微器件的制作和微电铸均匀性的研究

摘要

微型化、集成化和便携化是科技发展的一种趋势，微机电系统（Micro ElectroMechanical System, MEMS）工艺是实现器件微型化、集成化和便携化的重要手段。在MEMS众多研究方向中，因生物MEMS应用潜力大、科技优势显著成为研究的热点之一。其中基于MEMS工艺的微针和微流控芯片是生物MEMS医学应用研究的典型器件。背面曝光技术和微电铸技术分别是制作微针和微流控芯片模具的关键技术，然而背面曝光制作微针的技术尚不成熟，电铸技术也存在着铸层厚度不均匀的问题，严重制约了微针和微流控芯片在生物医学方面的应用。本文使用模拟软件Matlab和COMSOL并结合实验研究，探究优化基于背面曝光工艺制作微针的成型方法和改善电沉积均匀性的可行性措施。本文的研究工作可以为MEMS生物医学的进一步发展积累经验。
　　本文基于标量角谱衍射理论，利用Matlab软件进行了圆孔衍射的模拟，确定了定值圆孔制作微针的最佳衍射光场范围。通过调整基底厚度、曝光剂量等参数，制作了高度从265μm到380μm，倾角从5.1°到15.6°，底端直径远大于掩膜版上对应圆孔直径的SU-8胶微针阵列。用微针侧壁倾角和顶部直径与掩膜版上圆孔直径的比值R评价微针的尖锐程度，分析并讨论了实验中遇到的问题。
　　利用电沉积理论和法拉第第一定律推导了电流密度分布与铸层厚度分布的关系。基于电流密度数值分布模型，采用COMSOL模拟软件，研究了辅助阴极对阴极电力线和电流密度分布的影响并对辅助阴极结构进行了优化，预测了铸层形貌。为验证仿真结果，采用控制变量法设计了比对实验，用电感测微仪测量了电铸后的铸层厚度，实验结果与仿真结果趋势相同，结果表明:微电铸模具的铸层厚度不均匀度由142.0％缩减至68.9％。
　　基于微电铸技术制作了厚度为200μm的镍金属模具。为实现微流控芯片模具的纳米结构定域加工，改善其表面性能，使用飞秒激光加工技术在镍模具表面加工了微纳米结构，实现了镍模具部分表面由亲水性向疏水性的转变。使用热压印技术实现了微纳米结构从镍模具到PMMA的精确复制和转移，使用水预处理键合技术提高了PMMA微流控芯片的键合率，最后使用CO2激光加工技术对键合后的芯片进行了外形轮廓的加工，制得了应用于病原微生物检测的微流控芯片。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 微针及透皮给药

1．3 微针制作工艺的国内外研究进展

1．3．1 硅微针

1．3．2 聚合物微针

1．3．3 金属微针

1．4 微流控芯片金属模具制作工艺的国内外研究现状

1．5 微电铸铸层均匀性的研究现状

1．6 课题来源及论文主要研究内容

1．6．1 课题来源

1．6．2 论文主要研究内容

2 基于背面曝光工艺的SU-8胶微针制作

2．1 引言

2．2 光的衍射

2．2．1 衍射问题概述

2．2．2 标量衍射的角谱理论

2．2．3 微针制作最佳衍射距离的仿真

2．3 微针制作

2．3．1 制作SU-8胶微针的工艺流程

2．3．2 实验结果与分析

2．4 本章小结

3 基于COMSOL的阴极表面电流密度分布仿真

3．1 微电铸仿真理论基础

3．2 阴极表面电流密度分布的仿真

3．2．1 物理模型的建立

3．2．2 划分网格

3．2．3 确定边界条件

3．2．4 仿真结果分析

3．3 本章小结

4 聚合物微流控芯片模具的制作

4．1 微流控芯片模具的制作

4．1．1 掩膜版的设计

4．1．2 基底的前处理

4．1．3 旋涂SU-8光刻胶

4．1．4 前烘

4．1．5 曝光

4．1．6 后烘

4．1．7 超声

4．1．8 显影

4．1．9 电铸

4．2 铸层厚度均匀性分析

4．3 微流控芯片模具的后处理

4．3．1 研磨抛光

4．3．2 去胶

4．3．3 飞秒激光加工

4．3．4 镍表面润湿性能测试

4．4 微流控芯片的制作

4．4．1 热压工艺

4．4．2 键合工艺

4．4．3 激光切割

4．5 本章小结

5 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 未来展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢