本文關鍵詞：微流控芯片電鑄模具鑄層的均勻性研究

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【摘要】：微流控芯片是實現分析儀器微型化、集成化及便攜化的主要裝置。隨著微機電加工技術的發(fā)展,微流控芯片的制作技術逐漸多樣化、成熟化。模具是批量化生產聚合物微流控芯片不可缺少的部件。基于微電鑄技術制作的鎳模具因使用壽命長、表面質量好等優(yōu)點,成為了大批量生產芯片的首選模具。但是,微電鑄技術制作的模具存在鑄層厚度均勻性差的問題,這會影響模具的尺寸精度,進而影響芯片的使用性能。本文通過實驗和有限元仿真的方法,以兩種微流控芯片模具為研究對象,探索超聲電鑄及輔助陰極對模具鑄層均勻性的影響。本文研究工作包括以下幾方面：(1)研究超聲對擴散層厚度的影響。超聲電鑄過程中,超聲通過促進反應離子向陰極移動來減小微結構表面的擴散層厚度,進而提高鑄層的均勻性。為了更好地理解超聲對微流控芯片模具鑄層均勻性的影響,研究了超聲對擴散層厚度的影響。擴散層的厚度通過測量鎳陰極極化曲線獲得。實驗結果表明,超聲可以減小擴散層的厚度,并且擴散層的厚度隨超聲頻率的增加先增大后減小,隨超聲功率的增大而減小。(2)研究超聲電鑄對圓形微流控芯片模具鑄層均勻性的影響。模具鑄層的均勻性由5個區(qū)域結構單元鑄層的均勻性來反應。實驗中采用不均勻度公式來衡量結構單元的鑄層均勻性。實驗結果表明,超聲可以提高模具的鑄層均勻性,并且對小線寬結構單元有更顯著的影響。添加40kHz/250W超聲后,線寬為50μm,100μm,200μm,400μm和700μm的結構單元的鑄層均勻性分別提高了67.4%,32%,11.4%,13.4%和12.8%。(3)以蝶式微流控芯片模具為研究對象,通過兩組超聲電鑄實驗分別研究超聲頻率和功率對模具鑄層均勻性的影響。實驗結果表明,超聲可以提高芯片模具鑄層的均勻性,并且超聲參數對模具鑄層均勻性的影響規(guī)律與其對擴散層厚度的影響規(guī)律一致。在200kHz/500W超聲的作用下,電鑄2h后,模具鑄層的均勻性提高了32.3%。(4)以蝶式微流控芯片模具為研究對象,對環(huán)狀輔助陰極改善模具鑄層均勻性的效果進行有限元仿真研究。然后,根據仿真結果和實驗設備設計輔助環(huán),以制作鑄層厚度均勻的模具,并驗證仿真結果。仿真結果表明,輔助環(huán)可以改善模具鑄層的均勻性,并且鑄層的均勻性隨輔助環(huán)與模具水平距離的減小先減小后增大、隨輔助環(huán)寬度的增大而減小。同時,隨電鑄時間的延長,輔助環(huán)可以更顯著地改善模具鑄層的均勻性。實驗結果表明,電鑄22h后,輔助環(huán)使模具鑄層的均勻性提高了51.5%,該值與仿真結果有較好的一致性。
【關鍵詞】：微流控芯片模具 鑄層均勻性 擴散層 超聲攪拌 輔助陰極
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN492
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 緒論9-18
• 1.1 微流控芯片與金屬模具9-10
• 1.2 鑄層不均勻機理10-14
• 1.3 鑄層厚度均勻性的研究現狀14-16
• 1.4 超聲電鑄的研究進展16-17
• 1.5 論文研究內容17-18
• 2 超聲電鑄對擴散層厚度的影響18-30
• 2.1 擴散層的理論基礎18-20
• 2.2 鎳陰極極化曲線的測量20-23
• 2.3 測量結果與討論23-29
• 2.3.1 鎳陰極極化曲線及超聲對極化曲線的影響23-25
• 2.3.2 超聲頻率對陰極表面擴散層的影響25-28
• 2.3.3 超聲功率對陰極表面擴散層的影響28-29
• 2.4 本章小結29-30
• 3 超聲電鑄對圓形微流控芯片模具鑄層均勻性的影響30-41
• 3.1 實驗過程30-33
• 3.2 實驗結果與討論33-40
• 3.2.1 鑄層均勻性的評價方法33
• 3.2.2 實驗結果33-35
• 3.2.3 結果分析35-40
• 3.3 本章小結40-41
• 4 超聲電鑄對蝶式微流控芯片模具鑄層均勻性的影響41-50
• 4.1 光刻掩膜版設計41-45
• 4.2 實驗過程45-46
• 4.3 實驗結果與分析46-48
• 4.4 本章小結48-50
• 5 輔助陰極對蝶式微流控芯片模具鑄層均勻性的影響50-60
• 5.1 輔助陰極對模具鑄層均勻性影響的仿真50-57
• 5.1.1 仿真模型50-51
• 5.1.2 輔助陰極與模具的水平距離對模具鑄層均勻性的影響51-54
• 5.1.3 輔助陰極的寬度對模具鑄層均勻性的影響54-56
• 5.1.4 沉積時間對輔助陰極改善模具鑄層均勻性的影響56-57
• 5.2 輔助陰極改善模具鑄層均勻性的實驗驗證57-59
• 5.2.1 實驗過程57-58
• 5.2.2 實驗結果與分析58-59
• 5.3 本章小結59-60
• 結論60-62
• 參考文獻62-66
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表學術論文情況66-67
• 致謝67-68

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本文編號：1062657