微流控芯片因具有高效篩選、自動化程度高、易于使用、可平行分析、反應時間短和低樣品或試劑消耗等優(yōu)點,在醫(yī)學領域等被廣泛應用,因此加工出符合要求的微流道模具能提高芯片的加工效率、降低加工成本。掩膜電解加工技術是光刻工藝和電化學蝕刻工藝的組合,加工過程無電極損耗,非接觸、無外力,無熱影響,適用于難加工金屬材料及復雜圖案模具的成型等。本文以寬度500±10μm、深度200±10μm醫(yī)用微流道模具掩膜電解加工為研究對象,考慮了流場、陰陽極產(chǎn)物、溫度場和電場的相互關系建立了有限元模型,對微流道掩膜電解加工過程進行了數(shù)值模擬并展開了系列試驗研究。主要研究內(nèi)容及結果如下:(1)多物理場有限元模型建立。以微流道模具掩膜電解加工(ECMTM)為對象,考慮流場通過中間物理量(氫氣氣泡率、鐵離子濃度和溫度)對電場的影響,應用Comsol數(shù)值計算軟件,建立了多物理場耦合有限元模型。(2)根據(jù)建立的有限元模型,分析了陰陽極間隙電解液中流速、電解產(chǎn)物、溫度和電場的分布情況,探討了電解液入口速度對氣泡率、鐵離子濃度和溫度的影響,及其通過上述三者進一步對電導率的影響。微流道直線段較兩端圓弧段流速分布均勻;電解產(chǎn)物濃度和溫度從入口處到出口處呈遞增趨勢,受流速分布影響,微流道段分布不均勻;隨著電解液入口速度增大,電解液電導率穩(wěn)定性好,微流道尺寸分布越均勻;電場影響著微流道溝槽的成型形狀和速度。在自行設計的裝置平臺上進行驗證實驗,實驗結果與模擬結果溝槽形狀吻合較好,深度方向最大誤差為10.07μm,百分比誤差為5.03%。(3)微流道陽極掩膜的工藝試驗研究。根據(jù)模擬結果確定了電流密度、加工間隙、電解液濃度和加工時間的范圍,試驗研究了304不銹鋼微流道溝槽的幾何形貌及雜散腐蝕程度的影響因素。結果表明:溝槽的雜散腐蝕程度主要與電流密度有關,電流密度為9A/cm2時,雜散腐蝕程度最小,側向腐蝕系數(shù)EF為3.77;組合各參數(shù),電解加工出平均尺寸為498.48μm,208.92μm的304不銹鋼微流道溝槽,深度方向加工速度83.57μm/min,側壁垂直且表面平整,將模具寬度和深度控制在500±10μm、200±10μm之間;參考該較優(yōu)參數(shù)組合,調(diào)整了時間參數(shù),在HPM75模具鋼上加工得到平均尺寸為513.74μm,200.53μm的微流道溝槽,基本滿足技術要求。本文以微流道模具掩膜電解加工為研究對象,數(shù)值模擬研究了流場參數(shù)對成形均勻性的影響,試驗控制了微流道溝槽的幾何形貌和雜散腐蝕程度,為大去除量復雜圖案模具的掩膜電解加工成形提供了理論與試驗依據(jù)。
【學位單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：TG662;TH77
【部分圖文】：

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本文編號：2810330