ITO玻璃电化学微流控芯片制作及低温键合工艺研究

ITO玻璃电化学微流控芯片制作及低温键合工艺研究

论文摘要

微流控芯片广泛应用于生物、化学、医学、药物、食品、农业等领域,是微全分析系统的发展重点和研究热点。玻璃因具有优异的电渗、光学和表面性质,微通道热变形小且通道表面易于修饰,其刻蚀加工技术和表面改性的化学方法均比较成熟,传统毛细管电泳中各种成熟的分离方法可直接应用到玻璃芯片的制作中,是制造微流控芯片的主流材料之一。传统的玻璃微流控芯片成本高、制作周期长、生产效率低以及所需设备复杂、昂贵,制约其发展和使用。本文主要研究了一种集成微电极的玻璃微流控芯片的制造工艺及其低温键合工艺,主要内容包括:ITO(Indium Tin Oxide,氧化铟锡)电极的制作:在现有光刻工艺基础上,确定了可在本实验室实现的ITO微电极制造工艺。玻璃微流控芯片上微沟道的制作:玻璃微流控芯片上微沟道的制作工艺已经相当成熟,本文简单研究了不同溶液以及搅拌速率对微沟道粗糙度的影响,结果表明不同溶液和搅拌速率对微沟道的粗糙度有较大影响。PE(Polyethylene,聚乙烯)膜热压键合工艺:设计了PE膜热压键合工艺,进行了PE膜热压键合玻璃微流控芯片实验,对键合后的玻璃微流控芯片进行了键合强度测试和芯片性能检测。通过正交试验分析了键合过程中键合温度、压力和时间对键合后微沟道堵塞的影响。进行PE膜的恒温蠕变实验,利用力学模型拟合蠕变实验数据,从而得到材料的松弛模量;采用Marc有限元分析软件对沟道的堵塞进行有限元仿真,仿真结果与键合实验较为吻合,说明有限元仿真可以用来指导键合试验;进行了微沟道宽度对沟道堵塞的有限元分析,发现堵塞随微沟道宽度的增加而加剧。EN(EVA Interlayer)膜真空热键合工艺:设计了EN膜真空热键合工艺进行了EN膜真空热键合玻璃和PMMA(Polymethyl Methacrylate,聚甲基丙烯酸甲酯)微流控芯片实验,对键合后的微流控芯片进行了键合强度测试和芯片性能检测。通过正交试验分析了EN膜键合PMMA微流控芯片时键合温度、压力和时间对键合堵塞的影响。进行EN膜流变实验,获得EN膜键合温度下的粘度;建立EN膜材料的Maxwell模型,对沟道堵塞进行有限元仿真和验证,结果表明有限元仿真较好地符合了实验;进行了微沟道宽度和倒角对堵塞影响的有限元分析,并且预测了玻璃微流控芯片EN膜真空热键合的沟道堵塞情况。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 目录
  • 1 绪论
  • 1.1 玻璃微流控芯片
  • 1.1.1 玻璃微流控芯片概况
  • 1.1.2 玻璃微流控芯片的材料
  • 1.1.3 玻璃微流控芯片的制作方法
  • 1.2 国内外研究现状
  • 1.2.1 玻璃微流控芯片上电极的集成
  • 1.2.2 玻璃微流控芯片微沟道的制作
  • 1.2.3 玻璃微流控芯片的低温键合技术
  • 1.3 本论文的研究内容
  • 2 电化学芯片的制作
  • 2.1 微沟道的制作
  • 2.1.1 微沟道制作工艺
  • 2.1.2 腐蚀溶液对微沟道表面质量的影响
  • 2.1.3 搅拌速率对微沟道表面质量的影响
  • 2.2 ITO微电极的制作
  • 2.2.1 光刻法制作ITO微电极
  • 2.2.2 腐蚀时间对电极的影响
  • 2.3 PE膜热压键合
  • 2.3.1 键合工艺
  • 2.3.2 键合参数对键合堵塞程度的影响
  • 2.3.3 芯片键合强度测试
  • 2.3.4 芯片性能检测
  • 2.3.5 实验中出现的问题及解决办法
  • 2.4 本章小结
  • 3 EN膜真空热键合
  • 3.1 玻璃-EN-玻璃真空热键合
  • 3.1.1 键合工艺
  • 3.1.2 芯片键合强度的测试
  • 3.1.3 芯片性能检测
  • 3.2 PMMA-EN-PMMA真空热键合
  • 3.2.1 键合工艺
  • 3.2.2 芯片键合强度的测试
  • 3.2.3 芯片性能测试
  • 3.3 键合参数对沟道堵塞程度的影响
  • 3.4 实验中发现的问题及解决方法
  • 3.5 本章小结
  • 4 PE膜热压键合的有限元仿真
  • 4.1 聚合物的力学性能
  • 4.1.1 时间依赖性
  • 4.1.2 温度依赖性
  • 4.1.3 聚合物材料的粘弹性模型
  • 4.2 材料力学性能的测试及数据处理
  • 4.2.1 压缩蠕变实验
  • 4.2.2 实验数据的处理
  • 4.2.3 由蠕变柔量求松弛模量
  • 4.3 模型的Marc仿真验证
  • 4.3.1 模型的建立
  • 4.3.2 仿真验证
  • 4.4 有限元分析
  • 4.5 本章小结
  • 5 EN膜键合的有限元仿真
  • 5.1 聚合物的流变性能
  • 5.1.1 高聚物熔体的非牛顿性
  • 5.1.2 剪切粘度的影响因素
  • 5.2 材料模型的建立
  • 5.2.1 熔体指数实验
  • 5.2.2 实验数据处理
  • 5.3 模型的Marc仿真验证
  • 5.3.1 模型的建立
  • 5.3.2 实验验证
  • 5.4 有限元分析
  • 5.4.1 玻璃芯片沟道堵塞的有限元仿真
  • 5.4.2 沟道形状对堵塞的影响
  • 5.5 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
  • 相关论文文献

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