發(fā)布時(shí)間：2018-06-03 12:07

  本文選題：微流控分析芯片 + MEMS��； 參考：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：微流控分析芯片是一種多功能的微全分析系統(tǒng)(μ-TAS,micro total analysis system)。它利用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)技術(shù)將進(jìn)樣、混合、分離和檢測(cè)等實(shí)驗(yàn)手段與功能集成在一塊尺寸為數(shù)平方厘米的芯片上。目前,微流控分析芯片技術(shù)已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱没瘧?yīng)用,在生物、醫(yī)學(xué)和環(huán)保等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。μ-TAS技術(shù)的普及應(yīng)用離不開微制造工藝技術(shù)的發(fā)展,以便于在常規(guī)實(shí)驗(yàn)條件下就可以完成芯片的制造與封接。本文首先闡述了高聚物微流道加工、封接技術(shù)以及微流道制作技術(shù)建模研究的國(guó)內(nèi)外研究狀況。針對(duì)現(xiàn)有芯片制作工藝,提出了基于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA,polymethyl methacrylate)材料的微流道熱雕刻制作技術(shù)和改進(jìn)的微波熱鍵合技術(shù)。其次,本文采用傳熱學(xué)和流變學(xué)理論對(duì)基于PMMA材料的微流道熱雕刻過程進(jìn)行了理論分析和建模研究,并在不同工藝參數(shù)下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。最后,本研究采用熱雕刻技術(shù)和改進(jìn)的微波加熱鍵合技術(shù)制作了基于安培檢測(cè)的微流控分析芯片,通過搭建的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)芯片的性能進(jìn)行了測(cè)試。本文主要完成的研究工作如下。對(duì)于熱雕刻過程涉及的傳熱學(xué)與流變學(xué)過程進(jìn)行了理論分析。通過分析PMMA材料在不同相態(tài)下的定壓比熱容、比體積和導(dǎo)熱率等參數(shù)的變化,為建模研究熱雕刻過程中PMMA粘性流流動(dòng)特性提供了理論依據(jù)。結(jié)合流變學(xué)原理,分析了在熱雕刻過程中玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)PMMA材料的流變特性。通過對(duì)于非粘流態(tài)PMMA材料的彈性特性和斷裂機(jī)理的分析,確定了工藝溫度參數(shù)應(yīng)大于PMMA材料的粘流轉(zhuǎn)變溫度。通過對(duì)于粘流態(tài)PMMA材料的流動(dòng)機(jī)理的分析,為建立基于PMMA材料的微流道熱雕刻過程模型奠定了理論基礎(chǔ)。結(jié)合有限元方法建立了基于PMMA材料的微流道熱雕刻模型。通過建立傳熱模型,分析了微尺寸刀頭在不同溫度參數(shù)下的溫度梯度變化。借助于該仿真結(jié)果,對(duì)刀頭與PMMA粘性流的傳熱過程進(jìn)行了建模仿真。通過建模仿真,研究了不同工藝參數(shù)對(duì)PMMA粘性流流場(chǎng)分布與粘性流體壓力的影響。最終,模擬結(jié)果給出了溫度、速度等工藝參數(shù)與熱雕刻過程中的不可壓縮非牛頓粘性流的溫度分布、粘性流流場(chǎng)和粘性流體壓力分布的關(guān)系。仿真數(shù)據(jù)表明,在速度參數(shù)恒定時(shí),當(dāng)?shù)额^溫度處于89℃-96℃區(qū)間時(shí),刀頭迎面周圍的粘性流受到的壓力隨溫度會(huì)出現(xiàn)趨勢(shì)性變化。當(dāng)?shù)额^運(yùn)動(dòng)速度增加時(shí),粘性流受到的壓力隨速度呈非線性增加。通過系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、控制模塊搭建以及關(guān)鍵組件制作,建立了基于PMMA材料的微流道熱雕刻實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。利用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái),研究了不同工藝參數(shù)對(duì)微流道質(zhì)量的影響。結(jié)果表明,在熱雕刻速度為4.2 mm/s,刀頭溫度為91℃時(shí)可以獲得平均表面粗糙度為0.33μm的微流道。通過對(duì)微流道進(jìn)行平均表面粗糙度、潤(rùn)濕性與電滲特性等測(cè)試,證實(shí)了熱雕刻技術(shù)用于微流道制作的可行性。采用高聚物微流道熱雕刻技術(shù)制作了基于安培檢測(cè)的微流控分析芯片,并采用無水乙醇微波輔助熱鍵合方法實(shí)現(xiàn)了微流控芯片的封接。該方法能夠提供1215N/cm2的鍵合強(qiáng)度,同時(shí)鍵合形變量小于4%。采用搭建的安培檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多羥基化合物的分離與檢測(cè)。測(cè)試結(jié)果表明,制作的微流控分析芯片能夠在1000 V直流高壓下,在185 s內(nèi)對(duì)含有蔗糖、麥芽糖和木糖三種組分的樣品溶液完成分離檢測(cè)。綜上,本文通過對(duì)微流道熱雕刻過程的理論分析、建模仿真和實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)現(xiàn)了一種低成本、高效率、高精度的微流控分析芯片制作方法,為μ-TAS的普及提供了技術(shù)積累。
[Abstract]:Microflow control analysis chip is a kind of multi - functional micro total analysis system ( 渭TAS , micro total analysis system ) . In this paper , the microflow control analysis chip based on PMMA ( PMMA ) material is analyzed and studied by means of heat transfer and rheological theory , and the influence of different process parameters on PMMA viscous flow field distribution and viscous fluid pressure is analyzed . In 185 s , the separation and detection of sample solution containing three components of sucrose , maltose and xylose was carried out . Based on the theory analysis , modeling simulation and experimental study of micro - flow channel thermal carving process , a low - cost , high - efficiency , high - precision microfluidic analytical chip manufacturing method was realized , which provided the technology accumulation for the popularization of 渭 - TAS .
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ317;TN492

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本文編號(hào)：1972721