微流控芯片超声波键合能量引导微结构设计与工艺

论文摘要

当前,聚合物微流控芯片在各种不同的应用领域成功取得了越来越多的认同,例如分析化学、生物学、制药、化学合成系统等。除了功能的改善与提高,这一成功主要归功于微流控芯片制造成本的降低。在微流控芯片的制造过程中,键合是关键步骤之一。到目前为止,针对微流控芯片的键合,尝试了许多方法,如直接热键合、胶粘接、激光焊接键合、表面改性等。用超声波塑料焊接方法实现微流控芯片的键合,是新兴的键合方式。与常用的直接热键合相比,具有效率高、变形小、可实现选择封装等优点。为了实现聚合物微流控芯片的超声波键合,本文设计制作出同时带有能量引导微结构和微沟道的PMMA基片,成功实现了带有十字微沟道的PMMA微流控芯片的超声波键合。主要工作包括:1.能量引导微结构的设计首先通过对超声波塑料焊接的原理与焊接头设计原则的研究,设计出截面形状为等腰三角形、顶角为70.52°、底边宽150μm的能量引导微结构,与待键合微沟道位于同一基片上,确定用硅模具热压的方法制备PMMA基片,实现微结构的制作。2.硅模具的制作工艺通过套刻和二次各向异性腐蚀方法,制作出用于热压同时带有能量引导微结构和微沟道的PMMA基片的硅模具,外形尺寸为52mm×27mm×1mm。3.热压法制备PMMA基片借助Taguchi正交实验设计对热压参数进行优化,在热压温度1 40℃,压力1.65 MPa,保压时间300 s的参数条件下,制作出了具有较高复制精度的同时带有能量引导微结构和微沟道的PMMA基片,外形尺寸为50mm×25mm×2mm。4.超声键合实验借助商用Branson2000×f焊机对所设计的PMMA基片实现了超声键合,证明所设计结构可行、有效。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 微流控芯片的键合
• 1.1.1 微流控芯片的材料
• 1.1.2 聚合物微流控芯片的键合方式
• 1.2 聚合物超声波键合的研究现状
• 1.2.1 超声波键合能量引导结构的研究
• 1.2.2 超声波键合工艺参数的研究
• 1.3 本文的研究内容
• 2 超声波键合能量引导微结构的设计
• 2.1 超声波塑料焊接的原理与焊接接头设计
• 2.1.1 超声波塑料焊接原理
• 2.1.2 超声波焊接的接头设计原则
• 2.2 用于微流控芯片的超声波键合的能量引导微结构
• 2.2.1 能量引导微结构设计与制造工艺初探
• 2.2.2 应用于十字直沟道微流控芯片超声键合的能量引导微结构设计
• 2.3 本章小结
• 3 一体化硅模具的制造工艺
• 3.1 相关的MEMS技术介绍
• 3.1.1 光刻工艺
• 3.1.2 硅湿法腐蚀工艺
• 3.2 一体化硅模具的设计与制作
• 3.2.1 掩模版的设计
• 3.2.2 模具的制作工艺
• 3.2.3 问题分析与改进
• 3.3 本章小结
• 4 热压法制备带有能量引导微结构和微沟道的PMMA基片
• 4.1 聚合物微流控芯片热压工艺简述
• 4.2 热压工艺过程
• 4.2.1 热压所用材料
• 4.2.2 热压所用设备
• 4.2.3 热压所用的模具
• 4.2.4 热压过程
• 4.2.5 问题分析与改善
• 4.3 热压工艺参数的确定
• 4.3.1 Taguchi正交实验设计简介
• 4.3.2 正交实验确定设计参数
• 4.4 本章小结
• 5 能量引导微结构用于微流控芯片超声键合的实验验证
• 5.1 超声波键合的实验条件
• 5.1.1 超声波键合的设备
• 5.1.2 实验所用的试件
• 5.1.3 实验所用的夹具
• 5.2 超声波键合实验
• 5.2.1 实验参数与评价指标
• 5.2.2 超声波键合实验过程
• 5.2.3 实验结果与分析
• 5.3 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