塑料微流控芯片超声波键合机理的仿真与实验研究硕士学位论文.docx

塑料微流控芯片超声波键合机理的仿真与实验研究硕士学位论文.docx

《塑料微流控芯片超声波键合机理的仿真与实验研究硕士学位论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《塑料微流控芯片超声波键合机理的仿真与实验研究硕士学位论文.docx（71页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

塑料微流控芯片超声波键合机理的仿真与实验研究硕士学位论文

硕士学位论文

塑料微流控芯片超声波键合机理的

仿真与实验研究

SimulationandExperimentsResearchontheUltrasonicBondingMechanismofMicrofluidicChips

大连理工大学

DalianUniversityofTechnology

大连理工大学学位论文独创性声明

作者郑重声明：

所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。

尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。

与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。

若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。

学位论文题目：

作者签名：

日期：

年月日

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要

将超声波塑料焊接技术引入微流控芯片的封装具有不引入外部介质、键合强度高、键合时间短、材料适用范围广的优势。

但就超声波塑料焊接技术而言，人们对其机理的理解还不十分深入。

研究超声波塑料焊接的机理，可以更清楚的理解微流控芯片超声波键合时材料的熔融行为和焊接参数对键合过程的影响，为实现高质量键合服务。

因此本文就超声波塑料焊接的机理做了部分基础性研究工作。

首先针对聚合物材料，提出了一种粘弹性力学模型，该模型以广义Maxwell模型为基础，借助Boltzmann叠加原理和“时-温等效性原理”，可以将聚合物的动态模量表示为温度和频率的函数。

然而在利用“时-温等效性原理”将松弛曲线片段平移为松弛主曲线时存在平移不准确的问题，因此文中对“时-温平移因子”进行了修正。

推导了周期应变载荷下的粘弹性产热方程，从中得出，粘弹性热是在一定的温度范围内很短的时间里产生的，且低温段的粘弹性产热并不明显。

对承受静压力和高频振动载荷的带矩形导能筋的有限元模型进行了动力学仿真，结果显示角点处的瞬时摩擦应力和相对滑动速度可以达到很高的数值，从而提出低温段超声波塑料焊接的热源来自界面上的摩擦热的观点。

分别对摩擦热和粘弹性热提出了相应的仿真策略，结果表明超声波焊接接头上的温度场为非均匀温度场，粘弹性热使材料内的温度在很短的时间内攀升到很高的温度。

用热电偶温度传感器进行了超声波塑料焊接接头温度场的实际测量，所得结果与仿真结果具有类似的趋势。

对不同焊接压力和振幅作用下的模型温度场进行了仿真，结果显示温升速率随焊接压力和振幅的提高而提高，且振幅的影响要大于焊接压力的影响。

最后，针对塑料微流控芯片的封装给出了两种不同的导能筋形式，从机理方面分析了其可行性，并对该两种形式导能筋的芯片进行了超声波键合实验。

关键词：

微流控芯片封装；超声波塑料焊接；摩擦热；粘弹性热；温度场测试

SimulationandExperimentsResearchontheUltrasonicBonding

MechanismofMicrofluidicChips

Abstract

It’samodernthingthatintroducesultrasonicplasticweldingtechnologytothefieldofmicrofluidicchipencapsulation,whichhassomeadvantages,suchasexternalsubstancefree,higherbondingstrength,shorterbondingtime,widerapplyingmaterial,etc.Totheultrasonicplasticweldingtechnology,however,thejoiningmechanismisnotwellunderstood.Researchonthemechanismhelpsunderstandthemeltingbehaviorandtheeffectsofweldingparameterontheweldingprocess,whichwouldgreatlybenefitweldingqualityimprovement.Aimingatprovidingtheoriestotheadvancedimplicationofthetechnology,thedissertationfocusesonresearchingthejoiningmechanismofultrasonicplasticwelding.

Firstly,apracticalviscoelasticmodeltothepolymermaterialisproposed.BasedongeneralizedMaxwellmodelandBoltzmannsuperpositionprincipleandTTEP（Time-TemperatureEqualPrinciple）,thedynamicmoduluscouldbeexpressedasthefunctionoftemperatureandfrequency.However,whenshiftingrelaxationmodulussegmentsofPMMA（polymethylmethacrylate）togainamastercurve,inaccuracyappears,sothenormalTime-TemperatureShiftingFactorsismodifiedinthedissertation.Theviscoelasticthermo-genesisequationofviscoelasticmaterialunderperiodicalstrainloadisdeduced.Fromthenumericalsolutionitcouldbeconcludedthat,viscoelasticheatisgeneratedinaveryshorttimeinspecifiedtemperaturerange,andviscoelasticheatisnotapparentatlowtemperature.OtherheatgeneratingmechanismmayexistattemperaturebelowTg.Subsequently,kineticsimulationwasproceededtotheFiniteElementModelwitharectangularenergydirector,whichbearsbothweldingpressureandhigh-frequencyvibratingloads.Inthesimulation,corneroftheenergydirectorproduceshighinstantaneousfrictionstressandrelativeslidingvelocity.Soviewpointwasderivedthattheheatgeneratingmechanismatlowtemperatureisfrictionheatrightattheinterface.Simulatingstrategytothefrictionheatandviscoelasticheatwasputforward.Theresultsshowedthattemperaturefieldontherectangularenergydirectorisnonuniform,andviscoelasticheatmakesthetemperaturerisesinaveryshorttime.Tovalidatetheproposedheatgeneratingmechanismandthesimulatingmethod,experimentswereproceededwithmeasurementsoftemperaturetendencyofenergydirectorduringweldingprocess.Simulationofthetemperaturefieldwhentheweldingparameters,thatisweldingpressureandamplitude,variesisproceeded,indicatingthattemperatureriseratetendstoincreasewiththeappliedweldingpressureandamplitude.Atlast,twokindsofenergydirectorshape,triangularandrectangular,fortheencapsulationofmicrofluidicchipsispresented,andtheirfeasibilityisdiscussedtheoretically.Encapsulatingexperimentsofthetwokindsofmicrofluidicchipswereproceeded.

KeyWords：

Encapsulationofmicrofluidicchips;Ultrasonicplasticwelding;Frictionheat;Viscoelasitcheat;Temperaturetendencymeasuring

目录

摘要I

AbstractII

1绪论1

1.1微流控芯片概述1

1.1.1聚合物微流控芯片制备技术2

1.1.2聚合物微流控芯片封装（键合）技术2

1.2超声波塑料焊接技术3

1.2.1超声波焊接装备4

1.2.2超声波塑料焊接机理的研究5

1.3本课题的研究内容及意义7

2超声波塑料焊接热机理的研究8

2.1聚合物材料的力学模型9

2.1.1静态松弛模量10

2.1.2时-温等效性原理10

2.1.3时-温平移方程的修正14

2.1.4松弛模量参数的获得17

2.1.5从静态粘弹性到动态粘弹性17

2.2粘弹性热的推导21

2.3超声波塑料焊接中的热22

2.4本章小结24

3超声波塑料焊接热过程的有限元模拟25

3.1有限元模型的建立25

3.2仿真策略26

3.2.1摩擦热26

3.2.2粘弹性热28

3.3仿真结果及分析29

3.3.1摩擦热30

3.3.2粘弹性热31

3.4本章小结32

4超声波塑料焊接接头温度场的测试33

4.1温度测量方案33

4.1.1试件的制作及传感器的埋置33

4.2.1温度测量系统34

4.2微细热电偶的标定35

4.2.1基于LabVIEW的自动标定程序35

4.2.2标定实验及结果37

4.3焊接接头温度场的测试结果及分析39

4.4无界面超声波焊接的对比性实验41

4.5本章小结42

5焊接参数对接头温度场的影响44

5.1焊接压力的影响44

5.2振幅的影响46

5.3本章小结47

6塑料微流控芯片的超声波键合实验48

6.1带三角形导能筋的微流控芯片的封装实验48

6.1.1集成微沟道和三角形导能筋的基片的制作48

6.1.2封装实验50

6.2带矩形导能筋的微流控芯片的封装实验50

6.3本章小结51

结论52

参考文献54

攻读硕士学位期间发表学术论文情况57

致谢58

大连理工大学学位论文版权使用授权书59

1绪论

本论文的主要研究对象为微流控芯片、超声波塑料焊接技术，因此本章首先介绍二者的相关背景，然后引出超声波塑料焊接技术在微流控芯片制备上的应用，最后给出本论文的研究内容及意义。

1.1微流控芯片概述

自从瑞士的Manz和Widmer于20世纪90年代初首次提出微型全分析系统（miniaturizedtotalanalysissystem，μTAS）的概念以来，经历了发展初期的冷落与彷徨，在短短的10余年中已发展为当前世界上最前沿的科技领域之一。

μTAS的目的是通过化学分析设备的微型化与集成化，最大限度地把分析实验室的功能转移到便携的分析设备中，甚至集成到方寸大小的芯片上。

由于这种特征，本领域的一个更为通俗的名称是“芯片实验室”（1ab-on-a-chip，LOC）。

微流控芯片（microfludicchip）是μTAS中最为活跃的领域和发展前沿，在某种程度上，微型全分析系统和微流控芯片实质为同一概念[1]，它最集中地体现了将分析实验室的功能转移到芯片上的思想。

经过近10年的快速发展，微流控芯片已开始应用于生命科学、农业、临床医学、法医学、药物学、预防医学、环境科学等诸多领域。

微流控芯片是利用微加工技术在芯片上制做微阀、微通道、微反应器、微传感器、微检测器等功能单元而构成的微型化学系统，在该系统中可完成样品的前处理、化学反应、分离、检测等功能。

利用微流控芯片系统进行生化分析具有试剂消耗量少（其分析试剂进样量仅为纳升级）、效率高（分析检测大多在秒级内完成）、微型化、集成化等特点。

图1.1、1.2展示了大连理工大学微系统研究中心制作的两种微流控芯片。

图1.1直沟道芯片图1.2弯沟道芯片

Fig.1.1AtypeofmicrofluidicchipFig.1.2Atypeofmicrofluidicchip

withstraightchannelswithcurvechannels

目前报道用于微流控芯片的基体材料主要有硅、玻璃、高聚物等，高聚物种类主要有：

PMMA、PC、PDMS、COC等。

基体材料的选择主要取决于芯片的机械强度、化学稳定性、光学性能、生物兼容性、易加工和容易键合的特点。

传统的硅具有良好的化学惰性、热稳定性、与IC工业良好的兼容性的优点，但存在加工工艺复杂和生物兼容性差以及难键合的缺点；玻璃虽具有良好的光学及电学性能，但存在加工成本高、键合成品率低的缺点；而高聚物以其成本低、种类多、加工工艺简单和良好的生物兼容性的优点正日益成为制作微流控芯片的主流材料。

1.1.1聚合物微流控芯片制备技术

20世纪90年代初期，人们试图用聚合物代替硅、玻璃作为基片来制作微流控器件。

到90年代后期，相继出现了许多针对高聚物的加工方法，主要有：

模塑法[2]、热压法[3][4][5]和激光微加工法[6]等。

其中热压法可实现批量复制，设备及操作相对简单，便于实现较高程度的自动化生产。

国内大连理工大学微系统研究中心较早开展了这方面的研究[3]。

热压法制备微流控芯片的工艺过程如图1.3，其中微沟道从模板到基片上的复制和基片与盖片的键合是制备微流控芯片的关键技术。

图1.3聚合物微流控芯片制备的工艺过程

Fig.1.3Processtomanufacturepolymermicrofluidicchips

1.1.2聚合物微流控芯片封装（键合）技术

如上所述，微流控芯片的键合是芯片制备的最后也是重要一步，直接影响微流控芯片的使用性能。

现有的聚合物微流控芯片键合技术主要有：

（1）粘结剂胶连键合[7]：

引入粘结剂实现器件的连接。

实际上，该方法在微流控芯片领域很难应用，因为很难防止胶粘过程中微沟道的堵塞情况。

且该方法精度低，质量一致性差。

（2）溶剂键合[8]：

也是引入外部介质的键合方法，利用有机熔剂溶化塑料片的接触面而实现器件连接。

同样无法避免微沟道的堵塞情况，过程难控制，质量一致性差。

（3）激光键合[9]：

上片采用对激光不吸收的材料，下片采用吸收激光的材料。

激光透过上片而在上下片结合面处产生热量，使界面熔融达到连接目的。

该方法清洁、焊接精度高，据报道连接界面的熔化膜尺寸仅为30-40um，但需要特殊的材料，成本相对较高。

（4）热键合[4]：

将芯片温度加至玻璃化转变温度（无定形聚合物）或熔融温度（半结晶型聚合物）附近，通过施加一定的压力，实现基片与盖片的直接键合。

该方法操作简单，但沟道易变形，键合过程耗时间长，键合强度低。

（5）超声波键合：

宏观世界因显著的优势而应用广泛，但至少在2000年前尚未有引入微流控芯片键合领域的报道，HolgerBecker等[5]认为主要原因是超声波键合对环境的洁净程度要求高。

但2006年德国学者R.Truckenmuller等[10][11]对PMMA和PEEK材料的微流控芯片、微单向阀以及盘形微瓣膜泵等微传感器与微执行器用超声键合技术进行了试验，结果表明利用超声波键合不仅器件的性能参数能够完全满足使用要求，而且键合强度高，键合深度误差仅为1um。

本文将重点讨论这种键合方法。

1.2超声波塑料焊接技术

微流控芯片超声波键合的主要设备为超声波塑料焊接机，因此有必要对超声波塑料焊接技术简单做一介绍。

超声波塑料焊接是从超声波金属焊接发展起来的。

50年代发现的超声金属焊接，已广泛用于集成电路引线焊接，近年来用于塑料-金属复合管的