用于微流控分析芯片的pmma高聚物热雕刻技术研究

《用于微流控分析芯片的pmma高聚物热雕刻技术研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、博士学位论文用于微流控分析芯片的PMMA高聚物热雕刻技术研究哈尔滨工业大学2015年11月国内图书分类号：TP391.7学校代码：10213国际图书分类号：621.3.049.774密级：公开工学博士学位论文用于微流控分析芯片的PMMA高聚物热雕刻技术研究博士研究生：韩小为导师：毛志刚教授申请学位：工学博士学科：微电子学与固体电子学所在单位：航天学院答辩日期：2015年11月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TN47U.D.C:621.3.049.774Dissertation

2、fortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHOFPMMAHIGHPOLYMERTHERMALENGRAVINGTECHNOLOGYUSEDFORMICROFLUIDICCHIPCandidate：HanXiaoweiSupervisor：Prof.MaoZhigangAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MicroelectronicsandSolid-StateElectronicsAffil

3、iation：Dept.ofMicroelectronicsScienceandTechnologyDateofDefence：November,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要微流控分析芯片是一种多功能的微全分析系统（μ-TAS,micrototalanalysissystem）。它利用微机电系统（MEMS，Micro-Electro-MechanicalSystem）技术将进样、混合、分离和检测等实验手

4、段与功能集成在一块尺寸为数平方厘米的芯片上。目前，微流控分析芯片技术已经从实验室走向实用化应用，在生物、医学和环保等领域发挥着重要作用。μ-TAS技术的普及应用离不开微制造工艺技术的发展，以便于在常规实验条件下就可以完成芯片的制造与封接。本文首先阐述了高聚物微流道加工、封接技术以及微流道制作技术建模研究的国内外研究状况。针对现有芯片制作工艺，提出了基于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA,polymethylmethacrylate）材料的微流道热雕刻制作技术和改进的微波热键合技术。其次，本文采用传热学和流变学理

5、论对基于PMMA材料的微流道热雕刻过程进行了理论分析和建模研究，并在不同工艺参数下进行了实验研究。最后，本研究采用热雕刻技术和改进的微波加热键合技术制作了基于安培检测的微流控分析芯片，通过搭建的测试系统对芯片的性能进行了测试。本文主要完成的研究工作如下。对于热雕刻过程涉及的传热学与流变学过程进行了理论分析。通过分析PMMA材料在不同相态下的定压比热容、比体积和导热率等参数的变化，为建模研究热雕刻过程中PMMA粘性流流动特性提供了理论依据。结合流变学原理，分析了在热雕刻过程中玻璃态、高弹态和粘流态PMMA

6、材料的流变特性。通过对于非粘流态PMMA材料的弹性特性和断裂机理的分析，确定了工艺温度参数应大于PMMA材料的粘流转变温度。通过对于粘流态PMMA材料的流动机理的分析，为建立基于PMMA材料的微流道热雕刻过程模型奠定了理论基础。结合有限元方法建立了基于PMMA材料的微流道热雕刻模型。通过建立传热模型，分析了微尺寸刀头在不同温度参数下的温度梯度变化。借助于该仿真结果，对刀头与PMMA粘性流的传热过程进行了建模仿真。通过建模仿真，研究了不同工艺参数对PMMA粘性流流场分布与粘性流体压力的影响。最终，模拟结果

7、给出了温度、速度等工艺参数与热雕刻过程中的不可压缩非牛顿粘性流的温度分布、粘性流流场和粘性流体压力分布的关系。仿真数据表明，在速度参数恒定时，当刀头温度处于89℃-96℃区间时，刀头迎面周围的粘性流受到的压力随温度会出现趋势性变化。当刀头运动速度增加时，粘性流受到的压力随速度呈非线性增加。通过系统总体设计、控制模块搭建以及关键组件制作，建立了基于PMMA材料的微流道热雕刻实验平台。利用该实验平台，研究了不同工艺参数对微流道质-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文量的影响。结果表明，在热雕刻速度为4.2mm

8、/s，刀头温度为91℃时可以获得平均表面粗糙度为0.33μm的微流道。通过对微流道进行平均表面粗糙度、润湿性与电渗特性等测试，证实了热雕刻技术用于微流道制作的可行性。采用高聚物微流道热雕刻技术制作了基于安培检测的微流控分析芯片，并采用无水乙醇微波辅助热键合方法实现了微流控芯片的封接。该方法能够提供12152N/cm的键合强度，同时键合形变量小于4%。采用搭建的安培检测系统实现了多羟基化合物的分离与检测。测试结果表明，制作的微流控分析芯片能够