（机械电子工程专业论文）微流控芯片超声波键合能量引导微结构设计与工艺.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 当前，聚合物微流控芯片在各种不同的应用领域成功取得了越来越多的认同，例如 分析化学、生物学、制药、化学合成系统等。除了功能的改善与提高，这一成功主要归 功于微流控芯片制造成本的降低。在微流控芯片的制造过程中，键合是关键步骤之。 到目前为止，针对微流控芯片的键合，尝试了许多方法，如直接热键合、胶粘接、激光 焊接键合、表面改性等。用超声波塑料焊接方法实现微流控芯片的键合，是新兴的键合 方式。与常用的直接热键合相比，具有效率高、变形小、可实现选择封装等优点。 为了实现聚合物微流控芯片的超声波键合，本文设计制作出同时带有能量引导微结 构和微沟道的p m m a 基片，成功实现了带有十字微沟道的p m m a 微流控芯片的超声波 键合。主要工作包括： 1 能量引导微结构的设计 首先通过对超声波塑料焊接的原理与焊接头设计原则的研究，设计出截面形状为等 腰三角形、顶角为7 0 5 2 。、底边宽1 5 0 l a i n 的能量引导微结构，与待键合微沟道位于同 一基片上，确定用硅模具热压的方法制备p m m a 基片，实现微结构的制作。 2 硅模具的制作工艺 通过套刻和二次各向异性腐蚀方法，制作出用于热压同时带有能量引导微结构和微 沟道的p m m a 基片的硅模具，外形尺寸为5 2 m m x 2 7 m m x l m m 。 3 热压法制备p m m a 基片 借助t a g u c h i 正交实验设计对热压参数进行优化，在热压温度1 4 0 c ，压力1 6 5m p a , 保压时间3 0 0s 的参数条件下，制作出了具有较高复制精度的同时带有能量引导微结构和 微沟道的p m m a 基片，外形尺寸为5 0 m m x 2 5 m m x 2 m m 。 4 超声键合实验 借助商用b r a n s o n 2 0 0 0 x f 焊机对所设计的p m m a 基片实现了超声键合，证明所设计 结构可行、有效。 关键词：微流控芯片；能量引导微结构；硅模具；热压；超声波键合 微流控芯片超声波键合能量引导微结构设计与工艺 d e s i g na n df a b r i c a t i o no f m i c r oe n e r g yd i r e c t o ro nm i c r o f l u i d i cc h i pf o r u l t r a s o n i cb o n d i n g a b s tr a c t n o w a d a y s ，p o l y m e rm i c r o f l u i d i cc h i p se n j o yag r e a ts u c c e s se x p e r i e n c i n ga l li n c r e a s e d a c c e p t a n c e i nv a r i o u sa p p l i c a t i o nf i e l d s ，s u c ha s a n a l y t i c a lc h e m i s t r y ，b i o l o g i c a l ， p h a r m a c e u t i c a ld e v e l o p m e n ta n dc h e m i c a ls y n t h e s i ss y s t e m s a p a r tf r o mt h ef u n c t i o n a l e n h a n c e m e n t s ，t h ei m p r e s s i v eg r o w t ho ft h em i c r o f l u i d i cc h i p sa l s oo w e st ot h ed r a m a t i c r e d u c t i o no ft h e i rf a b r i c a t i o nc o s t d u r i n gi t sf a b r i c a t i o np r o c e s s ，b o n d i n gi st h ek e y p r o c e d u r et oa l m o s ta l lm i c r o f l u i d i cc h i p s u pt on o w , s e v e r a lm e t h o d sf o rt h eb o n d i n go f p o l y m e rs u b s t r a t e sh a v e b e e ns t u d i e d , i n c l u d i n gt h e r m a lb o n d i n gi nc o n v e c t i o no v e no ri nh o t e m b o s s i n gm a c h i n e ，g l u i n g ，l a s e rl a m i n a t i o n , a n ds u r f a c em o d i f i c a t i o n m i c r ou l t r a s o n i c b o n d i n gi sap r o m i s i n gt e c h n i q u ei nt h i sc a t e g o r y o t h e rt h a nc o n v e n t i o n a ld i r e c tt h e r m a l b o n d i n g ，t h i sm e t h o dh a sh i g h e re f f i c i e n c y ，l o w e rd e f o r m a t i o na n dc a nr e a l i z es e l e c t i v e p a c k a g e i no r d e rt ot a k eu l t r a s o n i cb o n d i n go fp o l y m e rm i c r of l u i d i cc h i pi n t or e a l i t y ，a l l a u x i l i a r ym i c r o s t r u c t u r en a m e dm i c r oe n e r g yd i r e c t o rw a sd e s i g n e da n df a b r i c a t e do nt h e p m m as u b s t r a t e ，a n dt h em i c r o c h a r m e lf a b r i c a t e do nt h es a m es u b s t r a t em e a n w h i l e b yu s i n g o fb r a n s o n 2 0 0 0 x fu l t r a s o n i ca s s e m b l ys y s t e m ，t h ep m m am i c r of l u i d i cc h i p 晰t hc r o s s m i c r o c h a n n e lh a sb e e nb o n d e ds u c c e s s f u l l y t h em a j o rw o r ko nd e s i g na n df a b r i c a t i o no fm i c r oe n e r g yd i r e c t o rh a sb e e nd o n ea s f o l l o w s ： 1 d e s i g no fm i c r oe n e r g yd i r e c t o r t h es t r u c t u r ea n ds i z eh a v eb e e nd e c i d e db yi n v e s t i g a t i n go ft h ep r i n c i p l eo fu l t r a s o n i c p l a s t i cw e l d i n ga n di t sp a r td e s i g ng u i d e l i n e s ，1 1 1 ei s o s c e l e st r i a n g l ec r o s ss e c t i o ns h a p e d m i c r oe n e r g yd i r e c t o ri s7 0 5 2 。i nt o pa n g l ea n d15 0 1 比mi nl e n g t ho fb a s e t 1 1 i ss t r u c t u r ec a l l b et a k e ni n t or e a l i t yb yh o te m b o s s i n gw i t hs i l i c o nm o l d 2 f a b r i c a t i o np r o c e s so fs i l i c o nm o l d n l ed i m e n s i o no fs i l i c o nm o l di s5 2 m m x 2 7 m m l m m a n dt h em o l dw i n lm i c r oe n e r g y d i r e c t o r sa n dm i c r o c h a n n e l sf o rh o te m b o s s i n gh a sb e e nf a b r i c a t e db ym u l t i p h o t o l i t h o g r a p h y a n dt w ot i m e so fa n i s o t r o p i ce t c h i n g 3 f a b r i c a t i o no fp m m as u b s t r a t eb yh o te m b o s s i n g i i 大连理工大学硕士学位论文 b yd i mo ft a g u c h io p t i m i z a t i o nm e t h o d ，t h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r sf o rh o te m b o s s i n g w e r ed e c i d e d u n d e rt h ee m b o s s i n gt e m p e r a t u r eo f14 0 ，h o l d i n gt i m eo f3 0 0 s ，a n d e m b o s s i n gp r e s s u r eo f1 6 5 m p 钆t h em i c r o s t r u e t u r e sc a l lb er e p l i c a t e d 谢也k 曲a c c u r a c y t h ef e a t u r es i z eo fp n 嗄as u b s t r a t ei s5 0 m m x 2 5 m m x 2 m m 4 u l t r a s o n i cb o n d i n gf o rm i c r o f l u i d i cc h i p 砀ep m m as u b s t r a t ea n dc o v e rh a v eb e e nb o n d e do nb r a n s o nu l t r a s o n i ca s s e m b l y s y s t e m ( 2 0 0 0 x f ) s u c c e s s f u l l y ，t h e nt h es t r u c t u r eo fm i c r oe n e r g yd i r e c t o rw h i c h h a sd e s i g n a n df a b r i c a t e di nt h i sp a p e ri sp r o v e d k e yw o r d s ：m i c r o f l u i d i cc h i p ；m i c r oe n e r g yd i r e c t o r ；s i l i c o nm o l d ；h o te m b o s s i n g ； u l t r a s o n i cb o n d i n g 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：互塑亟委宣蕉：陵垄邀鼙盆各墟至l 红兰丛匹趁逵丝三丝 作者签名： 隧l 型兰 日期：兰塑年j 二月j 量日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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。 学位论文题目：微流控芯压嫠直这键佥能量曼l 昱微结掐选i 土复至艺 作者签名： 曼虱坠 日期：堂堂年j 上月j 上日 导师签名：至坚鱼 日期： 三! ! 鱼年! 月j 上日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 m e m s 技术在生命科学中的应用是m e m s 技术商业化的最成功领域之一。根据 h e l m u tk a i s e rc o n s u l t a n e y 市场调查报告，2 0 0 2 年生物芯片的全球市场为13 亿美元， 预计2 0 1 0 年生物芯片的全球市场达到11 0 亿美元，2 0 2 0 年生物芯片的全球市场将高达 达到4 1 0 亿美元。聚合物微流控芯片作为一种主动式芯片与传统的芯片相比不仅具有自 动化程度高、应用性强、高通量、携带方便等功能上的优势，而且具有聚合物材料所特 有的制作成本低、工艺简单、取材广泛等优点。聚合物微流控芯片已经逐渐从研发阶段 走向产业化，并在生化分析、药物筛选、疾病检测等方面获得了广泛的应用。在产业化 的过程中，微流控芯片的键合技术一直是批量化生产中的瓶颈问题，因为作为生化器件， 微流控芯片键合不仅要满足键合速度、键合成本、密封性能等普通的m e m s 键合要求， 还必须要满足严格的化学兼容性和生物适应性要求l 。 针对聚合物微流控芯片的键合要求，本文尝试以超声波焊接的形式实现键合。本章 首先介绍了微流控芯片键合的发展概况和常用的键合方式，并通过对聚合物超声波键合 的研究现状的分析，分析微流控芯片超声波键合的可能性，从而引出了本文的研究内容。 1 1微流控芯片的键合 作为微流控芯片制作中的关键工艺和技术，键合技术与方法的研究近年来得到重 视，出现了不少新工艺和新方法，但多数工艺及方法在适用性、制作质量、效率以及适 合批量化生产等方面尚存在一定的局限性。下面将对微流控芯片的材料和本文研究的聚 合物微流控芯片的常用的键合方法作以简要介绍。 1 1 1微流控芯片的材料 目前制作微流控芯片的基体材料主要有硅、玻璃、石英、有机玻璃( p m m a ) 、陶 瓷和硅橡胶( 聚二甲基硅氧烷，p d m s ) 等。早期的微流体器件通常借用成熟的半导体 加工工艺，采用硅、石英和玻璃【2 ，3 】等材料制造。硅片强度高、散热性好、耐腐蚀，但 绝缘性和透光性较其他材料差，键合成品率低。石英玻璃的最大优点是透光性好，对紫 外线吸收小，不产生背景荧光，但加工难，键合温度过高( 1 0 0 0 ) ，限制了其应 用。玻璃有一定的强度和良好的散热性能，透光性、绝缘性和电渗性也较好，是当前应 用较多的一种材料，但加工特性较差，相对有机玻璃的成本高。现在，很多高分子材料 ( 如聚二甲基硅烷( p d m s ) 、聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 、聚苯乙烯等) 作为基体 材料，价格便宜，具有良好的绝缘性能，可施加高电场以提高分离速度，且容易成型， 易获得高深宽比的微结构，微沟道表面一般不需要修饰或仅需少量修饰即能满足要求， 微流控芯片超声波键合能量引导微结构设计与工艺 是当今芯片研究的热点。其中聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 具有与硅、玻璃和石英材料 相近的光学性能及较低的电渗流，是近年来备受人们青睐的芯片材料【4 ，5 】，再加上它本 身质轻、不易破碎，是疏水性材料，性能稳定，对衰老和环境的变化具有抵抗力，经过 改性还具有抗酸、抗碱、抗有机溶剂等诸多有点，因此以p m m a 作为微流控芯片材料 有很广阔的前景。 1 1 2 聚合物微流控芯片的键合方式 聚合物微流控芯片的键合是实现芯片批量化制作中的主要瓶颈问题，其技术难度主 要表现在： ( 1 ) 键合需要同时解决联接、密封的问题，要求具有足够的机械强度，避免开裂； 但) 需要避免造成微通道等微结构的塌陷、变形； ( 3 ) 防止造成微通道的堵塞，并避免其表面物理化学性能发生改变i l j 。 传统的微流控芯片的键合，主要采用以下几种方法：胶粘接、溶剂键合、激光焊接 键合、微波焊接键合、直接热键合、等离子体辅助热键合、辐射降解热键合等。 直接热键合是没有中间介质的键合方法【6 锕，其键合的机理是在外部压力的作用下， 键合表面紧密接触，形成分子间作用力，产生键合强度。由于分子间作用力和真实接触 表面之间距离的高次方成反比，因此只有在温度较高，一般在聚合物材料玻璃化转变温 度附近，并且压力较大的情况下，才能获得一定的键合强度。而温度、压力过高则容易 导致微沟道和基片整体的变形，影响键合质量。直接热键合在芯片研制和小批量制作中 得到应用，它主要的缺点是键合强度低，使用时容易开裂，并且键合时间长，一般需要 1 0 2 0 分钟，效率低，不适合批量化生产。热键合法是目前p m m a 芯片键合中使用最 多的一种方法。 辐射降解热键合9 】和等离子体辅助热键合【l o ，11 1 是改进直接热键合的方法。辐射降解 热键合是通过外界辐射处理，使聚合物表面层材料发生降解，轻度的降解形成一些比原 始聚合物分子量低、聚合度不同的同类大分子，从而使分子量和软化点温度降低。h s l e e 等【1 2 】和r t r u c k e n m u l l e r 等【1 3 1 分别采用x 射线和紫外光作为辐射源，对p m m a 材 料进行了实验，辐射后采用较低的键合温度避免微结构在键合过程被损坏。聚合物表面 经过等离子体处理，聚合物表面会发生多种物理、化学变化，使得材料的表面特性得到 改善。r p e l z e r 等【1 4 】通过氧气等离子体在1 0 0 - 4 0 0m t o r t 气压下，改善了聚合物表面的 亲水性，在低于基片聚合物材料玻璃化转变温度的条件下实现了键合。通过辐射处理、 等离子体表面处理，键合温度得到降低，改善了微沟道和芯片整体的变形，提高了联接 强度，这类方法的缺点是适用的材料有限，键合时间较长，效率并没有得到提高。 大连理工大学硕士学位论文 激光焊接【l 引、微波焊接【1 6 】等键合方法是在受热熔融状态下实现的键合。激光焊接键 合和微波焊接键合要求芯片的材料本身具有或在其上制备吸收激光、微波辐射能量的材 料。如激光焊接键合中，基片和盖片分别由对于照射激光透明的材料和不透明的材料组 成，两种材料有相似的化学性质，在加热后都能够熔化而实现联接【l n 。利用微波焊接实 现的微流控芯片键合，一般在基片上制备吸收微波能量的材料，如在孙心哇a 基片上制 备金属薄膜【l8 j 和导电聚合物( p o l y a n i l i n e 聚苯胺) 【1 9 】等。激光焊接键合、微波焊接键合在 芯片材料的选择上有局限性，并且工艺复杂。 胶粘接键合【2 0 】是通过基片与盖片之间的中间介质实现键合的方法，它的优点是方法 简单、成本低、不需要加热，并且对于大多数材料都能够获得较高的键合强度。但是， 胶粘接的方法存在一些潜在的缺点：作为中间层材料的胶粘剂具有多孔性，使得很难获 得完全紧密的密封；胶粘剂多数具有挥发性；温度和长期稳定性较差等，应用于微流控 芯片的键合，胶粘剂容易引起微沟道的堵塞。值得强调的是，针对特定的应用场合，胶 粘剂的生物兼容性必需经过认真的评价，以确定是否适用。 溶剂键合【2 l j 与胶粘接有所不同，它是通过特殊配置的溶剂将需要联接的聚合物芯片 表面“润湿”，表层轻微溶解，贴合后加压而获得永久性的联接。溶剂键合的缺点是除 被联接表面外，微器件的结构也会接触到溶剂，从而使其表面特性受到修饰。j a y n aj s h a h 等【2 2 j 采用丙酮作为溶剂键合p m m a 微流控芯片，带有微沟道的基片与盖片贴合 后，将丙酮注入微沟道，利用毛细管力丙酮会渗入基片与盖片的缝隙中，加压一定时间 后，完成键合，该方法适用于单件制作，不适用于自动化、批量制作。 上述微流控芯片的键合方法都存在局限性，无法实现无中间介质的快速键合，不能 满足芯片批量化生产的要求。近年来得到发展和应用的塑料超声波焊接技术以其不引入 中间介质、联接速度快、适合于自动化批量制作等技术特点，使其成为解决键合问题的 一个技术途径。 超声波焊接是最常用的聚合物基复合材料焊接方法之一。聚合物材料的超声波焊接 是利用超声波能量使聚合物材料作高频机械振动而发热熔化，同时施加焊接压力将其熔 合在一起的一种焊接方法【2 引。结晶性塑料复合材料和非结晶性塑料复合材料都可以用超 声波焊接。但结晶性塑料复合材料( 如热塑性聚酯复合材料) 比那些非结晶性塑料( 如a b s 或聚碳酸酯) 复合材料焊接起来要困难得多。非结晶性塑料( 如p c 、p s 、s a n 、a b s 、p m m a 等) 复合材料没有明确的熔点，塑化所需的能量即超声能量较少，能够在较宽温度范围 内熔化并逐渐凝固。它们对超声能量通常具有良好的透射率，高频振动能够经过较长的 距离传输到接头区域，因而这些材料均具有良好的近程或远程超声波焊接性能，对于 p m m a 高聚物材料制成的微流控芯片键合适用。超声波焊接属于无间质直接键合，具 微流控芯片超声波键台能量引导微结构设计与工艺 有高效、优质、美观、节能等优势。相对于常用的热键台和间质键台等常用的键合方式， 超声波键合的优点就在于无需使用黏台物等间质就可实现微流控芯片高速、准确的键 合，而且键合质量也完全可以满足微流控芯片的需要，这就使微流控芯片的产业化、批 量化生产成为可能。 12 聚合物超声波键台的研究现状 对于超声波方式实现p m m a 微流控芯片的键台，主要的研究工作还是借助于有限 元软件，通过仿真来探索台适的实验参数阶段。但是超声波方式实现塑判焊接的技术已 经比较成熟，已被广泛应用于工q l ，、民用的方方面面。大量的研究成果也已经证实，对 于奉文研究的p m m a 非结晶形材料，由于没有明确的熔点，塑化所需的能量即超声能 量较少，能够在较宽温度范围内熔化并逐渐凝固，它们对超声能量通常具有良好的透射 率高频振动能够经过较长的距离传输到接头区域因而这些材料均具有良好的近程或 远程超声波焊接性。 大连理工大学韦鹤、王晓东等人口4 坪0 用有限元分析软件模拟超声波焊接过程，用单 元的“生死”和热焓法控制相变，t f 算出能量引导结构的温度场分布情况，及焊接中微 沟道的变形情况，理论上验征了利用超声波焊接进行芯片键合的可能性。 幽11带有不i 司形状能嗣引导结构的淘道的变形 ( a ) 凸字形能量引导结构的淘道( bj 梯形能量引导结构沟道的变形 f i g1 1 t r a n s f i g u r a t i o no f m i c r o c h 扑n e l sw i t hd i f f e r 朗te n e r g ) d i r e c t o r ： ( a ) c o n v e xe n e r g yd i r e c t o r ( b ) t r a p e z i ae n e r g yd i m c t o r 2 0 0 6 年，t r u c k e n m u l i e r 等对深、宽5 0 0u m 尺寸微流控芯片( 图12 ) 、微单向阀咀 及盘形微瓣膜泵( 图13 ，图14 ) 等微传感器与执行器进行了超声波键合实验1 2 5 ，结果 表明利用超声波键台不仅能够使器件的性能参数达到要求，而且键合强度高、误差小。 鬻 大连理j 大学硕_ = 学位论文 这为本文将超声波焊接技术应用于更微小尺寸的十字直沟道微流控芯片的键台提供了 预演性的成功范例。 图12 深、宽5 0 。脚尺寸p m m a 微流控芯片超声波键台后截面照片 f i g 12 a p p r o ) d m a t e l y5 0 0u i n w i d ea n dd e e p p m m a m i c r o c h a n n e l ( c r o s s s e c t i o n a lv i e w ) s e a l e db y m i c r o u s w e l d i n g 图13 压电驱动p m m a 微泵超声键台后的照片( 直径约1 4m m ，高约25m m ) f i g 13 p i e z o d r i v e n m i e r o p u m p f r o mp m m a w i t h f l d i a m e t e ro f a p p r o x i m a t e l y l 4 m ma n da h e i g h t ( w i t h o u tf l u i d i cc o n n e c t i o nu n i t ) o f a p p r o x i m a t e l y2 5m m 皿s e m b l e db ym i c r ou sw e l d i n g 引14 压电微泵的阀单元( 直径为1 4 m m ) f i g i4v a l v e i m l to f t h ep i e z ( ) m i c r o p u m p ( d i a m e t e ra l s 0 1 4 m m l 2 0 0 8 年，p u t t a c h a ( k h u n t o n t o n g 2 6 1 研究了用超声波热压法制各p p 薄膜和微沟道，并 将其用于微沟道的超声波键合。如图l5 所示，在频率3 5k t t z 、振幅9 9 r n 、键台压力5 0 n ， 键舍时间2 0 0m s 的实验条件下，用1 5 0 岬的p p 薄膜，实现了微沟道的键合。并分析 了采用不同间距分布的能量引导结构( 以模具i - 的凸起结构柬实现) 键台的结果，图16 徽流控芯片超声波键舍能量引导微结构设计与工艺 中( a ) 所示是能量引导结构叫距1 4 l i l l 的键合后截面图，图1 6 中( b ) 所示是能量引导结 构间距08 m m 的键合后截面图。 冀飘要、： _ 一。y “一 圈15 利用1 5 0b u n 厚的p p 膜实现超声波键台的淘道截面 f i g 15 c u t t h r o u g ha c h 锄e le n c l o s e db y u l t r a s o n i c w e l d i n g w i t ha 15 0 i e t i l t h i c k p p f i l m 愚肇 i 誓誓奠瞄嗣瞄幽蹩豳_ 图l6 采用不同间距能量引导结构进行超声波键合后的截面照片 ( a ) 问距14 m m ( b ) 司距08 m i l l f i g 16 c u t t h r o u g hc h a n n e l s w e l d e db ye n e r d d i r e c t o r sa td i f f e r e n t d i s t a n c e s r a l l4 m mm 108 m r o 下面将针对本文主要研究内容的国内外研究现状进行介绍： 121 超声波键台能量引导结构的研究 在超声波塑料焊接过程中，能量引导结构设计是一个非常重要的环节，如果能量引导 结构设计不当会出现焊接区域难以控制、焊接边缘应力集中、焊接表面出现压痕、气泡 以及局部过焊等缺陷，通过对焊件接头的台理设计，不仅可以有效地改善上进缺陷，而且还 可以控制焊接区的形成，实现选择性焊接”。 y e wk h o yc h u s h 等研究了接头设计对塑料焊接的影响【2 8 1 ；d e v i n ee 2 9 咐超声焊接中 搭接接头、阶梯能量引导结构、舌椎能量引导结构、槽缝能量引导结构等多种接头彤式 进行了研究，发现能量引导结构对于所有的非结晶塑料焊接都会产生良好的效果，但对有 的半结晶塑料，由于能量引导结构熔化产生的熔融液容易在完成焊接以前就凝固而在界 面产生不完全融合现象，因此针对半结晶塑料的焊接，他提出了剪切形式的能量引导结 构。 大连理工大学硕士学位论文 19 9 7 年，f r a n m 针对焊接接头提出了三条基本设计原则1 3 0 1 ： ( 1 ) 焊接初始接触面积要尽量小以保证能量的有效集中； ( 2 ) 焊接接头要便于对准； ( 3 ) 交界面要均匀以保证能量的连贯传输和能量引导结构熔化焊接过程的可控性。 梁延德、刘川等分析了超声焊接中能量引导结构角度对焊接结果的影响，并找到了 适合p v c 材料的能量引导结构的角度1 2 7 1 。 c h u a h 【3 l 】就能量引导结构形状对焊接质量的影响进行了研究，结果表明半圆形能量 引导结构的产热率高于矩形能量引导结构和三角形能量引导结构，他认为这主要是由于 半圆形能量引导结构的接触面积大于后两者所致。但是如果接触面过大，焊接表面的加 工公差会使焊接区产生不可预料的气泡，影响焊接质量。 在超声波焊接过程中焊区产生气泡是一个很难解决的问题，虽然目前对气泡的产生 机理尚无定论，但h e r r m a n 3 2 】从能量引导结构设计避免气泡产生的角度做了有益的尝 试，研究表明在能量引导结构的连接处要避免采用拐角连接，而应使用圆角或在拐角处 设断点，这样在焊接时可以避免该区域因材料集中而产生气泡。另外，在较长的能量引 导结构上设计合理的断口可避免气泡的产生，而且要尽量避免能量引导结构与焊件大面 积接触。 1 2 2 超声波键合工艺参数的研究 影响焊接质量的因素众多，其中包括超声振动频率、振动形式、幅值、焊接时间、静 压力、触发压力和保压时间等等。这些参数中除振动形式和频率外，其它因素均可通过调 节设备参数来优化。 c j n o n h o ：3 3 】全面研究了超声波焊接过程的变形、能量耗散、材料流动、热传导和 声阻尼，对整个焊接过程做了全面的阐述。 杨士勤等人【3 4 】对超声波焊接设备的能量控制技术进行了研究，并用于生产，取得了 良好效果。图1 7 为能量控制模式的时间窗口示意图，图1 8 为能量计算的示意图。根 据用激光干涉仪对焊接过程的坍塌量进行的测量结果，认为焊接区材料的熔化状态最终 直接影响焊接质量，而其它焊接参数则是通过焊接区材料的熔化形式间接影响焊接质量 的。 微流控芯片超声波键合能量引导微结构设计与工艺 图1 7 能量控制模式的时间窗口示意图 f i g 1 7 t i m ew i n d o w sp r i n c i p l ed i a g r a mo ne n e r g yc o n t r o l l e dm o d e j 邕 k 譬 盂 t i m e ( f l 图1 8 能量计算示意图 f i g 1 8e n e r g yc a l c u l a t i o nd i a g r a m 2 0 0 1 年，t h o m a s l 3 5 提出了超声波塑料焊接系统频率选择的一般原则。 j t s u j i n o 等【) o j 研究了多种频率的超声波对塑料焊接的影响。 哈尔滨工业大学侯旭光【3 7 】进行了超声波塑料焊接工艺参数的研究，通过对焊接工艺 参数的研究，得出了各个参数对焊接的影响规律，研究了工艺参数之间的规律，并提出 了通过调节工艺参数来提高焊接质量的方法。 这些研究都为我们以超声波方式探索p m m a 材质的微流控芯片的键合提供了相关 的实践与理论依据。 1 3 本文的研究内容 聚合物微流控芯片的制作流程主要包括5 个步骤，如图1 9 所示： 、，厂、 八3 基片上微沟 八 4 盖片上储液 八 2 模板的制作 叫道的制作 v池孔洞的加工叫 ，| 一 图1 9 微流控芯片制作流程 f i g 1 9 f a b r i c a t i o np r o c e s so fm i c r of u i d i cc h i p 篓嚣麓l基片与盖片的j 键合 本文主要对图中流程所示的第2 、3 、5 部分进行研究，针对的是十字直沟道结构的 微流控芯片的超声波键合。键合要求基片与盖片具有一定的结合强度，而且要求微沟道 完全密封，不发生溶液泄漏，同时，又要防止微沟道的变形和堵塞。 为了尝试将超声键合技术应用与聚合物微流控芯片的键合，就需要对常规的超声波 塑料焊接做一些行之有效的改进。由于聚合物微流控芯片的微沟道尺寸一般在微米级， 且商品化的聚合物基片的表面不平度使得键合时两基片不能紧密贴合，影响了超声能量 的集中，键合常在两片聚合物基片的平面内随机分布的凸点相交处发生，无法实现微结 构周围的有效封接，不易得到稳定的键合强度。为了实现盖片与基片的快速有效键合， 需要在聚合物基片上被封接的微沟道周围制备能量引导微结构，在键合初期，键合沿着 被封接的微沟道发生，同时缩小接触面积，提高键合摩擦面压力；在键合过程中，能量 引导微结构不断熔融，有利于键合接触面的润湿和键合界面上高分子的扩散，形成稳定 键合强度。 本文根据实测的所用p m m a 材料的表面情况，结合能量引导微结构设计准则，首 先通过实验确定能量引导微结构的形状和尺寸，并通过硅模具热压的方法制备出带有能 量引导微结构的p m m a 基片，在商用b r a n s o n2 0 0 0 x f 超声焊机上实现了所设计结构的 有效键合，具体内容包括： ( 1 ) 聚合物超声键合能量引导微结构的形状与尺寸设计 根据微流控芯片的微沟道的尺寸与结构，尝试设计制作矩形、三角形、半圆形能量 引导微结构并对其进行初步的键合实验，对实验结果进行分析，针对要键合的带有储液 池的十字形沟道结构，选择采用截面顶角约为7 0 5 2 。的三角形能量引导微结构，并确 定相应的工艺路线来实现微结构的制作。 ( 2 ) 同时带有能量引导微结构和微沟道的一体化硅模具的制作 微流控芯片超声波键合能量引导微结构设计与工艺 根据选定的能量引导微结构尺寸和相对位置，借助传统的微电子技术，以硅的光刻 和湿法腐蚀工艺为基础，通过套刻和二次各向异性腐蚀方法，制作出用于热压同时带有 能量引导微结构和微沟道的p m m a 基片的硅模具。 ( 3 ) 热压法制备用于超声波键合的p m m a 基片 采用热压成型的方法加工用于超声波键合的p m m a 基片，对这一同时具有凹凸结 构的特殊微结构热压的参数进行了讨论与优化，提出了相应的解决方案，获得了较高复 制精度的p m m a 基片。 ( 4 ) 聚合物微流控芯片超声波键合的实现 采用商用b r a n s o n2 0 0 0 x f 系列超声焊机对带有能量引导微结构的p m m a 基片实现 键合，对实验结果进行了讨论与分析。 大连理工大学硕士学位论文 2 超声波键合能量引导微结构的设计 聚合物微流控芯片的超声键台，是从超声波塑料焊接发展而来，本章首先对超声波 塑料焊接的原理与焊接接头的设计作以介绍，再通过实验对各种不同形状和不同的制作 工艺进行尝试，根据所要键合的微流控芯片的实际情况，选择合适的能量引导微结构形 状与尺寸，并确定其加工制作方法。 21 超声波塑料焊接的原理与焊接接头设计 2 11 超声波塑料焊接原理 通常，人们把频率为l8k h z - 5 0 0k h z 的弹性机械振动称为超声波。大部分丁程仪 器都使用频率为2 0 k h z 1 0 0 k h z 的超声波，高频超声波撮明显的传播特性之一就是方 向性很好，能定向传播。超声波的穿透本领很大，在固体中传播时，衰减很小 3 5 i 。 声波振动在介质中产生声压，声压随振幅而变化。这是由于介质中各点在振动波的 作用下芨生周期性变化而引起的。声压以一定振幅和频率在介质中以声波形式传播，在 一定空目点上发生相应的交变增减。当超声波被引向待焊的塑料表面时塑料质点就会 被超声波激发而快速振动，使其连续交替地受压和解压，在界面上因强烈振动而产生摩 擦，从而释放出大量的热。图21 是超声波焊机主要构成简图，焊机主要由电控系统、 加压系统以及声学系统等组成” 。声学系统主要有换能器、变幅杆和焊头组成，换能器 将电能转换成机械能、然后变幅杆放大，最后通过与焊件几何形状匹配的焊头传递给焊 件。上述的机械能在焊件的接头处转化为热能，从而熔化塑料，在压力作用下形成接头。 豳 图21 超声波焊机示意图 f i g2 i l a y o u t o f u l t r a s o n i c w e l d i n g m a c h i n e 二 一棼 微流控芯片超声波键台能量引导微结构设计与i 艺 聚合物振动摩擦是分子问内摩擦和表面剪切摩擦的综合敛应。热塑性塑料在超声波 作用下，声压使得聚合物分子受压时作伸长功。一方面，由于一部分伸长功消耗于克服 分子间的内摩擦或分子结构的转变，使超声波能部分转变为热能散失在周围。园此，聚 合物分子在解压时所作的回缔功与伸长功之间有一定的差额。这个差额使机械能转变为 热能，形变的高聚物材料会发热。另一方面在超声波振动时，压力作用往往使两个粗糙 的接触面发生塑性形变其结果是结合点被焊接在一起。但是，在振动过程中所产生的 滑移会引起周期性的结合与分离。因此，在焊接面上所产生的剪切摩擦，也使机械能转 变为热能。当温度急剧上升到能熔化塑料时，在两个部件之白j 就会有材料的“流动”， 继而填充于接口之间的空隙。振动停止时，待焊件在一定压力下定形，塑料固化后便得 到均匀的焊接效果。图22 所示为塑料超声焊接的过程示意国。 斟22 塑料超声焊接过程示意崮 f i g2 2 s c h e m a t i co f t h ep l a s t i cu l t r a s o n i c w e l d i n gp r o c e s s 焊接过程中，由于在接台面塑料对弹性振动能量的吸收远远超过了塑料内部的吸收， 因此只是在界面的局部发热并熔化。当塑料工件的固有频率( 由厚度柬确定) 为声渡振 动频率的谐波数时，则可在工件接合面出现振动波节点。此时，接合面处所产生的主要 应力垂直于达到最大振动值的方向在这些点，出现最高温这是塑料焊接工艺的特点。 21 2 超声波焊接的接头设计原则 两个待焊接表面的设计对于获得最佳焊接结果来说是非常重要的。有各种各样的接 头连接设计，每一种都有特色和优点，各种设计的使用取决于许多因素，例如材利娄型、 零件几何形状与尺寸、焊接的要求( 如粘性、强度、密封等) 。1 9 9 7 年，f r a n t z 针对焊 接接头提出了三条基本设计原则【3 i ： 焊接初始接触面积要尽量小以保证能量的有效集中； 焊接接头要便于对准： 大连理工大学硕士学位论文 交界面要均匀以保证能量的连贯传输和能量引导结构熔化焊接过程的可控性。 超声波焊接的接头设计总体上包括两大类：带有能量引导结构的设计和剪切连接接 头的设计，其他的接头设计方式都可以看做这两类的衍生与复合l 加】。 ( 1 ) 带有能量引导结构的焊接头设计 典型的能量引导结构是呈凸起的三角形结构的，位于其中的一个待焊接表面，其作 用在于集中能量缩短焊接时间。 图2 3 所示为简单的对接焊连接和有能量引导结构的理想连接的时间温度曲线。从 曲线可以看出，带有能量引导结构的设计在较短时间内就可使焊接区温度迅速上升，以 实现迅速焊接，同时达到最大的强度在能量引导结构部分的材料可在整个焊接结合区内 流动。 吵吵 眵眵 ( a )( b ) 图2 3 时间韫度曲线 ( a ) 简单对接焊( b ) 采用能量引导结构 f i g 2 3 t i m et e m p e r a t u r ec u r v e s ( a ) c o m m o nb u t tj o i n t ( b ) 1 4 e a lj o i n ti n c o r p o r a t i n ga ne n e r g yd i r e c t o r 基本的带有能量引导结构的焊接头设计 焊接前对带有能量引导结构的对接焊焊头设计的尺寸要求如图2 4 所示。能量引导 结构的截面顶点应尽量尖锐，圆形或者平面的截面顶点相对不利于材料的流动。能量导 向部分熔化后分布于结合面之间。通常，对于相对易焊的树脂材料( 如聚苯乙烯) 能量导 向部分最小高度为0 2 5 m m 。对于某些半结晶或高温无定形树脂( 例如聚碳酸酯) ，需要 较大的能量定向部分，其最小高度为0 4 r a m 。对于带有能量引导结构的半结晶材料，其 焊接接头的最大强度，一般取决于能量引导结构底边的宽度。 微流控芯片超声波键合能量引导微结构设计与工艺 圉懵， 图2 4 中木能量引导结构角度的选择：非结晶塑料，角度设计成9 0 。，半结晶塑料， 角度设计成6 0 。但角度也随着材料、待焊部件几何尺寸和需求的不同也有所变化。 依照惯例，把能量引导结构设计在两待焊接表面的任何一面没有区别，特别的，比 如用来焊接两不同材料的待焊接表面，要把能量引导微结构设计在熔融温度高、硬度大 的待焊接表面上。 能量引导微结构的设计有