聚合物微流控芯片辅助激光加工的重铸物研究

摘要

CO<,2>激光技术丰富了聚合物微流控芯片的制作方法，在芯片的微沟道、储液池加工中得到了一定程度的应用。CO<,2>激光加工聚合物PMMA时易产生重铸物现象，这是阻碍CO<,2>激光技术更广泛地应用于微流控芯片制作中的主要问题。本文从理论分析、仿真和实验验证三个方面研究了重铸物的形成机理，并针对主要影响因素提出针对性解决方案。 在实验现象的基础上分析了CO<,2>激光红外热作用下PMMA的变化机理。从传热学、材料物理状态变化两方面分析PMMA的三种状态变化，以及在此过程中材料内部形成的作用力。研究了在气体压力、热应力的作用下不同状态的材料发生的运动与变形，并最终形成重铸物的过程，并分析了重铸物对于芯片制作的影响。根据理论分析结果，采用ANSYS软件对CO<,2>激光作用下材料的运动与变形过程进行仿真。利用显微镜、CCD及图像处理软件等搭建了激光加工的在线显微拍摄装置，对重铸物的形成过程进行显微拍摄，直接验证了理论分析及仿真的结果。实验中的边缘气泡及后压气体等现象也对分析及仿真的结果进行了间接的验证。 从理论分析及实验两方面研究了热量对于重铸物形成的影响。分析了挤出PMMA存在的材料取向现象，以及对于重铸物形成的影响机理，并采用拍摄实验进行验证。结果表明，热影响区是决定重铸物形成的直接因素。从传热学出发，推导了热影响区与热量及材料性质的关系。根据热影响区的表达式，采用合理的工艺参数组合以及气体冷却两种方法减小热影响区，以达到抑制重铸物形成的目的，并搭建了激光加工的气体冷却系统。 提出了环切后处理工艺，并分析了工艺原理及关键的工艺参数。采用微流控芯片的标准检测流程验证了工艺的可行性。实验表明，采用合理的工艺参数组合、气体冷却及环切工艺相结合的方案，可以消除CO<,2>激光加工PMMA时形成的重铸物对于芯片制作的影响。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题研究的背景

1.2 CO2激光在微流控芯片制作中的应用现状

1.3 CO2激光加工PMMA中的重铸物问题研究现状

1.3.1重铸物问题研究现状

1.3.2重铸物对芯片制作的影响

1.4论文的主要研究内容

2 CO2激光作用下PMMA的变化机理分析

2.1 CO2激光加工的原理

2.2 PMMA在CO2激光作用下的变化机理

2.2.1 PMMA对CO2激光能量的吸收模型

2.2.2 CO2激光作用下的传热学问题

2.2.3 PMMA的物理状态变化分析

2.3本章小结

3材料运动与变形的仿真分析与实验验证

3.1材料运动与变形的仿真分析

3.1.1有限元模型建立

3.1.2载荷计算及仿真过程

3.1.3结果讨论

3.2材料运动与变形的拍摄实验验证

3.2.1实验方案及设备搭建

3.2.2拍摄结果分析

3.2.3其他实验现象验证

3.3本章小结

4重铸物形成的关键影响因素分析与实验探索

4.1热量对重铸物形成的影响

4.1.1热量的作用机理

4.1.2重铸物高度与热量的理论关系

4.1.3重铸物高度与热量的实验关系

4.2材料取向对重铸物形成的影响

4.2.1材料取向现象

4.2.2材料取向对重铸物形成的影响

4.2.3材料取向影响的实验验证

4.3热影响区的公式表达

4.4重铸物问题的初步解决方案

4.4.1合理的工艺参数组合

4.4.2气体冷却

4.5本章小结

5重铸物环切后处理工艺研究

5.1工艺原理及关键工艺参数

5.2工艺的可行性验证

5.3各种PMMA材料合理的p,d,n参数

5.4工艺的负面影响分析

5.4.1工艺对储液池的影响

5.4.2工艺复杂性

5.5本章小结

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢