聚合物微流控芯片微通道模压成型分析
辅助溶剂对PMMA微流控芯片模内键合的影响
辅助溶剂对PMMA微流控芯片模内键合的影响徐征;王继章;杨铎;刘冲;王立鼎【摘要】To improve the bonding efficiency of microfluidic chips, an in-mold bonding method is researched by taking a Polymethyl Methacrylate(PMMA) microfluidic chip as an research object and a micro injection machine as a working platform. Clamping forces and bonding temperatures are provided by the micro injection machine and a mold temperature machine. Isopropanol is selected as assistant solvent to reduce the bonding temperature and bonding pressure with its solubility. At 30 ℃ to 70 ℃ , a microscope and a step profiler are used to analyze the influence of assistant solvent on surface morphologies and micro channel structures of chips at different temperatures. An in-mold bonding experiment is operated with the assistant solvent, then the electric universal testing machine is utilized to measure the bonding strength and to optimize the process parameters. Experimental results illustrate that the influence of isopropanol on bonding quality is related with the bonding temperature and bonding period. The surfaces of chips chap and the micro grooves become deformed or block at higher temperatures. The surface quality and morphologies of micro grooves are correspondingly improved when the bonding temperature is 35 ℃ , the bon ding time is 5 min, and the bonding strength is no less than 2. 64 Mpa.%为了提高聚合物微流控芯片的键合效率,以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微流控芯片为对象,以微型注塑机为平台,研究了聚合物模内键合方法.利用注塑机提供的合模力作为键合力,利用模温机提供键合温度,选择异丙醇作为辅助溶剂,借助溶剂溶解特性来降低模内键合中的键合温度和压力.在30～70℃,用测量显微镜和台阶仪测试分析了不同键合温度条件下,辅助溶剂对芯片的表面形貌和微通道结构的影响；利用辅助溶剂进行模内键合实验,用电子万能实验机测试了芯片的键合强度,对模内键合工艺参数进行了优化.结果表明:异丙醇对键合质量的影响与键合温度、键合时间有关,在较高温度下会使芯片产生皲裂、微沟槽变形和堵塞；在键合温度为35℃,键合时间为5 min时,芯片的表面质量和微沟槽形貌较完整,键合强度不小于2.64 MPa.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2012(020)002【总页数】8页(P321-328)【关键词】模内键合;聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA);微流控芯片;异丙醇;微注塑;溶剂辅助键合【作者】徐征;王继章;杨铎;刘冲;王立鼎【作者单位】大连理工大学辽宁省微纳米技术及系统重点实验室,辽宁大连116023;大连理工大学辽宁省微纳米技术及系统重点实验室,辽宁大连116023;大连理工大学辽宁省微纳米技术及系统重点实验室,辽宁大连116023;大连理工大学辽宁省微纳米技术及系统重点实验室,辽宁大连116023;大连理工大学辽宁省微纳米技术及系统重点实验室,辽宁大连116023【正文语种】中文【中图分类】TN4051 引言微流控芯片可以将多种单元技术在整体可控的微小平台上灵活组合、规模集成，具有体积小、分析速度快、成本低等特点，应用前景广阔［1］。
微流控分析芯片
微流控分析芯片微流控芯片是一种集成了微流体控制和微分析功能的微小尺寸芯片，常用于生物医学和化学分析领域。
它通过微小的通道和阀门控制样品、试剂的流动，并通过电极和传感器实时监测和分析反应过程，具有高效、灵敏和精确的特点。
下面将详细介绍微流控分析芯片。
微流控分析芯片的结构包括流道结构、阀门结构、电极结构和传感器结构。
流道结构用于在芯片内部建立微小的流通路径，一般采用陶瓷或聚合物材料制作，通道的大小和形状可以根据需要进行设计和调整。
阀门结构则用于控制样品和试剂的进出，常用的有基于压力控制、电场控制和温度控制的阀门。
电极和传感器结构则用于检测和监测反应过程中的电化学信号或光信号，以实现实时监测和定量分析。
微流控分析芯片的工作原理是基于微流体的诸多特性。
首先是微流体的流动速度快，通常在纳米到毫米每秒之间，这使得样品和试剂的混合效果更加均匀，反应速度更快。
其次是微流体的扩散效应好，表面积和质量传递速度都得到了提高，这有利于反应的发生。
再次是微流体的表面效应明显，尤其是当反应物浓度较低时，微流体可以通过增加反应物和试剂之间的接触面积，提高反应的敏感度。
此外，微流体还具有低样品消耗、低成本和易于自动化等优点。
微流控分析芯片可以进行多种分析操作，如样品的预处理、混合和分离、反应过程的实时监测等。
在样品的预处理方面，可使用微流控芯片中的阀门和通道进行样品的过滤、浓缩和易位等操作，以提高分析的准确性和灵敏度。
在混合和分离方面，可以通过芯片中的微通道和阀门，将不同的试剂和溶液进行有效的混合和分离，以实现反应的发生和产物的提取。
在反应过程的实时监测方面，可以通过芯片中的电极结构和传感器结构，对反应过程中的电化学信号、光信号等进行实时检测和分析。
微流控分析芯片在生物医学和化学分析领域具有广泛的应用。
在生物医学方面，可用于病原体检测、基因分析、蛋白质分析等方面。
例如，可以通过微流控芯片对血液中的细菌和病毒进行检测和鉴定，以实现快速和准确的诊断。
参考文献著录规则(六)——专利文献的著录格式
塑㊀料㊀工㊀业２０１９年㊀㊀制作ＰＭＭＡ微流控芯片ꎬ针对直径２００μｍ的电阻丝ꎬ通过正交试验设计和直观分析得到了压印微通道的最优方案为电流１ ８Ａ㊁压力４４ ５９Ｎ㊁时间５ｓꎬ所获得的微通道宽度变形率为８ ５％ꎬ深度变形率为８ ９％ꎬ通道的宽度和深度可以满足微流控芯片的实验要求ꎮ在普通实验室中利用本方法可以快速制作出ＰＭＭＡ微通道ꎬ结合本实验研制的热压键合技术ꎬ可以在２ｈ左右制备完成ＰＭＭＡ微流控芯片ꎮ利用本方法制备的十字型流动聚焦微液滴生成芯片ꎬ可以稳定生成３４~７４ｎＬ范围内的微液滴ꎮ本方法不仅简单㊁方便㊁快捷ꎬ而且不需要大型仪器设备ꎬ应用成本低ꎬ制作出的微通道光滑度高ꎬ有利于在普通实验内小批量制备微流体芯片ꎬ所制作的芯片可广泛应用于化工试剂分析㊁微量反应等场合ꎮ参㊀考㊀文㊀献[１]ＷＨＩＴＥＳＩＤＥＳＧＭ.Ｔｈｅｏｒｉｇｉｎｓａｎｄｆｕｔｕｒｅｏｆｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ[Ｊ].Ｎａｔｕｒｅꎬ２００６ꎬ４４２(７１０１):３６８－３７３. [２]曹伟龙ꎬ田桂中.微流体系统中微通道网络成形工艺研究进展[Ｊ].现代制造工程ꎬ２０１４(１２):１２７－１３３. [３]ＲＵＡＮＯ￣ＬÓＰＥＺＪＭꎬＡＧＵＩＲＲＥＧＡＢＩＲＩＡＭꎬＴＩＪＥＲＯＭ.ＡｎｅｗＳＵ￣８ｐｒｏｃｅｓｓｔｏｉｎｔｅｇｒａｔｅｂｕｒｉｅｄｗａｖｅｇｕｉｄｅｓａｎｄｓｅａｌｅｄｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌｓｆｏｒａｌａｂｏｎ￣ａ￣ｃｈｉｐ[Ｊ].ＳｅｎｓＡｃｔｕａ￣ｔｏｒｓꎬＢꎬ２００６ꎬ１１４(１):５４２－５５１.[４]赵志刚ꎬ关雪华.聚甲基丙烯酸甲酯(ＰＭＭＡ)生产工艺与设备研究概述[Ｊ].民营科技ꎬ２０１３ꎬ４(１１):８１－８４. [５]宋满仓ꎬ刘莹ꎬ祝铁丽ꎬ等.塑料微流控芯片的注塑成型[Ｊ].纳米技术与精密工程ꎬ２０１１ꎬ９(４):３２９－３３４.[６]王晓东ꎬ刘冲ꎬ马骊群ꎬ等.塑料微流控芯片微通道热压成形机的研制[Ｊ].制造技术与机床ꎬ２００４(１１):５７－６０.[７]申雪飞ꎬ陈涛.ＣＯ２激光直写ＰＭＭＡ微通道工艺改进的实验研究[Ｊ].中国激光ꎬ２０１１ꎬ３８(６):２５１－２５５. [８]楚纯朋ꎬ蒋炳炎ꎬ刘瑶ꎬ等.聚合物微流控芯片微通道复制成型技术[Ｊ].塑料工业ꎬ２００８ꎬ３６(１０):１－５. [９]杜晓光ꎬ关艳霞ꎬ王福仁ꎬ等.聚甲基丙烯酸甲酯微流控分析芯片的简易热压制作法[Ｊ].高等学校化学学报ꎬ２００３ꎬ２４(１１):１９６２－１９６６.[１０]徐敏ꎬ罗怡ꎬ王晓东ꎬ等.聚合物微结构热压成形温度有限元分析[Ｊ].传感技术学报ꎬ２００６ꎬ１９(５):２０１５－２０１７.[１１]刘竹琴.利用电热法测量金属的比热容[Ｊ].河南科学ꎬ２０１７ꎬ３５(１０):１５７０－１５７３.[１２]王晓东ꎬ罗怡ꎬ刘冲ꎬ等.塑料(ＰＭＭＡ)微流控芯片微通道热压成形工艺参数确定[Ｊ].中国机械工程ꎬ２００５ꎬ１６(２２):２０６１－２０６３.[１３]ＨＥＹＤＥＲＭＡＮＬＪꎬＳＣＨＩＦＴＨꎬＤＡＶＩＤＣꎬｅｔａｌ.Ｆｌｏｗｂｅｈａｖｉｏｕｒｏｆｔｈｉｎｐｏｌｙｍｅｒｆｉｌｍｓｕｓｅｄｆｏｒｈｏｔｅｍｂｏｓｓｉｎｇｌｉ￣ｔｈｏｇｒａｐｈｙ[Ｊ].ＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎＥｎｇꎬ２０００ꎬ５４(３):２２９－２４５.[１４]盛敬峰ꎬ于影霞ꎬ何柏林.钛合金螺旋铣孔切削工艺的正交优化与试验分析[Ｊ].表面技术ꎬ２０１６ꎬ４５(１２):１９２－１９８.[１５]李承红ꎬ王洪ꎬ王寿鑫ꎬ等.基于ＰＭＭＡ材料的键合封装技术研究[Ｊ].塑料工业ꎬ２０１８ꎬ４６(２):１１７－１２２.(本文于２０１９－０７－２６收到)㊀(上接第２９页)[８]陆园ꎬ战力英ꎬ宫青海ꎬ等.抗氧剂的分类㊁作用机理及研究进展[Ｊ].塑料助剂ꎬ２０１６(２):４３－５０. [９]邱琪浩ꎬ徐小武ꎬ周志峰.聚碳酸酯的热稳定性能研究[Ｊ].化工生产与技术ꎬ２０１６ꎬ２３(１):２０－２３. [１０]严谨ꎬ苏莉莉ꎬ张明.聚碳酸酯的高温剪切降解及其稳定化研究[Ｊ].高分子学报ꎬ２０１８(４):４９９－５０６. [１１]聂德林ꎬ徐布衣ꎬ程庆.不同抗氧体系对ＰＣ加工热稳定性的影响[Ｊ].环境技术ꎬ２００６(６):２６－２７ꎬ４０. [１２]ＲＯＢＥＲＴＳＯＮＪＥ.Ｔｈｅｒｍａｌｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｓｔｕｄｉｅｓｏｆｐｏｌｙ￣ｃａｒｂｏｎａｔｅ[Ｊ].ＤｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎＡｂｓｔｒａｃｔｓＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌꎬ２００１ꎬ６２－０２(ＳｅｃｔｉｏｎＢ):１０５４.[１３]付建英.亚磷酸酯类抗氧剂水解稳定性影响因素及提高水解稳定性的方法[Ｊ].塑料助剂ꎬ２０１７(５):１２－１７.(本文于２０１９－０７－０８收到)㊀参考文献著录规则(六) 专利文献的著录格式㊀㊀专利文献的著录格式:[序号]专利申请者.专利题名:专利公开号[Ｐ].公开日期(年－月－日).[１]华南理工大学.基于熔融沉积３Ｄ打印的形状记忆聚合物合金及其制备方法:１１００７９０１０Ａ[Ｐ].２０１９－０８－０２. [２]ＢＡＳＦＳＥ.Ｐｒｏｃｅｓｓｆｏｒｐｒｅｐａｒｉｎｇａｎａｑｕｅｏｕｓｐｏｌｙｍｅｒｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｈａｖｉｎｇｈｉｇｈｃｈｅｍｉｃａｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ:ＵＳ２０１９２６３９４１[Ｐ].２０１９－０８－２９.８４。
微流控芯片热压成型机液压系统
回路 ， 对液压 系统 进行 了压 力精度 控 制试验 。试验 结果表 明 ， 系统控 制精 度在 容许 的 范 围之 内。 该
关键 词 ： 热压 ； 流控 芯片 ； 微 液压 系统 ； 微全 分析 系统 中图分 类号 ：Ｇ ８ ． Ｔ ３５７ 文 献标 识码 ： Ａ 文 章编 号 ：０ １ ４５ （０７ ０ — ０９ ０ １０ — ５１２０ ）５ ０８ — ３
Ｏ 前 言
微 全 分析 系统 能最大 限度 地把化 学 分析 实验 室
先， 在热 压过 程 中热压 模具 的 突起与 基片 接触 ， 基础 部 位产 生很 大 的压 应力 ， 生塑 性变 形 ， 具逐 渐压 发 模 入 基片 内 。当模 具 的 表 面与 基 片 表 面 完 全接 触 后 ， 将压 力 与温 度保持 一段 时 间 ， 时长 取 值 视具 体 材 料 与 结构 而定 。待微 通道 完 全 定 形 后 ， 度 降低 至脱 温 模 温度 ， 除压力 ， 撤 将芯 片与 模 具 分 开 ， 成 芯 片微 完
维普资讯
第２ ４卷 第 ５期 ２０ ０ ７年 ５ 月
机
电
工
程
Ｖ０ ． ４ Ｎｏ ５ Ｉ２ ．
Ｍ ａ ００ ｖ２ ７
ＭＥＣＨＡＮＩ ＣＡＬ ＆ ＥＬＥＣＴＲＩ ＣＡＬ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ ＡＧＡＺＩ Ｍ ＮＥ
微流控芯 片热压成型机液 压 系统
全分析系统发 展 的前 提条 件 ， 目前 有 多种 加工 方 法 ，
包括模塑法 、 微压 印法 、Ｉ Ａ技术 、 ＬＧ 激光 切蚀 法 、 刻 软
蚀 等 。其 中微压 印法具 有灵活 方便 ， 成本 低 ， 度 速 快等优点 ， 是实现 分析 实验 室 “ 家庭 化 、 人化 ” 个 的一 种较为简便 的途 径 ， 被广泛应用 于 以制 造 聚合 物材 料
PMMA微流控芯片微通道尺寸的检测
ｂ ｕ ｄ ｒ ｎ ｏ ｉ ｇ ａ ｄ ｃ ｌｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｃ ｏ ｈ ｎ ｅ ｅ ｍ ｅ ｒｃ ｌｓ ｚ ｓ ｅ ｃ Ｔｈ ｅ ｓ ｒ ｄ ｒ ｓ ｌｓ ｏ ｎ ａ ｙ ｅ ｃ ｄ ｎ ｎ ａ ｃ ｌ ｔ ｆ ｍｉｒ ｃ ａ ｎ ｌ８ ｇ ｏ ｔ ｉ ａ ｉｅ ， ｔ ． ｏ ｅ ｍ ａ ｕ ｅ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｈ ｔｔ ｅ ｍａ ｉ ｕ ｍ ｅ ｓ ｒｎ ｒ ｏ ｙ ｐ ｏ ｏ ｅ ｔ ｏ ｓ ２ ｕ ， ｉｈ ａ ｃ ｒ ｓ ｗｉ ｈ ｅ ｕ ｔ ｈ ｗ ｔ ａ ｈ ｘ ｍ ｍ ａ ｕ ｉ ｇ ｅ ｒ ｒ ｂ ｒ ｐ ｓ ｄ ｍｅ ｈ ｄ ｉ ｍ ｗｈ ｃ ｃ ｏ ｄ ｔ ｔ ｅ ｒ ｓ ｌｓ ｈ ｍｅ ｓ ｒ ｄ ｂ ｔ ｌ ｓ ｐ ｏ ｉ ｒ ａ ｄ ａ ｕ ｉ ｅ ｓ ｌｍｅ ｓ ｒｎ ｃ ｏ ｃ ｐ ． Ｔｈ ｅ ｓ ｎ ｏ ｃ ｕ ｅ ｔ ｅ ｅ ｒ ｒ ａ ｕ ｅ ｙ ａ ｓ ｙ ｕ ｒ ｆｌ ｎ ｎ ｖ ｒ ａ ａ ｕ ｉ ｇ ｍｉ ｒ ｓ ｏ ｅ ｅ ｅ ｒ ａ ｏ ｓ ｔ ａ ｓ ｈ ｒ ｏ
关 键 词 ： 流 控 芯 片 ｝ 细加 工 ； Ｃ 图 像检 测 ； 寸 测 量 ； 微 微 Ｃ Ｄ 尺 图像 处 理 ， 次标 定 二
中 图 分 类 号 ： Ｐ ９ ． ： ９ Ｔ ３ １４ ＴＢ ２
文献标识码 ： Ａ
Ｍ ｅ ｓ ｒ ｍ ｅ ｆ ｍ ｉ ｒ ｃ ａ ｎ ｌ ａ ｕ ｅ ｎｔｏ ｃ ｏ ｈ ｎ ｅ ｓ
摘 要 ： 究 了一 种 基 于 光 电耦 合 器 件 （ Ｃ ） 图像 处 理 技 术 的 聚 甲基 丙 烯 酸 甲酯 （ Ｍ ＭＡ） 流 控 芯 片 微 通 道 几 何 尺 寸 研 ＣＤ及 Ｐ 微
的测量系统 ， 论述 了该系统的关键技术及其实现方法 ， 括图像 的预处 理 、 值化 、 包 二 轮廓提取 以及微通 道尺 寸的测 量等 。 利用该系统测量的微通道几何 尺寸（ ～１００ １ ０ ｍ） 轮廓仪 和万能工 具显微 镜 的测 量结果 吻合很 好 ， 与 最大 测量误 差为 ２ ｍ（ 半深宽度 ）分析 了测量误差产生 的原 因。检测实验结果表 明 ： ， 该检 测方法提 供的微通道 几何尺寸 评定正确 可行 、 通用性好 、 应用简便 ， 可以避免轮廓仪在深结构测量 中的误 差。 还
微流控分析芯片的加工技术
微流控分析是以微管道为网络连接微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测元件等具有光、电和流体输送功能的元器件，最大限度地把采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等分析功能集成在芯片上的微有机聚合物芯片材料的基本要求材料应易被加工；有良好的光学透明性；在分析条件下材料应是惰性的；材料应有良好电绝缘性和散热性；材料表面的可修饰性和可密封性。
光刻（lithography)和刻蚀技术（etching)光刻工艺光刻是用光刻胶、掩模和紫外光进行微制造,工艺如下:(a)仔细地将基片洗净;(b)在干净的基片表面镀上一层阻挡层,例如铬、二氧化硅、氮化硅等;(c) 再用甩胶机在阻挡层上均匀地甩上一层几百A厚的光敏材料——光刻胶。
光刻胶的实际厚度与它的粘度有关,并与甩胶机的旋转速度的平方根成反比;(d) 在光掩模上制备所需的通道图案。
将光掩模复盖在基片上,用紫外光照射涂有光刻胶的基片,光刻胶发生光化学反应;(e)用光刻胶配套显影液通过显影的化学方法除去经曝光的光刻胶。
这样，可用制版的方法将底片上的二维几何图形精确地复制到光刻胶层上；(f) 烘干后,利用未曝光的光刻胶的保护作用,采用化学腐蚀的方法在阻挡层上精确腐蚀出底片上平面二维图形。
掩模制备用光刻的方法加工微流控芯片时,必须首先制造光刻掩模。
对掩模有如下要求：a.掩模的图形区和非图形区对光线的吸收或透射的反差要尽量大;b.掩模的缺陷如针孔、断条、桥连、脏点和线条的凹凸等要尽量少;c.掩模的图形精度要高。
通常用于大规模集成电路的光刻掩模材料有涂有光胶的镀铬玻璃板或石英板。
用计算机制图系统将掩模图形转化为数据文件，再通过专用接口电路控制图形发生器中的爆光光源、可变光阑、工作台和镜头，在掩模材料上刻出所需的图形。
但由于设备昂贵，国内一般科研单位需通过外协解决，延迟了研究周期。
由于微流控芯片的分辨率远低于大规模集成电路的要求，近来有报道使用简单的方法和设备制备掩模，用微机通过CAD软件将设计微通道的结构图转化为图象文件后，用高分辨率的打印机将图象打印到透明薄膜上，此透明薄膜可作为光刻用的掩模，基本能满足微流控分析芯片对掩模的要求。
微流控芯片的加工方法
微流控芯片的加工方法微流控芯片是一种在微米尺度上控制流体的装置，广泛应用于生物医学、化学分析、环境监测等领域。
微流控芯片的加工方法对于芯片性能和功能的实现至关重要。
本文将介绍微流控芯片的加工方法，包括芯片制备、微流控通道的加工及封装工艺等方面。
一、芯片制备微流控芯片一般采用聚合物材料作为基片，常见的材料有聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚酯（PET）等。
芯片制备的第一步是准备基片，通常使用光刻技术将芯片的几何结构图案化于硅片上。
然后，通过浸泡法或切割法，将芯片的几何结构转移到聚合物基片上。
二、微流控通道的加工微流控芯片的核心部分是微流控通道，它可以实现液体的精确控制和操纵。
微流控通道的加工方法有多种，常用的方法包括光刻、热压、激光加工等。
其中，光刻是一种常见的加工方法，通过光刻胶的选择和光刻机的操作，可以在聚合物基片上形成所需的微流控通道结构。
热压是另一种常用的加工方法，通过热压机将两个聚合物基片压合在一起，形成微流控通道。
激光加工则是一种非接触的加工方法，通过激光束的聚焦和控制，直接在聚合物基片上刻蚀出微流控通道。
三、封装工艺微流控芯片的封装工艺是保护芯片结构和通道，并连接进样口和出样口的关键步骤。
常见的封装方法有粘贴封装和热压封装两种。
粘贴封装是将芯片与配套的封装基片粘合在一起，形成封装空间，然后通过胶水或粘合剂将芯片封装在基片中。
热压封装则是将芯片与封装基片一起放入热压机中，通过加热和压力作用，将芯片与基片牢固地封装在一起。
四、其他工艺除了上述的芯片制备、微流控通道加工和封装工艺外，微流控芯片的加工还涉及到其他一些工艺步骤。
例如，微流控芯片中常常需要进行离子注入、电镀、涂覆等工艺，以增强芯片的性能和功能。
离子注入可以改变芯片材料的导电性能，电镀可以增加芯片通道的导电性和耐腐蚀性，涂覆则可以改变芯片表面的润湿性和化学性质。
微流控芯片的加工方法包括芯片制备、微流控通道的加工以及封装工艺等多个步骤。
在聚合物成型实验中开设微流控的探索
微球 和微胶囊制备技术 。目前 ， 制备微 球的方法 主
要是传统的机械搅拌法 ， 但该方法获得的微球或微
控技术制备微球的原理在给药载体 、 细胞载体 、 分离 介质 、 品加工 和酶制 剂等 领域 获得 了广 泛 的应 食
用 … 。伴 随着 近几 年微 加 工 技 术 的 兴起 ， 流 控迅 微 速发 展 ， 从理 论 到实践 越来 越成 熟 ， 已经 具备 了走 向 实验 教学 课 堂 的基 础 Ｉ ４。作 为一 种有 别 于传 统 的 Ｊ 成 型加 工技术 ， 且 在 科研 领 域极 受 重 视 的微 流 控 而 技术 必将 有 着广 阔 的应 用 前 景 。本 工 作 的 实践 ， 将
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微流控芯片微通道热压成形中塑料流动的仿真
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微流控芯片微通道热压成形 中塑料流 动 的仿真
尉元杰 刘 冲ｈ ， ， 李经 民 ， 佳 祝连义 彭 ，
（ Ｌ大连理］ 学， 辽宁省微纳米技术及系统重点实验室， 大连 ｌ ０３ Ｚ大连理工大学情密 １２； ６ ， 大连 １６２） １ ： ０］
快速有效的控 制．
关键 词 ： 热粘弹性； 微通道成形 ； 仿真
中图分类号：Ｈ１５４ Ｔ ４ ． ＋２
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多通道微流控芯片设计
多通道微流控芯片设计
多通道微流控芯片设计是一种基于微流控技术的新型芯片设计方案。
该方案采用微细加工技术，将微流控通道集成在芯片内部，通过微流控芯片上的微通道进行样品的混合、输送、分离等操作，实现了微小精准控制和高效的化学和生物反应。
该方案具有以下特点：
1. 多通道设计：微流控芯片中集成了多个相互独立的通道，可同时实现多种实验操作，提高实验效率。
2. 微小尺寸：微流控芯片中的微通道直径通常在几十微米到几百微米之间，芯片尺寸小，易于操作和储存。
3. 高精度：微流控芯片可以对液体进行微小的精确控制，实现微量样品的混合、输送、分离等操作，提高了实验的准确性。
4. 自动化操作：微流控芯片通过微流控芯片上的微通道进行样品的混合、输送、分离等操作，实现了自动化操作，减少了人工操作的误差。
5. 应用广泛：微流控芯片可以应用于生物学、化学、医学等多个领域，如细胞培养、药物筛选、基因分析等。
因此，多通道微流控芯片设计是一种非常有前景的技术，有望在生物、化学、医学等领域得到广泛应用。
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第36卷 第5期吉林大学学报(工学版) Vol.36 No.5 2006年9月Journal of J ilin University(Engineering and Technol ogy Editi on) Sep t.2006文章编号:1671-5497(2006)05-0696-05聚合物微流控芯片微通道模压成型分析文伟力1,左春柽1,于建群2,张学军1(1.吉林大学机械科学与工程学院,长春130022;2.吉林大学生物与农业工程学院,长春130022)摘 要:通过试验研究了聚合物微流控芯片微通道模压的工艺过程和工艺参数(包括模压温度、模压压力、模压时间、不同材料及卸载温度等)对微通道尺寸的影响。
建立了模压工艺参数与微通道尺寸的关系,并基于黏弹性模型利用有限元方法进行了模压过程的数值仿真,仿真结果与试验结果基本吻合。
本文的研究结果对完善聚合物微流控芯片设计和制作的基本理论和基本技术具有积极意义。
关键词:仪器仪表技术;电泳芯片;微流控芯片;生物芯片;微全分析系统;微机电系统;数值仿真;热模压中图分类号:TH706 文献标识码:AHot em bossi n g process ana lysis of m i crochannelsfor poly m er m i croflu i d i c ch i psW en W ei2li1,Zuo Chun2cheng1,Yu J ian2qun2,Zhang Xue2jun1(1.College of M echanical Science and Engineering,J ilin U niversity,Changchun130022,China;2.College of B iological andA gricultural Engineering,J ilin U niversity,Changchun130022,China)Abstract:A poly mer m icr o hot e mbossing p r ocess was characterized by the experi m ents and nu merical si m ulati ons.A series of experi m ents were carried out with varied p r ocess conditi ons,including p r ocessing p ressure,te mperature,ti m e,different materials and unl oad temperature,both the dep th and width of hot2 e mbossed m icr ochannel was investigated.Further more,the hot2e mbossing p r ocess was nu merically si m ulated by the finite ele ment method using a viscoelastic model t o understand its mechanis m.The si m ulati on results show in satisfact ory agree ment with the related experi m ents,being significant f or i m p r ove ment of the basic theories and the p ractical techniques of the structure design and manufacture of the poly mer m icr ofluidic chi p s. Key words:technol ogy of instrument and meter;cap illary electr ophoresis chi p;m icr ofluidic chi p;bi ochi p;μ2T AS;ME MS;nu merical si m ulati on;hot e mbossing收稿日期:2006201209.基金项目:国家自然科学基金资助项目(10572053);高等学校博士学科点专项基金资助项目(20040183057);吉林省科技发展计划项目(20020610).作者简介:文伟力(1975-),男,博士研究生.研究方向:M E MS系统设计、仿真、制作及图像处理,模式识别.E2mail:whpm r@通讯联系人:于建群(1958-),男,教授,博士生导师.研究方向:数字化设计与制造,基于M E MS技术的微流控分析系统.E2mail:yujianqun@第5期文伟力,等:聚合物微流控芯片微通道模压成型分析 微流控芯片是当前微全分析系统(μ2T AS )和芯片实验室(Lab on a Chi p )的发展重点和前沿技术[1-4]。
相对于早期的硅或玻璃材料制作的微流控芯片,基于聚合物材料的微流控芯片技术由于材料价格便宜、绝缘性好、成形容易、批量生产成本低,表面化学和物理属性多样化,且大部分聚合物材料对生化样品具有相容性[5-7]而得到飞速发展。
然而,对于聚合物微流控芯片微通道的成型机理和成型规律的研究还处在起步阶段。
为此,本文在文献[8]的基础上,以2种典型的聚合物材料(有机玻璃(P MMA )和聚碳酸脂(PC ))为研究对象,通过试验建立了这2种材料的微流控芯片微通道尺寸参数与硅模板微凸起尺寸参数、模压工艺参数(温度、压力、时间、卸载温度等)的关系,并通过有限元方法初步分析了成型过程。
对于完善聚合物微流控芯片结构设计和制作的基本理论和基本技术、优化制作工艺参数及探讨微尺度条件下聚合物材料的成型规律等均有积极意义。
1 试验分析1.1 材料、设备和模压过程模板采用化学腐蚀方法制作[8],材料为双面抛光的<100>型单晶硅片。
芯片材料选用商品有机玻璃片(P MMA )和聚碳酸脂片(PC ),厚度为2mm ,要求质地均匀、表面光滑平整、透光好。
模压用设备为温压可控压片机,其结构见图1。
温图1 769Y P 215A 型压片机结构简图F i g .1 Sketch map of 769Y P 215A i m pr i n ti n g mach i n e度控制采用WY 299型双通道温度控制仪,压力由压力表指示。
采用轮廓仪(T AY LOR 2HOBS ON T ALYS URF4,测头半径为2μm )测量硅模板微凸起和聚合物微流控芯片微通道的截面形状和尺寸,如图2所示。
模压工艺参数为:模压压力为1MPa,模压时间为3m in,卸载温度为120℃。
图2 硅模板微凸起和芯片微通道截面形状和尺寸F i g .2 Shape and si ze of the secti on of the sili conte m pl a te and ch i p m i crochannels模压工艺过程为:首先对P MMA 片和PC 片进行前处理,包括选材、切片、超声清洗、真空烘干等。
然后把处理好的塑料片和模板放到压片机的工作台上进行模压,施加的温度和压力可由指示表直接读出。
模压分为等温模压(模板与塑料片温度相同)和非等温模压(模板与塑料片温度不同)两种,模压时温度和压力的变化规律如图3所示。
图3 芯片模压过程中温度和压力变化示意图F i g .3 Tem pera ture and pressure prof iles dur i n ghot em bossi n g process1.2 模压温度对微通道尺寸的影响采用如图2所示的硅模板和2mm 厚的P MMA 芯片,在模压压力1MPa 、模压时间3m in 和卸载温度80℃的情况下,等温模压及非等温模压微通道宽度和深度尺寸随温度变化的关系如图4和图5所示。
图中数据为3次试验结果的平均值;非等温模压条件:芯片为室温,模压温度为模板温度。
由图4可知,微通道宽度(半深宽度对应模板的半高宽度,见图2)尺寸与模压温度的关系可分为4个阶段:低温段(80—100℃)时微通道宽度尺寸基本不变,但其数值比模板微凸起对应的宽度小Δ1;过渡段(100—120℃)时宽度尺・796・吉林大学学报(工学版)第36卷寸随温度的升高而逐渐增大,即Δ1值逐渐减小,温度越高,宽度尺寸增大越快;高温段(120—135℃)时宽度尺寸变化又趋平缓,其数值比模板宽度尺寸小Δ2,且Δ2<Δ1,这种情况一直持续到超高温段;超高温段(>135℃)时随着温度的升高,宽度尺寸的变化不稳定,往往产生严重的变形和气泡,模压工艺要求不易控制。
图4 微通道宽度尺寸与模压温度的关系F i g .4 Rel a ti on sh i p between the m i crochannel w i dthand hot e m bossi n g te m pera ture由图5可知,当模压温度为80℃时,由于模压温度小于P MMA 的软化点温度,聚合物尚处在玻璃态,硬而脆,难以变形,故模压所得深度尺寸较浅。
当模压温度接近P MMA 的软化点温度(90℃—100℃)时,随模压温度的变化,微通道深度尺寸保持不变,且近似等于模板微凸起的高度。
由试验还可知,在本文的试验条件下,等温模压和非等温模压的微通道尺寸随温度变化的规律基本相同。
图5 微通道深度尺寸与模压温度的关系F i g .5 Rel a ti on sh i p between the m i crochannel depthand hot e m bossi n g te m pera ture1.3 模压压力对微通道尺寸的影响当模压温度和时间一定时,由试验得到的微通道宽度(半深宽度)、深度与模压压力的关系如图6所示,图中模压温度分别为90℃和120℃,模压时间为3m in,卸载温度为80℃。
由图6可知,压力变化对微通道尺寸影响较小,如果考虑误差的影响,可以将其忽略,因而模压聚合物芯片不必选取过大的压力。
图6 微通道尺寸与模压压力的关系F i g .6 Rel a ti on sh i p between the m i crochannel si zeand hot e m bossi n g pressure1.4 模压时间对微通道尺寸的影响当模压温度和压力一定时,由试验得到的微通道宽度(半深宽度)、深度与模压时间的关系如图7所示,图中模压温度分别为90℃和120℃,模压压力为1MPa,卸载温度为80℃。