聚合物微流控芯片脱模过程研究

摘要

PMMA微流控芯片微通道采用热压成形法制作。热压成形法是制作聚合物微流控芯片的重要方法之一，可将其分成热压充模、保压和冷却脱模三个阶段，其中冷却脱模过程中的模具和聚合物接触界面间的粘附会导致热压基片的微结构损坏，对制作质量产生重大影响。由于热压金属模具与PMMA的膨胀系数不同(下称热不匹配)，会导致降温脱模时芯片内部产生残余应力，造成芯片翘曲变形。本章研究热残余应力，并重点研究热压的过程参数：温度、时间、压力等对于芯片的残余应力的影响，以及在基片整体变形较小的情况下基片内部的应力变化趋势，并用有限元仿真进行了理论研究和仿真分析。 在热压成形实验方面的工作主要有： 通过PMMA聚合物热压实验，研究了热压过程参数：温度、时间、压力对热压成形后基片翘曲变形的影响，通过正交实验的方法分析确定了优化的过程参数，利用优化的实验参数重新安排热压实验，通过热压装置的数据采集系统收集到基片在热压过程中的变形随时间的变化，基于粘弹性理论来分析应力曲线得到脱模过程中得到基片的应变随时间的变化。 在理论和仿真方面的工作有： 由上述实验中得到的数据通过拟合等数据处理找到基片应变随时间的变化情况，并且依据聚合物热粘弹性理论中的积分型粘弹性模型求出基片在冷却过程中应力σ随时间的变化规律σ(t)。 利用板壳力学中薄板在小挠度下应力计算的原理研究了基片热压后的残余应力。 在有限元分析思想的指导下，建立微沟道的有限元模型，利用ANSYS软件进行芯片热变形和应力变化的仿真。 在计算脱模力方面，借鉴注塑加工中计算脱模力的模型：有底矩形塑件模型，结合热压脱模的具体情况，尝试用经典力学理论推导脱模力的计算公式，探讨减小脱模力的办法。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题研究的背景和意义

1.1.1聚合物芯片微通道的加工方法

1.1.2脱模过程及会产生的缺陷

1.1.3脱模研究的意义

1.2国内外研究现状

1.3本章的研究目标和主要研究内容

2热压脱模实验研究及应力

2.1热压成形过程

2.2实验材料和设备

2.2.1实验材料

2.2.2实验设备

2.3实验原理

2.3.1热压时芯片表面的状态

2.3.2脱模前冷却时的残余应力

2.3.3芯片的翘曲

2.4有关脱模的热粘弹性理论

2.4.1粘弹性材料简介

2.4.2蠕变和松弛

2.5脱模实验的过程

2.5.1正交实验

2.5.2芯片翘曲的评估

2.5.3芯片整体变形率的评估

2.5.4变形仿真

2.5.5拟合曲线

2.6本章小结

3环烃聚合物(COP)微流控芯片的制备及其与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微流控芯片的性能对比

3.1实验

3.2温度对COP的影响及复制率的研究

3.3 COP芯片的基本性质和生物兼容性研究

3.3.1背景荧光

3.3.2电泳实验

3.3.3DNA样品分离实验

3.3.4结果与讨论

3.4本章小结

4基于板壳理论研究热压脱模后基片的残余应力

4.1基片表面的挠度测量

4.2基片表面轮廓描述及方程表达式

4.3方程精度的讨论及修正

4.4微沟道附近残余应力的计算实例

4.5仿真

4.6本章小结

5脱模力计算的探讨

5.1有底的矩形塑件模型

5.2脱模力的计算

5.3脱模力计算实例

5.4本章小结

结论

展望

参考文献

附录A

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢