模内键合聚合物微流控芯片的微通道变形分析及工艺参数优化

摘要

如何实现微流控芯片低成本、快速制造是微流控芯片技术产业化的关键。以聚合物材料为基体，将键合技术集成于注射成型工艺中的微流控芯片模内键合工艺可以实现微流控芯片的快速制造和大批量生产。本文针对聚合物微流控芯片模内键合过程中微通道变形严重的问题进行仿真和实验研究，为优化模内键合工艺，提高芯片键合质量奠定基础。
　　 本文从聚合物力学基础理论着手，分析微流控芯片在键合过程中产生的变形机理，通过实验研究PMMA材料力学性能，并获得相关力学性能参数。结果表明，PMMA材料在玻璃态转化温度附近表现出明显的粘弹性能;采用广义Maxwell模型能表征聚合物材料的粘弹性能，为芯片微通道变形的有限元仿真提供依据。
　　 采用有限元软件Marc仿真研究微流控芯片微通道变形。结果表明，键合温度和键合压力为影响芯片微通道变形的主要因素，键合时间对芯片微通道变形的影响相对小。在键合过程中，芯片微通道顶部与两侧发生粘合，对微通道变形影响很大。芯片微通道高度和顶部宽度变形较大，底部宽度变形很小。粘弹变形对芯片微通道变形起主导作用，热变形对微通道变形影响很小。
　　 采用单因素法实验研究模内键合工艺参数对芯片微通道变形和键合强度的影响规律，并与仿真结果进行对比。结果表明，随着键合温度、键合压力和键合时间的增大，芯片微通道变形增加，芯片键合强度增大;芯片微通道顶部与两侧的粘合对微通道变形影响很大，与仿真结果一致。分析芯片模内键合实验过程中产生的缺陷，综合考虑各方面因素，择优选取模内键合工艺参数:102℃，1.8MPa和240s，并进行实验验证。优化后的芯片未存在未键合区域，微通道封闭性能优秀，键合强度达到了350KPa，微通道最大变形不超过10％，满足芯片的使用要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 微流控芯片技术发展概述

1．3 聚合物微流控芯片制造技术现状

1．3．1 聚合物微流控芯片的基本结构

1．3．2 聚合物微流控芯片微通道的成型技术

1．3．3 聚合物微流控芯片的键合工艺

1．4 课题来源和意义及主要研究内容

1．4．1 课题来源和意义

1．4．2 主要研究内容

第二章 聚合物微流控芯片变形机理及材料性能实验

2．1 概述

2．2 聚合物力学性能基础理论

2．2．1 温度相关性

2．2．2 时间相关性

2．3 聚合物微流控芯片模内键合过程中变形分析

2．3．1 模内键合加压过程芯片变形分析

2．3．2 模内键合保压过程芯片变形分析

2．3．3 模内键合卸压后芯片变形分析

2．4 聚合物PMMA高温压缩性能实验

2．4．1 PMMA高温压缩性能实验

2．4．2 实验数据处理与分析

2．5 验证材料模型

2．6 本章小结

第三章 聚合物微流控芯片微通道变形仿真研究

3．1 概述

3．2 聚合物微流控芯片微通道变形仿真

3．2．1 论文的研究对象

3．2．2 聚合物微流控芯片模内键合的基本流程

3．2．3 微通道变形几何模型建立及基本假设

3．2．4 选择工艺参数

3．2．5 聚合物微流控芯片材料属性

3．2．6 定义载荷工况

3．2．7 确定初始条件和边界条件

3．3 结果分析与讨论

3．3．1 模内键合芯片微通道变形过程分析

3．3．2 键合温度对芯片微通道变形的影响

3．3．3 键合压力对芯片微通道变形的影响

3．3．4 键合时间对芯片微通道变形的影响

3．4 本章小结

第四章 聚合物微流控芯片模内键合实验研究

4．1 概述

4．2 聚合物微流控芯片模内键合实验

4．2．1 实验模具以及模芯

4．2．2 模内键合实验设备及实验材料

4．2．3 模内键合单因素实验设计及实验步骤

4．3 模内键合实验结果分析与工艺参数优化

4．3．1 键合工艺参数对芯片微通道变形影响分析

4．3．2 键合工艺参数对芯片键合强度影响分析

4．3．3 优化模内键合工艺参数

4．4 本章小结

第五章 全文总结与展望

5．1 全文总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要研究成果