（机械电子工程专业论文）聚合物微流控芯片超声波键合方法研究.pdf

人连理t 大学硕士学位论文 摘要 键合是制造微流控芯片的关键环节之一，基片上的微结构只有通过键合才能形成封 闭的微通道网络，键合在很大程度上决定了芯片的制作质量。将聚合物超声波焊接技术 引入到聚合物微流控芯片的键合能大大提高微流控芯片的键合效率，超声波的局部加热 使得微结构以及芯片整体键合前后变形很小，此外该方法还具有不需要中间介质、键合 强度高、生物兼容性好等优点。但是目前采用超声波键合聚合物微器件尚停留在小面积 封接微阀、连接导管等应用上，微流控芯片整体键合尚无报道。此外，将传统的聚合物 超声波焊接运用于关键尺寸在微米量级的微流控芯片的键合时，键合精度难以满足要 求。因此本文基于聚合物在超声波作用下的分段产热机理，提出键合过程非熔融控制方 法，实现高精度的聚合物微流控芯片非熔融整体键合。 首先，本文从聚合物微流控芯片超声波键合相关理论和实验研究出发，提出一种聚 合物微流控芯片超声波微熔融键合方法，设计了适用于该方法的面接触导能筋结构，以 延缓熔体产生速率，通过对聚合物超声波键合过程进行分阶控制，实现微熔融键合目的， 避免熔融物堵塞微通道。超声波微熔融键合方法采用振幅较高，输入到焊接区域的能量 较大，局部容易因过热出现气泡等质量问题，因此提出基于局部溶解性激活和热辅助两 种聚合物微流控芯片超声波非熔融键合方法。基于局部溶解性激活的超声波键合方法是 利用超声波局部产热原理和溶剂的温变溶解特性来实现对微流控芯片的封接，导能筋在 焊接过程中起到能量引导和集中作用，因此导能筋存在的部位将是键合过程热源产生的 部位，通过对导能筋的设计达到使热量产生在需要键合的部位的目的。所用溶剂在常温 下对芯片基体材料不产生溶解作用，而在低于材料玻璃转化温度的某温度段对基体材料 产生溶解，这样才会随着超声作用下键合界面温度的升高，溶剂对材料的溶解性被激活 来实现芯片的有效键合。热辅助超声波键合方法是利用材料在玻璃转化温度附近键合界 面分子的扩散作用，在压力作用下界面分子运动并相互缠结达到使界面联接的目的。键 合前通过热板加热聚合物材料到玻璃点转化温度t g 以下的某温度值，并在外部压力的 作用下使得联接表面紧密接触，然后开始超声键合过程，随着键合界面温度的升高，聚 合物材料的大分子链具有了一定的活性，能够跨越界面而形成联接，实现对微流控芯片 的键合。利用必能信2 0 0 0 x f 超声波焊接机进行了上述几种微流控芯片超声波键合实验， 通过实验方法对键合工艺参数进行优化，得到了很好的微流控芯片键合质量。 关键词：微流控芯片；超声波；非熔融；键合 聚合物微流控芯片超声波键合方法研究 r e s e a r c ho nt h eu l t r a s o n i cb o n d i n gm e t h o do fp o l y m e rm i c r o f l u i d i cc h i p s a b s t r a c t b o n d i n gi so n eo ft h ek e yp r o c e d u r e so fm a n u f a c t u r i n gm i c r o f l u i d i cc h i p s t h em i c r o s t r u c t u r eo nt h es u b s t r a t ec a l lf o r ms e a lm i c r oc h a n n e ln e to n l yb yb o n d i n g t h eb o n d i n g p r o c e s sd e c i d e st h eq u a l i t yo fm a n u f a c t u r i n gc h i p s t h eb o n d i n ge f f i c i e n c yc a ni m p r o v eal o t b yi n t r o d u c i n gu l t r a s o n i cp o l y m e r w e l d i n gt e c h n o l o g yt ot h eb o n d i n go fm i c r o f l u i d i cc h i p s t h eu l t r a s o n i cb o n d i n gp r o c e s sh a ss o m ea d v a n t a g e s ，s u c ha st h ec h i p sh a v el i t t l ed i s t o r t i o n a f t e rb o n d i n g ，e x t e r n a ls u b s t a n c ef r e e ，h i g h e rb o n d i n gs t r e n g t h ，s h o r t e rb o n d i n g t i m e ，h a v en o l i m i t a t i o ni nb i o l o g i c a lc o m p a t i b i l i t y ，e t c u l t r a s o n i cw e l d i n gt e c h n o l o g yo f t e nu s e dt ob o n d m i c r op u m po rv a l v e ，i ti ss e l d o mu s e dt ob o n dm i c r o f l u i d i cc h i p s t r a d i t i o n a lu l t r a s o n i c w e l d i n gt e c h n o l o g yi ss u i tt om a c r op o l y m e rm a t e r i a l ，w h e ni ti su s e dt ot h eb o n d i n go f m i c r o f l u i d i cc h i p sw h i c hk e yd i m e n s i o ni si nt h el e v e lo fm i c r o n ，t h e r ea r es o m ep r o b l e m s a b o u tb o n d i n gq u a l i t ya n dp r e c i s i o n b yr e s e a r c h i n go nt h eu l t r a s o n i c m i c r o m e l t i n go r n o n - m e l t i n gb o n d i n gm e t h o do fp o l y m e rm i c r o f l u i d i cc h i p s ，w ec a nr e s o l v et h i sp r o b l e ma n d g e tg o o db o n d i n gq u a l i t y f i r s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h er e l a t eu l t r a s o n i cb o n d i n gt h e o r ya n de x p e r i m e n tr e s e a r c h o fp o l y m e rm i c r o f l u i d i cc h i p s ，i tp r o p o s e dau l t r a s o n i cm i c r o - m e l t i n gb o n d i n gm e t h o do f p o l y m e rm i c r o f l u i d i cc h i p sa n dd e s i g naa r e ac o n t a c tm i c r oe n e r g yd i r e c t o rs t r u c t u r et h a ti s s u i tt ot h i sm e t h o d ，i tc a nc o n t r o lt h eu l t r a s o n i cb o n d i n gp r o c e s sa c c o r d i n gt oe v e r yb o n d i n g p h a s ea n df i n i s ht h em i c r o - m e l t i n gp r o c e s sw i t h o u tm e l t i n gm a t e r i a lf l o wi n t ot h ec h a n n e lo f m i c r o f l u i d i cc h i p s b u tt h i sb o n d i n gm e t h o dm u s ta d o p tv e r yh i g ha m p l i t u d e ，t h e ns o m e q u a l i t yp r o b l e m ss u c ha sc a v i t a t i o n sw i l lb ep r o d u c e do ns o m ep l a c eo ft h ec h i pf o ro v e r h e a t s oal o c a ls o l u b i l i t ya c t i v a t e dm e t h o da n dat h e r m a l l ya s s i s t e dn o n - m e l t i n gm e t h o df o r u 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 o f l u i d i cc h i p sa r ep r o p o s e d al o c a ls o l u b i l i t ya c t i v a t e d m e t h o di sb a s e do nu l t r a s o n i cl o c a lh e a t i n ga n dt e m p e r a t u r ed e p e n d e n ts o l u b i l i t yo fp m m a i n i s o p r o p a n o l ( i p a ) e n e r g yd i r e c t o rp l a c eai m p o r t a n tr o l ed u r i n gu l t r a s o n i cb o n d i n g p r o c e s s ，b e c a u s ei t c a nm a k et h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o na n dt h eh e a t i n ge n e r g yp r o d u c e do n s p e c i a lp l a c et h a tn e e di t t h es o l v e n ts h o u l dh a v en os o l u b i l i t yf o rt h es u b s t r a t em a t e r i a la t r o o mt e m p e r a t u r e ，b u ti th a v es o l u b i l i t yf o rt h es u b s t r a t em a t e r i a lw h e nt h et e m p e r a t u r ei s b e l o wt h em a t e r i a l sg l a s st r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ，o n l yt h a tc a nt h et w os u b s t r a t eb eb o n d e d f o rt h es o l v e n t s s o l u b i l i t yw h e nt h et e m p e r a t u r eo ft h eb o n d i n ga r e ai sr a i s e dt oac e r t a i n l e v e l at h e r m a l l ya s s i s t e dm e t h o df o ru 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 o f l u i d i cc h i p st a k e i i 人连理工人学硕士学1 1 i ) = 论文 a d v a n t a g eo ft h em a t e r i a l sm o l e c u l em o v e m e n tw h e nt h et e m p e r a t u r eo fb o n d i n ga r e ag e tt o n e a rt h eg l a s st r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e u n d e rc e r t a i nb o n d i n gp r e s s u r e ，t h em o l e c u l eo ft h e b o n d i n g s u r f a c ee n t w i s tw i t he a c ho t h e ra n df o r mt h es t r e n g t hb e t w e e nt h et w os u b s t r a t ea sa r e s u l t b e f o r et h eb o n d i n gp r o c e s sb e g i n ，t h em a t e r i a ls h o u l db eh e a t e du pt oac e r t a i n t e m p e r a t u r ew h i c hi sb e l o wt h eg l a s st r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ，t h eb o n d i n gs u r f a c ei sc o m p a c t c l o s e l yu n d e re x t e r n a lb o n d i n gf o r c e ，t h eb o n d i n gs u r f a c e st o t a lt e m p e r a t u r ec a nr i s eu pt o t h eg l a s st r a n s i t i o nt e m p e r a t u r ea f t e rt h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o ni sp l a c e do nt h eb o n d i n gs u r f a c e ， t h e nt h eb i gm o l e c u l ei sa c t i v a t e d ，t h e yt w i s te a c ho t h e ra n df o r mt h eb o n d i n gs t r e n g t h t h e p m m as u b s t r a t ea n dc o v e ra r eb o n d e do nb r a n s o nu l t r a s o n i c2 0 0 0 x fa s s e m b l ys y s t e m s u c c e s s f u l l ya n dt h eb o n d i n gp r o c e s si so p t i m i z e db yu s i n gs o m ee x p e r i m e n t a lm e t h o d l a s t ， t h em i c r o f l u i d i cc h i p sa r eb o n d e dv e r yw e l l k e yw o r d s ：m i c r o f l u i d i cc h i p s ；u t t r a s o n i c ；n o n - m e t t i n g ；b o n d i n g i i i 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：圭壅垄 日期：三! 垒年上月二日 人连理t 大学硕十学位论文 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：苤佥堑邀速控芷庄超直遮毽佥虚洼珏究 作者签名： 圭! 壅堑 日期： ! ! ：年l 月三日 导师签名：孑秀珏日期：鱼年兰月望日 大连理丁大学硕十学位论文 1 绪论 本论文的主要研究对象为聚合物微流控芯片的超声波键合方法。将超声波聚合物焊 接技术应用于聚合物微流控芯片的键合是一个新的研究课题，因此本章首先介绍以上二 者的相关研究背景，然后分别介绍超声波聚合物焊接技术和微流控芯片的制备及键合方 法，最后介绍本论文的主要研究内容及将聚合物超声波焊接方法应用到微流控芯片键合 领域的意义。 1 1 微流控芯片概述 m a n z 等人于2 0 世纪9 0 年代首次提出微型全分析系统的概念，到现在微型全分析系统 已经发展成为当前世界上最前沿的研究领域之一【i 】，2 0 世纪9 0 年代中后期，美国在微全 分析领域投入了大量人力物力，并取得了相当可观的研究成果。微全分析系统 ( m i n i a t u r i z e dt o t a la n a l y s i ss y s t e m ，b t a s ) 能最大限度地把化学分析实验室的功能转移、 集成到几个平方厘米的芯片上，因而也被称为“芯片实验室”( 1 a b o n a - c h i p ，l o c ) 。微 流控芯片亦称微流控分析芯片，它以分析化学为基础，微电子加工技术为依托，以微通 道网络为结构特征，以生命科学为主要应用对象，集进样、分离、检测等功能于一体的 快速、高效、低耗的分析装置，微流控芯片具有体积小、成本低、便于携带、环境污染 小、分析过程自动化、分析速度快、所需样品和试剂少等优点。微流控芯片的研究和广 泛应用，将会给生命科学、医学、新药开发、化学、食品和环境卫生监测等领域带来一 场新的革命，现己成为微全分析领域的重点及前沿研究对象i z 】。我国是从2 1 世纪初才开 始进入这个领域，很多方面都落后于国外1 3 j ，为缩小同发达国家的差距，最近几年我国 开始进行微流控芯片及其应用方面的研究，微流控芯片的键合封装技术作为制造微流控 芯片的关键环节，直接影响微流控芯片的生产制造成本，是制约微流控芯片产业化的瓶 颈问题之一，因此有必要对微流控芯片的键合方法进行深入研究。传统的键合封装技术 有热键合，胶粘接，溶剂或激光键合等，其中热键合使用较多，但热键合方法存在着键 合效率低，基片整体加热温度在材料的玻璃转化温度左右，容易引起基片变形等缺点， 其它键合方法存在生物适应性、兼容性或可操作性差等问题。近年来在聚合物焊接领域 得到广泛应用的超声波技术具有联接效率高、不引入中间介质、绿色环保，适合于自动 化批量制作等优点，使其成为解决微流控芯片键合问题的一个重要方法1 4 ，5 l 。 微流控芯片是利用微加工技术在基片上制做微阀、微泵、微通道、微混合器、微传 感器、微检测器等功能单元而组成的微型化学系统，在该系统中可完成样品的前处理、 聚合物微流控芯片超声波键台方法研究 化学反应、分离、检测等功能。图1 i 、1 2 为大连理工大学微系统研究中心制作的两种 微流控芯片。 圈 图i i 直淘道芯片 f i g 1 l a t y p e o f m i c x o f l u i d i cc h i p w i t hs t r a i g h tc h a n n e l s 酗l2d n a 分离芯片 f i g1 2 a t y p eo f m l c t o f l u i d i cc h i p f o r d n as e p a r a t i o n 用于微流控芯片制作的基体材料主要有晶体硅、玻璃、聚合物、陶瓷、硅橡胶五种。 其中聚合物具有价格便宜、种类多、生物兼容性好、制作工艺相对简啦、加工的可重复 性较好等优点，因此聚合物材质作为微流控芯片的基体材料有很好的发展前景，也正得 到越来越多的应用 6 1 ，聚合物种类主要有：p d m s 、p m m a 、p c 、c o c 等。传统的用作 制作芯片基体材料的硅具有良好的化学惰性、热稳定性、单晶硅生产工艺成熟，在半导 体和集成电路上得到广泛应用，在微电子发展的过程中，硅的微细加工技术已趋成熟， 具有与i c 工业良好的兼容性的优点，但硅存在着易碎、价格贵、加工工艺复杂和生物 兼容性差以及难键合的缺点；玻璃和石英具有良好的电渗性质和优良的光学性能，而且 它们的表面性质有利于采用小l 司的化学方法对其表面进行改性，但存在加工成本高、键 合条件较为苛刻、键合周期长等缺点1 7 】；用聚合物材料作为芯片基体材料虽具有上述优 人连理工大学硕士学位论文 点，但也存在使用的不足之处，它的缺点就是熔融温度低、不耐高温、易于溶解于有机 溶剂，但是微流控芯片的使用环境不是非常恶劣，一般都是在分析实验室等场所，不会 接触到高温高压或强腐蚀性溶剂，所以上述缺点是能够克服的，因此聚合物成为现今最 具前景的微流控芯片基体材料【8 l 。 1 1 1聚合物微流控芯片的制备技术 能够批量制作聚合物微流控芯片的加工方法主要有：注塑法、模塑法1 9 j 、热压法 1 0 , 1 1 , 1 2 l 和激光微加工法【1 3 j 等。模塑法一般只能用于人造橡胶、环氧类树脂等弹性材料的 加工成形，加工方法所适用的材料的种类有限。热压法相对于注塑法在聚合物加工中具 有以下优点：热压工艺过程更易于操作、可实现批量复制，使用热压设备相对比注塑法 所用设备简单，热压过程对模具的机械损伤小、材料内应力小且热压过程比注塑过程更 加环保等。热压法的优点使得它在微流控芯片中的应用最为广泛，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i l ，微流控芯片制备工艺流程如图1 3 所示，在 制备微流控芯片的工艺过程中，微沟道图形从模具到基片上的复制和基片与盖片的键合 是关键技术。 聚合物微流控芯片超声波键合方法研究 i 设计l i jl l 掩膜il 模其ll 激光烧蚀i 精密、超精 l 密机械加工 l 等离i体刻蚀l微结构成形 ii l 热压i l 注甥i ii i 1r i i 占搏髓a i jtitj l l 且恢 h 斑。 i f 等离r 体辅助键合l l 竹搏蛐a 1h 顿髓。 辐射降解键合 l 激光焊接键合 l 微结构封接 微波焊接键合 _ - i 圭盈甫础矬 i i 魈，_ i 玻疆百 i h 溶剂键合 - q 州质键合h = r 1 常温枯接h ”撇一接h 1r j 质鼠检测 图1 3 聚合物微流控芯片制备的t 艺过程 f i g 1 3 p r o c e s st om a n u f a c t u r ep o l y m e rm i c r o f l u i d i cc h i p s 1 1 2 聚合物微流控芯片的键合技术 微流控芯片的键合环节是微流控芯片制备的关键环节之一，键合质量的好坏直接影 响微流控芯片的实际应用，目前微流控芯片的键合环节需要解决的问题主要表现在： ( 1 ) 要求芯片能够实现联接，且微通道具有密封性，且键合后具有足够的机械强 度，避免丌裂； 大连理下大学硕士学位论文 ( 2 ) 键合过程需要避免微通道或微结构发生变形、或微通道发生堵塞或受到其它影 响； ( 3 ) 当采用有间质进行键合时，需要避免表面物理化学性能发生改变i l 4 。 目前存在的聚合物微流控芯片的键合技术主要有：溶剂键合、胶粘接、激光或微波 键合、直接热键合等，这些技术具有一下特点： ( 1 ) 溶剂键厶【1 5 】：溶剂是通过特殊的有机溶剂( 需对待键合器件材料具有溶解性) 将待联接的聚合物芯片表面涂湿，使表层材料轻微溶解，然后对基片施加压力获得的联 接。它是引入外部介质的键合方法，使用有机熔剂溶解聚合物器件的接触面实现器件连 接，无法避免微流控芯片微沟道材料被有机溶剂溶解后，微沟道形貌会受到影响，且溶 剂的流延很难得到控制，键合质量一致性一般较差，同时该方法不利于进行大规模批量 化生产制作。 ( 2 ) 胶粘接键合【1 6 1 7 l ：在基片与盖片之间引入粘结剂实现上下器件的连接。虽然 该方法存在操作工艺简单、成本不高、键合强度高等优点，但是该方法在微流控芯片键 合领域却很少应用，因为胶粘接过程中胶体很容易堵塞芯片微通道，且胶粘剂多数具有 挥发性气味，影响后续微流控芯片使用中的生物兼容性，胶粘剂的物理化学性能容易受 环境温度影响，稳定性不好。 ( 3 ) 激光【1 8 1 或微波键合【1 9 l ：该键合方法要求基片上片采用对激光不吸收的材料， 下片采用吸收激光的材料。激光透过上片在键合界面连接处产生热量，使界面受热熔融 状态下达到连接目的。微波键合要求在键合界面上制备吸收微波能量的材料达到界面熔 融连接的目的。该键合方法环保、焊接精度较高，但实施过程比较复杂，需要特殊的材 料或特殊的制备方法，成本相对较高。 ( 4 ) 直接热键合【2 , 1 1 j ：直接热键合是一种不引入中间介质的键合方法，其键合机理 是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) 左 右，通过对芯片施加一定的外界压力，使软化润湿的键合表面紧密接触，分子间形成作 用力，实现基片与盖片的直接键合。一般压力和温度较大的情况下，键合芯片才能获得 一定的键合强度，但是温度、压力过高容易导致芯片微沟道和基片整体的变形，严重影 响键合质量。因此键合过程不宜采用大的压力和高的温度，所以键合强度低，使用时上 下芯片容易开裂，键合时间长，一般需要十几分钟，键合效率低，不适合批量化生产。 以上所说微流控芯片的键合方法都存在较大的不足，不能实现无中间介质的快速高 效键合，不能满足微流控芯片产业化的要求。而聚合物超声波焊接技术具有不引入中间 介质、键合效率高、生物兼容性好、适合于批量生产等技术特点，使其在微流控芯片的 键合领域具有很好的应用前景，2 0 0 6 年德国学者r t r u c k e n m u l l e r 纠2 0 , 2 1 l 对p m m a 材料 聚合物微流控芯片超卢波键合方法研究 的微单向阀以及微泵等微器件用超声波键合技术进行了试验，结果表明利用超声波键合 技术制得的器件的能够完全满足使用要求，证明了聚合物微流控芯片超声波键合的可行 性。 1 2 超声波聚合物焊接技术研究现状 对聚合物超声焊接方面的研究主要包括：( 1 ) 对聚合物超声波焊接设备方面的研 究和改进：( 2 ) 如何通过焊接实验得到更好的焊接质量以及焊接工艺参数对焊接质量 的影响等方面；( 3 ) 聚合物超声波焊接机理方面的研究，包括超声波聚合物焊接产热 机理、导能筋作用机理和焊接过程中材料内部分子运动、联接作用机理等。 聚合物超声波焊接技术最早在1 9 5 6 年由美国人琼斯等人提出，6 0 年代美国、瑞士、 同本、英国、西德以及苏联等国便开始研究这种焊接技术并开始投入实际应用。因为聚 合物的焊接需要有较大的功率，外加塑料大量应用于实际工程和日常生活中也是近二十 年的事情，所以只是近十几年来，随着基础电子工业的发展以及大功率换能器的研制成 功，超声波塑料焊接才逐渐发展起来【2 2 , 2 3 】。 超声波焊接技术是把超声波频率在2 0 k h z 以上的机械振动能转化为待焊接器件的 热能，使器件接触表面熔融后实现焊接件的连接。最早的超声波聚合物焊接技术是从超 声波金属焊接发展起来的，超声金属焊接技术已广泛用于集成电路引线键合。超声波焊 接技术更为广泛应用的是热塑性塑料的焊接，在压力作用下，超声振动通过超声焊头传 递到待焊接聚合物器件上。焊件在超声波振动的周期变形作用下，焊接接触表面上分子 内部摩擦产生热量，使聚合物熔融使焊件熔结，焊接过程中接触表面的热量最高。 超声波聚合物焊接时间短，常用于批量生产，超声波焊接比较其他塑料连接方法， 显著优点如下： ( 1 ) 焊接过程不使用有机胶粘剂； ( 2 ) 焊接速度快( 一般焊接时间在几秒) ； ( 3 ) 焊接件靠自身熔合实现连接，焊接强度高； ( 4 ) 焊接过程对环境要求不高； ( 5 ) 工艺操作简单，成本较低。 超声波焊接有两种形式：近场焊接和远场焊接。目前工业上应用最多的2 0 k h z 焊接 系统中，焊头部件界面与焊接面距离小于6 m m 的称为“近场焊接”，距离大于6 m m 的称为“远场焊接”。近场焊接和远场焊接的机理有所差异，在近场焊接中，焊接面的 超声振幅与焊头表面的振幅接近，而远场焊接需考虑波在焊接件中的传播，其中近场焊 大连理工大学硕士学位论文 接是常用超声波焊接形式。一般超声聚合物焊接必须要制作导能筋结构，又叫能量控制 器，导能筋在焊接过程起到关键的能量集中和引导作用，焊接过程是依靠导能筋的熔融， 材料熔融后依靠焊接压力和超声振动的作用，在焊件接触界面间形成一层熔融连接层来 实现两器件的连接。 1 2 1 超声波聚合物焊接系统 1 9 9 8 年，同本学者j i r o m a r u 和t s u j i n o 等设计了一种超声波塑料焊接系统，由一个 9 0 k h z 和一个2 0 k h z 的振动系统组成，这两个系统中又可有三种组合方式，他们认为使 用高于2 7 k h z 或4 0 k h z 的频率时，因为超声振动可以被材料更多的吸收，所以可得到高 的焊接质型2 4 2 5 】。莫斯科工业大学的研究人员对不同材质的塑料进行表面粗糙度对可焊 性的影响研究后认为，超声波焊接在焊接同种塑料时效果最好；熔化温度相差在2 0 以 内，且化学性质具有相容性的两种塑料也可以进行焊接【2 酬。b r a n s o n 公司的d a v i d a g r e w e l l i z 7 】用工控机和d a 转换卡控制焊接机器进行了有规律变化的振幅压力试验， 得出结论如下：在合适的超声振幅下，器件焊接完成后存在较小的残余应力和高的分子 杂乱性，焊接强度高，采用优化的焊接压力和超声振幅可以使焊接时间降低，提高焊接 强度，提高焊接效率。 在我国，哈尔滨工业大学较早的进行了超声波聚合物焊接研究，较早的超声波聚合 物焊接所用的控制模式为时间控制模式，这种模式首先设定焊接时间，时间结束后无论 焊接好坏均停止发出超声，以焊接时间作为控制质量好坏的关键参数，所以时间控制模 式下得到的焊接质量不稳定，但控制方法简单，易于操作和实现。针对超声波焊接大批 量生产中，由于焊接工艺参数波动，接头质量的一致性差的问题，哈工大杨士勤等提出 了超声能量模式控制技术，能量控制模式事实上是指：超声波聚合物焊接的质量与输入 到待焊件中的能量有直接关系，如果通过对焊接过程输入到焊件中的能量进行控制，达 到形成良好焊接接头所需要的能量后再停止超声，可提高焊接质量，对保证产品质量的 稳定性具有重要意义【2 8 1 ；他们还提出了焊接过程的变压力控制技术，实现整个焊接过程 中压力的最佳控制，在焊接熔化过程及保压凝固的不同阶段给出合适的焊接压力，从而 提高了接头的组织性能和外观质量【z 引。 超声焊接机是机电一体化的焊接装置，其主要由超声波发生器、控制电路部分和声 能系统( 换能器、变幅杆、焊头) 以及传动系统组成，图1 4 、1 5 所示的为美国b r a n s o n 公 司生产的2 0 0 0 x f 系列超声波焊接机的原理及实物图，它是一款超声发生器频率为 3 0 k h z ，有时间、能量、相对位移、绝对位移、峰值功率多种控制模式的焊接机，其中位 移模式是通过控制焊接过程熔融坍塌距离来控制材料的熔化量，以保证得到所需焊接质 聚合物微流控芯片超声波键合方法研究 量的目的【3 0 1 ，时间控制模式和能量控制模式如上述介绍。本实验使用的2 0 0 0 x 睬列超声 波焊接机还具有检测焊接过程中工艺参数变化情况的功能，且能输出其变化曲线。超声 发生器最长超声时间为3 0 s ，此焊接机位移控制精度高达2 5 4 # m ，振幅控制范围为 雏m o # m ，振幅控制精度为o 6 # m ，压力控制范围为4 4 n - “8 5 n ，压力控制精度为l n 。 压力机 i ( 提供垂直振动单元 船 工作过程的压力) i j 丽黼删删换， 、引淼灼 囤觖 i 调平底板和火具 焊机底座 r r i 聂订j ； ! l 一 i 控制装置 j i。j 图1 4 超声波焊接设备原理图 f i g 1 4 s c h e m eo fu l t r a s o n i cw e l d i n ge q u i p m e n t 一8 一 人连理【大学硕十学位论文 蚓i _ 5b r a n s o n 2 0 0 0 x f 系刘超声波埠按机 f i g15p h o m g m p h o f b r a n s o n 2 0 0 0 m fu l t r a s o n i c w e l d i n g m a c h i n e 122 超声波聚合物焊接工艺 焊接工艺参数是否合适是影响材料最终焊接质量的决定凼素，焊接工艺参数主要 包括超声波发生器频率、超声波振幅、超声焊接时间、触发压力、焊接压力、保持压 力、保压时间等，现在对超声波焊接工艺参数的研究主要集中在实验研究方面，通过 相关实验方法得到最优的键合工艺参数组合。 大连理工大学刘川等人进行了超声波塑料焊接机理和焊接工艺参数研究p “，他认为 对焊接质量产牛影响并可以调节的参数主要是焊机带来的参数，如振幅、压力、超声时 间和保压时间阴个因素，通过找到以上参数的是优组合就能得到最优的焊接质量和焊接 精度。当变幅杆确定时，振幅就是同定值，因此选取超声时间、焊接压力和保压时间三 个作为主要影响因素，通过进行f 交实验和极差分析得到最优的工艺参数。选取焊接压 力超声时间和保压时间作为实验因素，然后测量焊接后焊件的焊接强度，得到如下结果： 从焊接强度极差分析中看出超声时间对焊接强度的影响最大，其次是保压时问，再次 是超声时间。 哈尔滨上业大学侯旭光等人进行了超声波塑焊工艺参数的研究庠i ，得出焊接工艺参 数对焊接质量的影响规律，指出焊接时i 白j 直接影响焊接过程热量产生多少足影响焊接 质量的最主要因素。h 有焊接压力达到一定数值时，焊接接头才能形成有效的连接强度。 保压时问的作用是使焊接后的接头在。定的_ l = 1 三力下完成融合的凝固过程。 聚合物微流控芯片超卢波键合方法研究 陕西师范大学牛勇对塑料的超声熔焊特性进行了研究【3 3 j ，认为熔融过程电功率可分 为三个阶段：振动摩擦发热，熔焊一体，能量过剩。熔焊拉力强度随着单位体积消耗的 高频电能增加而提高，由于电功率的重要作用，在功率超声的研究和开发中，对超声发 生器电功率的准确测试也显得越来越受到重视，各种功率调节设备也不断产生m j 。 美国俄亥俄州州立大学的b e n a t a r 和a v r a h a m 对超声近程焊接进行了系统的研究f 3 列， 他们认为可塑性塑料有非晶态和半晶态之分，因此在焊接时间、焊接压力以及振幅的影 响对不同晶态材料是不同的。在文章中还讨论了热塑性塑料的远场和近场超声焊接技 术，建立了包括焊头和央具在内的系统动力学模型，并对产热机理做了详尽阐述。 在超声振幅确定的情况下，焊接质量直接还受到焊接过程焊接压力、超声时间、保 持压力和保压时间的影响。焊接时间和焊接压力影响焊接接头的拉剪强度，但太大易于 造成表观质量的下降；保持压力和保压时间对焊接接头强度有一定的影响，但对表观质 量的影响不大f 3 6 】。各种聚合物材料的物理化学性质不同，聚合物材料随超声振幅的温升 率不同，所以每种聚合物材料都有一个达到熔化的最小振幅【3 7 】，如果振幅不够，塑料很 难达到使之熔融的温度，所以对某种聚合物材料来说存在一个最合适的振幅范围。 焊接过程中产生的热量与焊接时间成正比，随着焊接时间的增加，意味着在焊接区 域部位产生的热量增加，焊接接头处的强度也随之增加，这是因为随着焊接时间的增加， 结合表面的塑料熔化量增多。从前面分析中可看出，各工艺参数之间是相互制约的，超 声波振幅、焊接压力和焊接时问都会影响焊接的质量，为了获得高质量的焊接结果，必 须研究工艺参数对超声焊接的影响。 1 3 本课题的研究内容及意义 聚合物微流控芯片的键合是制造微流控芯片的关键环节之一，是影响微流控芯片产 业化的瓶颈问题之一，键合成本的高低直接影响微流控芯片的产业化程度水平。目前微 流控芯片键合方法存在键合效率不高，生物兼容性不好，易于引起微结构变形等缺陷， 为了提高微流控芯片的键合效率，保证键合质量，本文开展了聚合物微流控芯片的超声 波非熔融键合方法研究，主要进行了如下的工作： ( 1 ) 聚合物微流控芯片超声波键合相关理论研究，主要包括微熔融、溶剂辅助和 热辅助超声波非熔融键合相关理论。 借鉴超声波聚合物焊接技术，应用超声波整体键合聚合物微流控芯片能提高加工效 率，减小微结构和器件整体变形，具有良好的产业化应用前景。但该项研究刚刚起步， 因此对键合机理和相关键合方法的研究对提升微流控芯片的键合质量具有重要意义。 人连理上人学硕士学位论文 ( 2 ) 聚合物微流控芯片超声波微熔融键合方法的研究 传统的超声波聚合物焊接技术是一种熔融式焊接技术，焊接过程需要制作导能筋结 构，但在键合聚合物微流控芯片时，很难控制熔融流延前端，影响键合一致性。因此本 文提出一种聚合物微流控芯片超声波微熔融键合方法，引入面接触导能结构，延缓超声 波焊接热量产生过程，优化控制超声波振幅和键合时间，使得键合过程只产生少量的熔 融物以实现芯片微通道的良好键合。实验验证了该方法并对键合结果进行测试，得到了 较好的键合效果。 ( 3 ) 基于局部溶解性激活的聚合物微流控芯片超声波非熔融键合方法研究 利用有机溶剂对材料的溶解作用进行微流控芯片的键合是一种重要的键合方法，利 用超声波局部产热原理和溶剂的温变溶解特性进行聚合物微流控芯片的超声波键合，该 方法能避免溶剂对芯片基体材料和器件微结构的损坏。通过搭建的温度测试装置对超声 键合界面温度进行测试，确定键合过程所需工艺参数，通过实验设计对键合工艺过程进 行优化控制。 ( 4 ) 热辅助聚合物微流控芯片超声波非熔融键合方法研究 热辅助超声波键合是提高基片温度后，利用低于临界振幅的超声波加热聚合物键合 界面，控制界面温度在聚合物材料玻璃转化温度附近，在超声压力作用下实现芯片键合。 该方法利用超声局部产热，使键合过程中只有基片待键合部位达到材料玻璃转化温度附 近，基片其它部位温度保持在热辅助温度左右( 聚合物可长期使用的最高温度) ，而传 统的热键合是将芯片基体材料整体加热到玻璃转化温度附近，那样容易引起微流控芯片 基片的热变形，产生热应力。设计并搭建了热辅助超声波键合实验装置，进行了聚合物 微流控芯片的热辅助超声波非熔融键合实验。 聚合物微流控芯片超声波键合方法研究 2 聚合物微流控芯片超声波键合相关机理研究 对聚合物m e m s 器件的超声波键合研究能够促进聚合物m e m s 器件制造技术的进 步和发展，改善传统键合技术存在的问题，但是目前对聚合物m e m s 器件超声波键合 的研究多数是依靠传统的聚合物超声波熔融式焊接方法，集中在研究聚合物m e m s 器 件键合工艺、导能筋结构设计和优化等方面，对聚合物m e m s 器件超声波键合相关理 论研究较少。本章首先介绍聚合物m e m s 器件超声波键合国内外研究现状，然后根据 聚合物m e m s 器件的超声波键合的特点，研究了三种聚合物微流控芯片超声波键合方 法的相关机理，包括：超声波微熔融键合机理、局部溶解性激活非熔融键合机理和热辅 助超声波非熔融键合机理。 2 1 聚合物m e m s 器件超声波键合理论和实验研究现状 超声波方式实现塑料焊接的技术已经比较成熟，已被广泛应用于工业、民用、航空 等众多行业。对于聚合物m e m s 器件的键合今年才得到发展。导能筋在键合过程中起 到关键的能量集中和引导作用，因此导能筋也称为能量导引器，依靠导能筋在键合过程 熔融后在连接界面间形成熔融连接层实现器件的连接。 大连理工大学韦鹤、王晓东等人【3 8 1 较早的丌展了聚合物微流控芯片超声波键合的 仿真研究，设计了两种导能筋结构，如图2 1 所示，利用a n s y s 有限元分析软件分析超 声波焊接过程，用单元的“生死 和热焓法控制相变，模拟出导能筋结构的温度场分布 情况和微沟道的变形情况，从仿真的角度研究了这两种导能筋形式的可行性。 ( a )( b ) 图2 1 不同形状导能筋结构和微沟道 ( a ) 凸字形能量引导结构的沟道( b ) 梯形能晕引导结构沟道 f i g 2 1t r a n s f i g u r a t i o no fm i c r o c h a n n e l sw i t hd i f f e r e n te n e r g yd i r e c t o r ： ( a ) c o n v e xe n e r g yd i r e