微流控芯片注射成型及模内键合研究

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1、万方数据中图分类号!Q兰2Q：鱼3UDC621博士学位论文学校代码!Q5三三密级公珏微流控芯片注射成型及模内键合研究ResearchonInjectionMoldingandin-moldBondingMicrofluidicChip作者姓名：学科专业：研究方向：学院(系、所)：指导教师：楚纯朋机械工程高分子材料先进制造技术机电工程学院蒋炳炎教授论文答辩日期一糊答辩委员会主席』墅兰二单二中南大学2014年4月万方数据学位论文原创性声明本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的

2、研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。作者签名：丝塑日期：丝年丘月必日学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；

3、学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。保密论文待解密后适应本声明。作者签名：勉园自导师签建鳖萤日期：邋年上月鲨日万方数据博士学位论文摘要微流控芯片注射成型及模内键合研究摘要：随着微流控芯片研究的不断深入，对低成本、大批量、一次性使用芯片的需求日益迫切，聚合物微流控芯片已成为微型便携分析仪器产业化和商业化的主要方向。目前，用于实验室研究的单件、小批量芯片制备已经能够实现，但如何实现聚合物微流控芯片高效、低成本制造才是该技术产业化所面临

4、的关键难题。本文提出一种聚合物微流控芯片的注射成型及模内键合技术，实现了聚合物微流控芯片的注射成型和热键合工艺的有效集成，并利用数值模拟和实验研究的方式，研究了聚合物微流控芯片注射成型及模内键合工艺与相关理论，提高了微流控芯片的成型质量，为微流控芯片的批量化生产提供一个新思路。分析传统聚合物微流控芯片制造工艺，基于注射成型工艺中模内装配技术，提出一种微流控芯片注射成型及模内键合的制造工艺方案，对浇注系统、抽芯油缸及温度控制系统的设计进行了对比分析。最终，实现聚合物微流控芯片的成型、对准和键合的有效集成。

5、在注射成型工艺中，首先针对微流控芯片宏观翘曲变形进行了实验研究，通过模流分析软件对芯片充填过程的压力分布进行了分析，揭示了注射成型工艺参数对制件的翘曲的影响规律，对成型工艺参数进行了初步优化。然后，利用单因素实验法，研究注射成型工艺参数对横向和纵向微观微通道复制度的影响。适当地增加模具温度、熔体温度可以减小不同位置微通道上宽的差距，使微通道形貌均匀一致：通过提高注射速度可有效降低微注射成型对高模具温度和熔体温度的要求。最后，优化了成型工艺参数，当模具温度90℃、熔体温度245℃、注射速度35cm3／s、

6、保压压力140MPa，保压时间3s时，所成型微流控芯片的翘曲量较小、微通道形貌一致性良好。基于聚合物力学基础理论，分析模内键合过程中微流控芯片微通道的变形机理。进行了PMMA材料的高温力学性能实验，获得其相关力学性能参数，在玻璃转化温度附近时，PMMA表现出明显的粘弹性性能。利用有限元分析软件仿真分析了PMMA微流控芯片模内键合过程中微通道变形情况，与实验结果进行对比分析，揭示了键合工艺参数对微通道变形的影响规律。研究结果表明，采用广义Maxwell材料模型能较好的模拟聚合物微流控芯片键合过程中微通道的

7、变形。Ⅱ万方数据博士学位论文摘要随着键合温度、键合压力和键合时间的提升，芯片的微通道变形增加；键合温度和键合压力是影响微通道变形的主要因素。在键合过程中微通道顶部会与两侧壁发生粘合，对微通道变形影响很大，主要体现在上宽和高度方向上。基于吸附理论和扩散理论分析了微流控芯片模内键合过程中键合强度的形成机理。利用分子动力学软件对PMMA芯片模内键合过程进行模拟，同时进行了芯片模内键合实验及强度测试实验，对微流控芯片键合强度的形成机理进行了验证，研究了键合环境对芯片键合强度形成的影响规律。研究结果表明，芯片键合

8、强度的形成是界面分子扩散和吸附共同作用的结果。适当的增加键合压力，可以显著的提升键合强度，并缩短键合时问。而键合温度和键合时间的提升，增加键合界面间分子的相互扩散，提高界面分子间的作用力，从而提高键合强度。综合考虑模内键合过程中微通道变形及键合强度，论文选取键合温度102℃，键合压力1．8MPa和键合时间240s作为优化工艺参数。采用模内实验对优化工艺参数进行验证，所制备微流控芯片的键合强度达到了350KPa，且微通道网络密封性良好，芯片微