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CO_2激光直写聚合物微流控芯片的理论与实验研究

相恒富  
【摘要】: 微流控芯片是一种交互集成的微全分析系统,它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,可最大限度地把采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等分析功能集成为一体。当前微流控芯片已经开始从实验室走向应用,急需探索低成本大批量生产的制造技术。研究聚合物微流控芯片的制造技术,对微流控芯片的研究与产业化具有重大意义。 本论文依托国家“863”高技术研究发展计划资助项目:“面向微流控芯片的微模具制造装备研究”(2002AA421150)和教育部博士点基金资助项目:“聚合物三维微流控芯片制造新方法及工艺研究”(20030335091),研究CO_2激光直写聚合物材料制作微流控芯片的关键技术。 本文概述了激光微细加工技术的方法和应用,综述了激光直写加工聚合物微流控芯片国内外发展和现状,对CO_2激光直写聚合物微流控芯片进行了研究,完成了如下研究工作。 对CO_2激光与聚合物相互热作用进行了解析推导,并研究了热扩散速度。对聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl methacrylate,PMMA)热降解机理、热解反应动力学进行了分析,并对CO_2激光直写PMMA原理和影响因素进行了研究,为进一步研究CO_2激光直写PMMA打下了基础。 在CO_2激光直写聚合物作用机理基础上,推导了激光直写聚合物三维微流道深度模型,根据微元控制面矢量关系,获得了三维微流道模型解析解,揭示了流道深度与激光功率、扫描速度、激光加工次数和材料热物理参数的内在关系,对激光直写聚合物微流控芯片具有重大指导意义。 针对聚合物在激光加工时容易因热应力而产生热变形的问题,建立了激光加工聚合物的三维瞬态温度场模型和热应力模型,并采用求相应泛函极值的方法进行了有限元方程构建。对这些模型进行了连续CO_2激光作用条件下的有限元法数值模拟,分析加工参数与温度场分布、流道外形和热应力的关系,用以指导在加工中避免或减少热变形的产生。模拟结果表明了该方法的合理性和有效性。 构建了基于直线电机驱动的激光直写聚合物微流道精密加工实验系统,对精密工件台控制系统进行了硬件设计和软件设计。针对直线电机定位误差,提出基于最小二乘支持向量机理论,建立直线电机定位精度预测模型。根据预测模型,实现误差补偿,使直线电机进给定位精度提高到2.5μm。 在构建的激光直写聚合物微流道精密工件台上开展了CO_2激光直写PMMA实验研究,然后对实验结果进行了分析。研究表明,实验结果与理论模型比较吻合,证明了理论模型的正确性。并进一步对实验结果进行了研讨,获得了理论模型最优激光加工参数分布范围。研究了重复扫描加工时,冷却时间、流道宽度变化、加工条件的影响。结果表明,多次加工可以改变流道宽度。然后分析了激光加工工艺顺序对T型流道的影响。最后,成功实现了CO_2激光直写PMMA微流控芯片的制造新方法。


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