Insight的Fill模块对微流控芯片注射成型充填过程进行了数值仿真，对浇注系统尺寸及芯片尺寸分别进行了优化。研究结果表明:当盖片扇形浇口厚度为0.6mm，宽度为7mm，基片分流道高度降至1.5mm时，基片与盖片的充填时间只相差0.0031s，流动不平衡率为2.5％，满足微流控芯片注射成型的平衡性要求，所需锁模力减小，但会导致注射压力增大。在不改变浇注系统尺寸情况下，通过优化盖片厚度的方式，也能使微流控芯片注射成型达到平衡。当盖片厚度增至0.75mm时，基片与盖片的充填时间相差0.0060s，流动不平衡率为4.3％，同样满足流动平衡要求，所需锁模力及注射压力均下降，减少了模具涨模的风险。
　　 对比两种仿真结果，选取了优化芯片尺寸的仿真结果对模具进行优化，重新制造了盖片型腔镶块，并进行注射成型短射实验。实验结果表明，当盖片厚度为0.75mm时，基片与盖片的质量随充填时间均匀增加，基片与盖片的充填达到了流动平衡，所成型的基片厚度均匀一致，为后续的模内键合提供了实验基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 微流控芯片简介

1．1．2 微流控芯片的发展现状及趋势

1．2 注射成型流动平衡研究现状

1．2．1 注射成型流动行为的研究现状

1．2．2 注射成型流动平衡优化研究现状

1．3 课题的来源、意义及论文主要研究内容

1．3．1 课题来源及研究意义

1．3．2 论文的主要研究内容

第二章 微流控芯片注射成型流动模型

2．1 引言

2．2 薄壁注射成型充填流动的数学描述

2．2．1 粘性流体运动基本方程

2．2．2 熔体充填流动控制方程

2．2．3 黏度模型

2．3 微流控芯片注射成型流动分析

2．4 本章小结

第三章 微流控芯片注射成型充填实验

3．1 概述

3．2 注射成型充填实验

3．2．1 实验设备

3．2．2 实验原料

3．2．3 注射成型模具及流道设计

3．2．4 充填实验

3．3 实验结果分析及讨论

3．4 本章小结

第四章 微流控芯片注射成型流动平衡仿真研究

4．1 概述

4．2 微流控芯片及流道的模型构建

4．2．1 微流控芯片模型的建立

4．2．2 网格划分

4．2．3 流道的构建

4．3 成型工艺参数的选择

4．4 对浇注系统的优化

4．4．1 扇形浇口尺寸对流动平衡的影响

4．4．2 分流道尺寸对流动平衡的影响

4．4．3 仿真结果与分析

4．4 本章小结

第五章 微流控芯片结构优化及充填实验研究

5．1 概述

5．2 芯片尺寸优化

5．2．1 芯片尺寸对流动平衡的影响

5．2．2 仿真结果分析

5．3 芯片注射成型实验

5．3．1 充填实验

5．3．2 实验结果分析及讨论

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 全文总结

6．2 未来工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要研究成果