注塑成型PMMA微流控芯片热压键合研究

论文摘要

聚合物微流控芯片近年来在生命科学、医学、食品和环境卫生检测等领域得到了广泛应用。PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)材料以其易成型和生物兼容性成为聚合物微流控芯片理想制备材料之一。PMMA微流控芯片的制作包括盖片和基片的成型以及盖片和基片键合形成具有封闭微通道的芯片。与常规热压成型方法相比,应用微注塑成型技术成型PMMA微流控芯片可显著提高芯片的生产效率,但注塑成型微流控芯片是在宏观基体上成型微结构尺寸,因此受到微尺度效应、注塑工艺参数等影响,使得注塑成型的芯片基体上可能存在飞边、气泡、厚度分布不均,芯片微结构复制精度不高等缺陷。芯片厚度分布不均影响芯片的键合质量(微通道质量、有效键合面积、键合强度)。本文针对注塑成型PMMA微流控芯片,分析芯片厚度分布不均对其热压键合质量的影响,提出了一种将芯片水预处理后热压键合以提高芯片热压键合率(芯片有效键合面积占总面积的百分比)的方法,并讨论了该处理方法的作用机理。首先,对不同注塑工艺参数下,注塑成型的芯片盖片和基片的厚度分布情况进行分组测量。通过有限元仿真,分析在一定热压键合工艺参数下,注塑成型芯片厚度分布不均对芯片键合率及微通道质量的影响。其次,对不同注塑工艺参数下注塑成型的芯片盖片和基片进行热压键合实验,与有限元仿真结果相结合,提出了可满足芯片热压键合质量要求的芯片盖片与基片的厚度分布,所得结论可以用于指导注塑成型PMMA微流控芯片工艺参数的选择及模具设计等。最后,提出了一种将芯片水预处理后热压键合的方法,研究水预处理时间对芯片有效键合面积的影响。实验结果表明：与常规的热压键合方法相比,该方法可有效增加芯片键合有效面积,在最佳水预处理时间下,芯片键合率明显提高。且该方法简便、高效、成本低、不改变微流体系统性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 聚合物微流控芯片的制作方法
• 1.1.1 聚合物微流控芯片的成型方法
• 1.1.2 聚合物微流控芯片的键合方法
• 1.2 聚合物微流控芯片热压键合理论及仿真研究
• 1.3 提高聚合物微流控芯片键合质量的方法
• 1.4 本文研究内容
• 2 注塑成型PMMA微流控芯片键合的仿真研究
• 2.1 注塑成型PMMA微流控芯片键合率仿真研究
• 2.1.1 有限元理论分析与建模
• 2.1.2 几何模型和边界条件
• 2.1.3 网格划分、载荷条件及计算
• 2.1.4 芯片键合率的仿真结果及分析
• 2.2 微流控芯片键合微通道变形的仿真研究
• 2.2.1 几何模型和边界条件
• 2.2.2 网格划分、载荷条件及计算
• 2.2.3 芯片微通道变形的仿真结果及分析
• 2.3 本章小结
• 3 注塑成型PMMA微流控芯片键合的实验研究
• 3.1 微流控芯片热压键合实验
• 3.1.1 注塑成型PMMA微流控芯片盖片和基片
• 3.1.2 激光切割芯片盖片和基片
• 3.1.3 芯片盖片与基片厚度数据
• 3.1.4 超声清洗芯片盖片和基片
• 3.1.5 PMMA微流控芯片的热压键合
• 3.2 芯片热压键合实验结果及分析
• 3.2.1 芯片热压键合实验结果
• 3.2.2 芯片厚度分布与芯片键合质量分析
• 3.3 芯片热压键合实验与仿真结果对比分析
• 3.3.1 芯片键合率实验与仿真结果对比分析
• 3.3.2 芯片微通道变形实验与仿真结果的对比分析
• 3.4 本章小结
• 4 一种提高PMMA微流控芯片热压键合率的水预处理方法
• 4.1 PMMA微流控芯片水预处理及热压键合实验
• 4.1.1 PMMA微流控芯片的样片准备
• 4.1.2 芯片水预处理及热压键合实验
• 4.2 实验结果
• 4.2.1 芯片的有效键合面积
• 4.2.2 芯片的热压键合率
• 4.3 水预处理方法提高芯片键合率机理
• 4.3.1 PMMA材料弹性模量
• 4.3.2 PMMA材料玻璃态转化温度
• 4.3.3 PMMA分子结构
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢