（机械制造及其自动化专业论文）塑料微流控芯片制造系统的控制方法和实验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 微流控芯片是当前微型全分析系统领域发展的重点，它具有快速、高效、低耗等优 点，在基因分析、疾病诊断、药物筛选等领域具有广阔的应用前景。采用p m m a ( 聚甲 基丙烯酸甲脂) 等材料制作微流控芯片的工艺方法，是拓展微流控芯片应用、实现产业 化的关键。热压键合设备是塑料微流控芯片自动化生产系统的重要组成部分，本文研究 了热压键合设备的控制理论和技术，完成了自动控制软件的设计和编写，并对控制系统 的性能进行了分析和实验验证。 本文综述了塑料微流控芯片及热压键合设备的发展与现状，概述了工业过程控制的 发展和特点，对温度和压力控制系统及其控制方法开展了研究，完成了如下研究工作： 分析了温度控制的任务与需求，采用闭环控制方案，选择了p i d 控制器为基本控制 器。在对被控对象进行模型辨识和模型仿真验证的基础上，进行了z i e g b r - n i c h o l s 整定 和人工整定。仿真和实验证明普通p i d 控制不能满足控制要求，故本文采用了一定的数 字p i d 改进算法。实验证明，压力控制示值误差不大于o 2 c ，达到和超过了设计要 求，系统的阶跃响应快速而平滑，几乎无超调地达到稳态。 分析了压力控制的任务与需求，采用闭环控制方案，选择了p i d 控制器为基本控制 器。在分析压力控制特点的基础上，本文有针对性地采用了数字p i d 改进算法，并提出 了脉动积分算法，可以有效克服摩擦和间隙非线性，提出了变周期采样控制法，可以有 效提高平均采样频率，改善对快速反应过程的控制特性。实验证明，温度和控制示值误 差优于2 0 n ，达到和超过了设计要求。同时，系统的阶跃响应快速而平滑，几乎无超 调，斜坡响应滞后小、误差小。 分析了控制软件设计的任务与需求，进行了总体设计和界面设计，选择v i s u a lc + + 为编程语言，采用面向对象程序设计方法完成了类的设计和实际编程。在p w m 脉宽调 制的软件实现方法上，提出了线性积分比较法，大幅提高了脉宽调整方波的频率。实际 编写程序达2 6 0 0 0 行。最后对自动运行参数设置的规则进行了设计。 塑料微流控芯片热压键合设备已经投入自动化生产，生产的芯片质量、精度、重复 性和一致性良好。 关键词：微流控芯片；键合；p i d 控制；非线性控制 塑料微流控芯片制造系统的控制方法和实验研究 r e s e a r c ho nc o n t r o lm e t h o d sa n d e x p e r i m e n t s o ft h ef a b r i c a t i o n s y s t e m f o rp l a s t i cm i c r o f l u i d i c c h i p s a b s t r a c t m i c r o f l u i d i cc h i pi so n eo f t h ei m p o r t a n ta s p e c t so f i t t a s ( m i c r o t o t a la n a l y s i ss y s t e m ) ， a n di th a s g o o dc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c h a sh i g h s p e e d ，h i g h e f f i c i e n c y , l o wc o n s u m p t i o n ，e r e i th a s w i d e a p p h c a f i o np r o s p e c t s i nt h ef i e l d so f g e n e a n a l y s i s , m e d i c a ld i a g n o s i s ，m e d i c i n ef i l t r a t i o n ， e t c 1 1 1 cf a b r i c a t i o np r o c e s so f m i c r o f l u i d i cc h i p su s i n gp o l y m e rm a t e r i a l s ，s u c ha sp m m a ，i s t h ek e y t oe x t e n dt h ea p p h c a f i o nr a n g eo f m i c r o f l u i d i cc h i p sa n dr e a l i z e 血e i ri n d u s t r i a l i z a t i o n p r o d u c t i o n 田l eh o t - e m b o s s r i g a n d b o n d r i gm a c h n e s a r e i m p o r t a n tp a r t so f t h ef a b r i c a t i o no f m i c r o f l u i d i cc h i p s ，t h i sa r t i c l er e s e a r c h e sc o n t r o lt h e o r ya n dt e c h n o l o g i c so ft h em a c h i n e s ， f i n i s h e sd e s i g n i n ga n dp m g r a n m l i l l gt h ec o n t r o ls o f t w a r e a n da n a l y s e sa n dt e s tt h ec o n t r o l s y s t c r np e r f o r m a n c e n l e d e v e l o p m e n t a n d p r e s e n ts i t u a t i o no f p l a s t i cm i c m f l u i d i cc h i p sa n d t h em a c h i n e sw e i e s u m m a r i z e d 弧e d e v e l o p m e n t a n dc h a r a c t e r i s t i c so f i n d m l r y p r o c e s sc o n t r o lw e r es u m m e du p t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r ec o n t r o ls y s t e m o f t h e m a c h i n e sw 讯s t u d i e d 皿抢t a s ka n dd e m a n do ft h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m 黼a n a l y z e d , a n dc l o s e l o o p c e n t r e ls c h e m ew a sa d o p t e d a n dp i dc o n t r 0 1 1 e rw a sc h o s e na sb a s ec o n t r o l l e r o nt h eb a s eo f m o d e li d e n t i f i c a t i o na n ds i m u l a t i o n z i e g l e r - n i c h o l st o n i n ga n dm a n u a lt o n i n ge x p e r i m e n tw e r e c a r r i e do u t b u tc o m m o np i dc a n n o tr e a c ht h ec e n t r e ld e m a n dp r o v e db ys i m u a t i o na n d e x p e r i m e n t i m p r o v e dn u m e r i cp i d c o n l r o lm e t h o d sw e r ea p p l i e d e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h e c o n t r o lp r e c i s i o ni sb e l o w o 2 c t h es t e pr e s p o n s ei sf a s ta n ds m o o t h , a n ds y s t e mr e a c h e s s t a t i cs t a t e sw i t hl i t t l eo v e r s h o t t h et a s ka n dd e m a n do f t h e p r e s s u r ec o n t r o ls y s t e mw e r ea n a l y z e d ，a n dc l o s e q o o p c o n t r o l s c h e m ew a sa d o p t e d , a n dp dc o n t r o l l e xw a sc h o s e na sb a s ec o n t r o l l e r o nt h eb a s eo f a n a l y z i n gp r e s s u r ec o n t r o lc h a r a c t e d s t i e s , i m p r o v e d n u m e r i cp i dc o n t r o lm e t h o d sw e r e a p p l i e d p u l s a n t i n t e g r a la c c e l e r a t ep i d c o n t r o la l g o r i t h mw a s p m s e n t e d ，w h i c h c a nw e a k e nf r i c t i o na n d c l e a r a n c en o n l i n e a r i t ye f f e c t i v e l y , t i m e - v a r y i n gp e r i o ds a m p l i n ga n dc o n t r o lm e t h o d sw a s p r o p o s e d ，w h i c hc a n i n c r e a s ea v e r a g e s a m p l i n g 丘e q u e n c y , a n di m p r o v e c o n t r o lp e r f o r m a n c et o q u i c k r e s p o n s eo b j e c te x p e r i m e n t ss h o w t h a tt h ec o n t r o lp r e c i s i o ni sb e l o w _ _ 2 0 nt h e s t e p r e s p o n s ei s f a s ta n ds m o o t h , a n ds y s t e mr e a c h e ss t a t i cs t a t e sw i t hh t t l eo v e r s h o t ，t h er a m p r e s p o n s e h a ss m a l l l a g a n dc i t e r 一一 大连理： 大学硕士学位论文 t h et a s ka n dd e m a n do ft h ec o n t r o ls o f t w a r ed e s i g nw a sa n a l y z e d ，g e n e r a ls 在u c t u r ea n d u s e ri n t e r f a c ew e r ed e s i g n e d v i s u a lc + + w a sc h o s e na st h ep r o g r a ml a n g u a g e ，a n dc l a s s e s w e r ed e s i g n e d l i n e a ri n t e g r a lc o m p a r em e t h o dw a sp r o p o s e dt or e a l i z ep w m s q u a r ew a v e ， w h i c hc a ni n c r e a s et h ew a v e f r e q u e n c y t h es o l l c ec o d e o f t h es o f a v a r eh a s2 6 0 0 0l i n e s t h eh o te m b o s s i n ga n d b o n d i n g m a c h i n e sh a v eb e e nu s e d p r a c t i c a l l y i 1 1m i c m f l u i d i c c h i p a u t o m a t i c f a b r i c a t i o n , a n d t h e c h i p s h a v e s a t i s f a c t o r yq u a l i t y , p r e c i s i o n , r e p e t i t i o na n d c o n s i s t e n c y k e yw o r d s ：m i c r o f l u i d i c ；b o n d i n g ；p i dc o n t r o l ；n o n l i n e a r c o n t r 0 1 l 一 本文由国家8 6 3 高技术研究发展计划m e m s 重大专项“非硅m e m s 加：技术及其应用研究微流控芯片加工工艺与制造技术研究( n o 2 0 0 4 a a 4 0 4 2 6 0 ) ”资助完成，特此感谢! 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。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。 作者签名：日期： 大连理工大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 微流控芯片简介 1 1 。1 徽流控芯片的概念和意义 2 0 世纪以来的科技史上有两项发明影响深远，一是微电子芯片，它是计算机和诸 多电器的心脏，改变了人类经济和社会生活的方式；另一项就是生物芯片，它革新了医 学诊断和治疗的准确性，改变了生命科学的研究方式。从某种意义上说，如果2 0 世纪 属于微电子芯片的话，2 l 世纪则是生物芯片的时代 1 。 根据结构及工作机理的不同，生物芯片可分为两类【2 】( 3 】。一类是d n a 探针阵列型 生物芯片( m i c m a r r a yc h i p s ) ，即将一组寡核苷酸探针有序地固定在硅、玻璃等基片表 面，组成一个二维阵列，d n a 探针阵列与待测d n a 通过分子杂交反应进行检测。这类 芯片的操作复杂，探针合成工作量大，成本高，芯片功能单一，由于研究时间较长，技 术上已经成熟并有商品出售。另叫是以各种微结构阵列为基础，包括微通道和微反应 池等，称微流控芯片( m i c r o f l u i d i cc h i p s ) ，即本文主要阐述的芯片。 微流控芯片是微系统技术在分析化学领域应用的产物，作为一个跨学科的新领域， 它的产生、发展得益于u n 峪( 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 ) 概念的提出 4 】，现已 成为全世界研究领域的热点。它以分析化学为基础，以微机电加工技术为依托，以微管 道网络为结构特怔，以生命科学为目前主要应用对象，是当前微型全分析系统领域发展 的重点。它的目标是把整个化验室的功能，包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检 测等集成在微芯片上，且可多次使用。利用微流体在电场下的运动特点，可以在微升甚 至纳升级的流量中分析生物样品或试剂，分析速度成十倍百倍地提高，费用成十倍百倍 地下降，从而为分析测试技术普及到千家万户创造了条件。从1 9 9 5 年美国加州大学 b e r k e l e y 分校的m a s h i e s 等人在微流控芯片上实现了高速d n a 测序开始，关于微流控 芯片的研究和商业化的活动方兴未艾，现在已经广泛应用在药物检测、新药研发、食品 和商品检验、环境监测、刑事科学、军事科学、生物化学及航天科学等领域。 1 1 2 微流控芯片的提出与发展 早在1 0 0 多年前，人们就对荷电粒子在电场作用下的泳动现象进行过研究。到2 0 世 纪3 0 4 0 年代，电泳作为一种分离技术得到了快速发展，特别是高效毛细管电泳 ( h i np e r f o r m a n c ec a p i l l a r ye l e c t r o p h o r e s i s ，缩写为h p c e ) 技术的出现，使电泳技术 产生了一场深刻的变化。1 9 5 7 年，s k e g g s 创始的间隔式连续流动分析( s c f a ) ，把化 塑料微流控芯片制造系统的控制方法和实验研究 学分析转移到有液体连续流动的管道中，突破了分析化学传统操作中以玻璃器皿和量具 为主要工具的操作模式，实现了进样和化学反应的初步集成 5 。虽然s c f a 在溶液分析 自动化方面取得了成功，使驱动手段有了发展，但在试剂消耗、分析速度、微型化方面 无显著提高。r u z i c k a 与h a n s e n 于1 9 7 5 年提出了流动注射分析( f i a ) ，他们继承和发 展了s c f a 的思想，提出了在非平衡( 不完全混合，不完全反应) 条件下实现高重珊陛 定量分析的技术条件。这一思想的提出大大地提高了分析速度，同时也促进了分析系统 的微型化。1 9 7 4 年，r u z i c k a 等提出流动注射分析方法f f i a ) ，由此产生了全分析系统 ( r a s ) 的概念。t a s 是一种集进样、反应、分离、检测为一体的全自动分析实验装置， 具有效率高、精确度和重复性好等优点，但也存在着分析过程耗时长、样品用量较多及 样品前处理较复杂等缺点。1 9 8 9 年，m a n z 等提出1 t t a s 的概念。1 1 - t 鲥s 是将整个实 验过程集成到尽可能小的操作平台上完成，这样不仅节省了实验时间和样品用量，而且 由于体积小、重量轻、便于携带，使得实验过程不必局限于实验室，这给需要实地采 样、在线检测、过程控制等特殊实验工作带来了极大的方便。 上个世纪9 0 年代是微流控芯片发展最快的1 0 年。1 9 9 4 年始，美国橡树岭国家实 验室r a m s e y 等在m a n z 的工作基础上发表了一系列论文，改进了芯片毛细管电泳的进 样方法，提高了其性能与实用性，引起了更广泛的关注。而m a n z 与w i d e r 在分析系统 的微型化方面做出了极富成效的工作，m a n z 把微电子领域的m e m s 作为技术依托，成 功地将f i a 转移到玻璃或石英芯片上 6 】 7 】。此后，微全分析系统开始走向成熟，其发 展重点定位在将电渗驱动的毛细管电泳应用到玻璃或石英芯片上，使微流控芯片的商业 开发进入实质性阶段。 在大专院校、科研院所对微流控芯片展开广泛深入的研究的同时，有关企业中对微 流控芯片及其配套设备的应用开发工作也在加紧进行。1 9 9 8 年之后专利之战日益激烈， 一些微流控芯片开发企业纷纷与世界著名分析仪器生产厂家( 其中包括惠普、p e 、岛 滓、日立等) 合作，利用各自的优势技术平台抢先推出首台微流控分析仪器。1 9 9 9 年9 月惠普与c a l i p e r 联合研制的首台微流控芯片商品化仪器开始在欧美市场销售，至2 0 0 0 年 8 月已可提供用于核酸及蛋白质分析的5 6 种芯片。其他几家厂商也于2 0 0 0 年开始将 其产品推向市场【8 】。 国内对于微流控芯片的研究尚处于实验室阶段，开展这方面的研究也只局限于一些 高等院校和中科院系统研究院所。目前在微流控芯片方面的研究已经全面展开，未来几 年内将会取得长足进展。如浙江大学化学系微分析系统研究所 9 】、中科院长春应用化学 研究所 1 0 】、清华大学生命科学研究院 1 1 1 、大连理工大学m s t 研究中心 1 2 等，他们 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 在微流控分析的某些领域已处于世界发展前沿。浙江大学和清华大学先后研究成功了玻 璃微流控芯片的制作；中科院电子学研究所也研制出玻璃玻璃、硅玻璃、玻璃- p d m s 等三种材料和结构的微流控芯片，并开发成功了p c r 芯片和配套的扩增仪，还申请了 一种新结构的p c r 专利；大连理工大学m s t 中心于2 0 0 4 年研制出了塑料微流控芯片 的自动化生产线。 1 1 3 塑料微流控芯片自动化制造技术 1 1 3 1 微流控芯片材料的选择与发展 随着微细制造技术的发展及更多材料的使用，微流控芯片的发展也随之多样化。按 照制作材料的不同可以将微流控芯片分为硅基微流控芯片和聚合物类微流控芯片。前者 主要以单晶硅、玻璃和石英作为芯片材料，后者则以有机玻璃( 聚甲基丙烯酸甲脂，英 文缩写珊皿d a ) ，陶瓷和硅橡胶( 聚二甲基硅氧烷，英文缩写p d m s ) 等。另外制作 电泳芯片，也可以采用不同材料及其组合，如硅与玻璃，玻璃与p d m s 、p d m s 与 p m m a 等 9 1 3 。 2 0 世纪9 0 年代早期，芯片实验室( 1 a b - o n - a - c h i p ) 的研究开始以来，基于半导体工 业成熟的加工技术，玻璃、硅作为制作微流控芯片的材料一直处于主导地位。硅或玻璃 作基体材料，所使用的各向同性腐蚀技术，腐蚀方法具有刻蚀时间长，刻蚀深度较难精 确控制，很难获得高深宽比的微结构，使芯片性能难以改善，且需要相应的洁净条件和 制作设备，工艺过程复杂。而可替代的工艺如等离子或反应离子刻蚀方法设备昂贵，对 操作人员和操作参数要求高。故以玻璃、硅作为基材的微流控芯片遇到了发展障碍。 于是生产厂商及更多的科研人员寻找其它更为合适的材料。用塑料等聚合物来制造 微流控芯片使得人们看到了包括降低成本、简化制造工艺尤其是相对于玻璃和硅的制作 成本和工艺的希望。另外市场上现有的丰富塑料材料使得人们可以在成本很低的情况下 找到适合特定用途性能的材料，这无疑是具有很大的吸引力。因此塑料等聚合物材料以 其良好的可加工性、电绝缘性、光学透明性、表面可修饰性和可密封性 1 4 】等性能优势 成为研究人员研究的一个重要方向和商家投资的新领域。 聚甲基丙烯酸甲酯( p h 似a ) ，俗称有机玻璃，是塑料材料中一种研究塑料微流控 芯片的重要材料。它具有价格便宜、制作工艺相对简单、加工的可重复性较好等优点， 并且关于p m m a 的芯片加工技术研究有相当多的报道。因此，孙皿4 a 已经成为当前微 流控芯片制造材料的研究热点之一，也是现今最具有前景的制造材料。它也有自身难以 克服的缺点：高温和高p j 值条件下稳定性下降，散热性不如硅和玻璃，不耐有机溶剂 一3 塑料微流控芯片制造系统的控制方法和实验研究 等。但是如果在具体使用过程中，认真考虑微流控芯片的使用环境并加以有效地控制， 或对微流控芯片采取表面改性处理等措施，它的缺点在定程度上是能够克服的。 1 1 3 2 塑料微流控芯片的热压与键合 塑料微流控芯片模制工艺基本上可以分为四步：芯片设计( c h i pd e s i g n ) 、模版制 造( m o l df a b r i c a t i o n ) 、芯片热压模制( p o l y m e rr e p l i c a t i o n ) 和键合( b o n d i n g ) 。其 中，热压工艺和键合工艺是最关键、最困难的两道工艺。前者的作用是形成微细结构， 如数十微米宽的、截面为矩形的微通道；后者的作用是将微通道封闭，形成封闭的毛细 管道。 热压法是给模板与塑料基板施加一定温度的和压力，并保持一段时间，从而制出芯 片微通道的工艺过程。热压法加工微流控芯片时，首先制出通道部分凸起的阳模，然后 在热压装置中将聚合物芯片加热到玻璃态转化点，通过在阳模上施加一定的压力，并保 持一定时间，即可在聚合物基片上压制出微通道，然后在加压的条件下，将阳模和刻有 通道的基片一起冷却后脱模，就得到所需的微结构。最后将刻有微通道的基片和相同材 质的盖片进行热压键合就得到微流控芯片。热压法具有能加t 大深宽比的微通道结构 ( 1 0 ) 、加工厚度在0 5 m m 以上塑料基板、模板安装简单等优点 1 5 】 1 6 】。热压成形过 程中温度、压力随时间变化的工艺曲线如图1 1 所示。压力是芯片热压过程的重要工艺 参数之一，其控制效果直接影响到芯片通道热压成形的质量 1 7 】【1 8 】。 l 斟 磋 k 型! i 潞度 心一 压办 入 图1 1 热压过程中温度、压力与时问关系曲线 f i g 1 1t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r ev a r i a t i o n si n h o te m b o s s i n gp r o c e s s 塑料微流控芯片的热压技术始于美国国家标准与技术研究院。1 9 9 7 年，该院的 l a t i s a 1 9 采用1 3 # m 和2 5 m m 的镍铬合会丝，分别在p m m a 基片和盖片上热压出分离 进样通道，如图1 2 ( a ) n t 云，在热压温度9 4 1 2 0 c ， 热压时间1 0m i n 的条件下获得 d 大连理工大学硕士学位论文 了图1 2 ( b ) 所示的沟道轮廓。由此可见，金属线热压法加工的芯片沟道简单，线性度 差，不利于芯片的应用，目前已很少有人研究。之后，国内复且大学的水雯箐 2 0 采用 5 0 l m 钼丝对几种不同来源的p m m a 材料进行了微通道热压研究，考察了热压压力对通 道成形深度的影响，发现存在内应力的材料使用过程中易发生开裂和出现银纹。 金属线热压法虽然效果不理想，但实验证明其该方向是可行的，人们沿着该方向进 而转入模具热压法。当前，模具热压法已成为塑料微流控芯片主要热压法。它是一种快 速复制微流控芯片的技术，世界各国对于热压的工艺参数( 如温度、压力、时间等) 、 芯片材料的特性、热压微通道的模具、微沟道的制作质量及后续芯片键合的质量、方法 等展开了广泛的研究。 ( a ) 0 0 图1 2 ( a ) 金属线热压法；0 ，) 沟道轮廓圈 f i g , 1 2 ( a ) f a b r i e a t i o np r o t o c o lb yw i r e - i m p r i n t e d ； ( b ) t y p i c a lp r o f i l eo faw i r e - i m p r i n t e dc h i p 3 0 ( 3u m 1 9 9 9 年美国俄亥俄州州立大学材料科学与工程系最先进行了模具热压的研究实验 2 1 。他们采用p c 作为芯片材料，分别选用了硅、镍作模具对进行了微通道的热压 制。 图1 - 3 为芯片沟道的形状及压制芯片所用的模具。图1 4 是他们对热压工艺参数与 沟道成形关系的实验曲线。该热压技术的微沟道成形的用时较短，不超过一分钟，而包 括脱模在内的全部热压工艺也仅需几分钟。 一5 塑料微流控芯片制造系统的控制方法和实验研究 图1 3 ( a ) 芯片沟道图；( b ) 刻蚀制取的硅模板；( c ) 电铸制取的镍模板 f i g 1 3 ( a ) d e s i g no fc h i p ，( b ) ad r i e - m a d es i l i c o nm o l d ，( c ) an i c k e lm o l d f r o me l e c t r o p l a t i n g 1 8 0 1 l 柚 1 2 0 m o 卜如 6 。 4 0 2 0 t ( f f i o m t ( p o l y m m - ) 0j ol o o1 5 0瑚2 3 0 0 t i m e 妞岣 搪0 i 1 4 0 1 2 0 9 0 0 i 舶 舶 m 9 0 0 攘 。i 0 。l 摹 ? 。 图1 4 热压工艺中温度与沟道成形关系图( 材料：p c ，压力：2 3 p s ) 热压温度：( a ) 1 5 5 c ；( b ) 1 6 5 c f i g 1 4t y p i c a ld i s p l a c e m e n ta n dt e m p e r a t u r ep r o f i l e sd u r i n ge m b o s s i n gp r o c e s s ( m a t e r i a l ：p c ；p r e s s u r e ：2 3p s ) a t ( a ) 1 5 5 ( 2 ；( b ) 1 6 5 ( 2e m b o s s i n gt e m p e r a t u r e 微流控芯片经模具热压后获得通道是开放的，需加以键合封接形成封闭通道才能用 于化学分析和检测。键合也称封接，是芯片制作中一个关键的工艺环节。随微流控芯片 的材料不同，键合工艺还分成硅- 硅 2 2 】、硅一玻璃 2 3 、玻璃一玻璃 2 4 、p m m a p b 0 a 2 5 键合几类。对于热压后芯片的键合方法有：粘接方法，该方法需要特殊的 粘接剂( 如热敏或压敏胶) 或粘接材料，而且粘接剂与芯片基体材料性质不同，可能产 生样品区带增宽，粘接剂又易堵塞微通道。热压键合，浚方法为给塑料芯片加适当的 一6 一 d；s哥gj-_j 蛐啪珊瑚瑚晰姗抛m o 大连理工大学硕士学位论文 温度后，在一定的压力下，将微流控芯片的基片与盖片进行封接。热压键合法由于时间 周期短，适合于大批量的芯片生产，正在被推广使用。其次激光焊接和超声焊接是正在 发展的两种新型的键合方式，共同点是都能在极短的时间内把较小的能量作用在局部区 域，使芯片局部软化、熔化和连接，因而具有速度极快( 达几秒甚至零点几秒) ，强度 较高、变形小等优点，但工艺较困难，目前尚处于研究探索阶段，还没有形成成熟的工 艺。 美国国家标准与技术研究院的l a r i s a 对p m m a 微流控芯片的热粘合工艺进行了研 究u 9 ，结论是实现热粘合的关键是粘合的温度和时间。1 9 9 9 年m a r cj ( 美国俄亥俄州 州立大学材料科学与工程系) 的研究表明：采用真空进行热粘合可用较低的温度、压力 参数，减小了微沟道的变形 2 l 】。但真空键合的工艺过程复杂，其实用性还有待进一步 研讨。 1 1 3 3 微流控芯片热压键合设备现状 目前世界各国对于微流控芯片的研究与应用基本上都处于实验室阶段，且研究热点 集中在微流控芯片热压键合的材料选取与改性、工艺方法与理论、药品分析应用等方 面，而在热压键台的制造设备上研究与投入都较少，未形成成形成熟的产品。在这方 面，国内大连理工大学m s t 中心走在世界前列。 ( b ) 图1 5 国外实验室热压设各 f i g 1 5h o te m b o s s i n ge q u i p m e n ti nl a b o r a t o r y 图1 5 ( a ) 是美国俄亥俄州州立大学材料科学与工程系所使用的热压设备 2 6 。该设 备只能完成简单有限的热压功能，可提供温度和压力范围小，控制精度较低，而| ：= i 只能 一7 塑料微流控芯片制造系统的控制方法和实验研究 进行单台手动操作运行，不能形成生产线。图1 5 嘞是德国皇家大学空间研究中心采用 的液压式压力机。再如法国微纳结构实验室a p e p i n 等人采用的压力机 2 7 ，他们是将 s p e c a c 公司的液压压力机进行改制，安装了数控加热器件，但工作时需手动加压。图 1 5 是德国j e n o p t i k 公司所开发的h e x 0 2 型热压设备，可实现的工艺参数为：最高温 度3 2 0 ，最大压力2 0 0 刚。目前，h e x 系列热压装备己具有手动、半自动、自动等控 制方式，其通用性强，但连续生产能力尚有待提高。 相比于国际的研究工作，我国在微流控分析芯片方面的研究起步较晚。目前，国内 使用的芯片，一部分从国外购买，价格较高，且对于科研中灵活多变的特殊要求难以满 足，故相当一部分科研院所独立制作芯片，或委托国内其他单位订做。这些微流控芯片 所采用的设备多是对小型压片机的简单改制。如图1 7 是国内实验室一台典型的热压键 合机，采用手摇液压加压，电阻丝加热和冷却水制冷的方式工作，加工精度、重复性等 方面都难以保证，加工效率低，远远不能满足日益发展的科研需要，更不能满足将来自 动化批量生产的需求。微流控芯片的研究与应用的高速发展，迫切需要莸们研制一套高 效率、高精度、能适应灵活多变的客户要求的自动化制造设备。 图1 6h e x 0 2 型热压系统 f i g 1 6h e x 0 2h o t - e m b o s s i n gs y s t e m 图1 7 国内实验室热压设备 f i g 1 7t h e h o te m b o s s i n g m a c h i n eo fi n t e r n a ll a b o r a t o r y 1 2 工业过程控制技术概述 对于微流控芯片的热压键合，大连理：】二大学m s t 中心已经摸索出一套较为成熟的 工艺参数、流程，但受客观条件限制，目前只能采用手动操作、单片生产，生产效率 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 低，精度低、重复性差。面对微流控芯片研究的开展和应用的迫切需求，我们需要研制 一套微流控芯片的自动化制造设备，把成熟的生产工艺参数和流程在该设备上转化为现 实生产力。 一套生产制造设备要实现自动化生产，除了完善的机械设计、电气系统设计，过程 控制技术是重要、关键的一环。具有了良好过程控制技术的自动化制造设备，其性能参 数才能达到预期的设计精度，同时设备各部分才能协调工作，实现自动化生产。 在微流控芯片的自动化制造设备中，主要需要有压力控制、温度控制、辅助动作控 制( 如电磁阀控制) 、分布控制等等。从功能要求和应用场合来看，这些控制都属于工 业过程控制的范畴。了解工业过程控制的特点、发展和方法论，都有助于本文的自动化 制造设备的控制研究工作。 1 2 1 工业过程控制的发展 自从1 8 世纪中叶蒸气机发明，并广泛应用于工业生产，人类进入了工业时代。工 业生产过程由简单到复杂、由小规模到大规模，并向自动化、智能化、大型化、多品 种、高精密等方向发展，对工业控制技术提出越来越高的要求。在工业控制技术的发展 路程中，工业实际应用不断提出实际问题，促使理论研究不断发展，同时理论研究的结 果转化相应的自动化技术、工具、产品。这样，实际问题、理论研究和自动化工具三者 共同作用，推动着工业控制技术的发展。 从过程控制的工具来看，在最近5 0 年里，工业控制技术得到了最快速的发展。上 个世纪5 0 年代，工业生产过程操作和管理都比较简单，所有测量仪表分散在各个生产 单元( 工艺设备) 上，由工人查看仪表，并人工做相应的调整、控制。6 0 年代，随着 战后工业的迅速发展，规模迅速扩大，生产的复杂性和对产品质量的严格要求，迫切要 求单元生产过程集中管理与控制。同时，电子、电气技术的迅速发展得以应用与工业生 产，人们大量开发了电动类型的测量仪表与控制设备。开始逐步替代原有的气动、机械 传动的测量仪表和控制设备。7 0 年代，电子技术进一步发展，更为广泛的应用于工业 控制，同时，计算机在过程控制的应用引起了工业生产革命性的变化，也使得控制理论 得到长足发展。进入8 0 年代，电子仪表和以微处理器为基础的集散型控制系统 ( d c s ) 在工业生产控制中得到普遍应用，极大的适应了工业向大规模化、自动化的方 向发展的趋势。进入9 0 年代以后，测量仪表数字化、信息系统网络化、集散型 ( d c s ) 控制系统技术的成熟，使工业生产过程控制进入智能化、数字化和网络化的时 代。这一阶段，计算机技术发展对控制理论与实践的推动作用尤为明显。一方面，p d 控制率等传统控制理沧在计算机控制系统上得以改进，重新焕发了青春，而依赖与计算 塑料微流控芯片制造系统的控制方法和实验研究 机技术的、新的控制理论又不断涌现，如模糊控制、专家控制、人工神经网络控制等； 另一方面，计算机的强大计算能力、逻辑分析能力，使控制系统的建模、仿真在控制技 术实际应用前就得以验证、调整、改进，极大的推进了现代控制理论和技术的发展。 从过程控制的理论研究发展状况来看，从上个世纪4 0 年代开始至今日，采用p i d 控制规律的单输入单输出简单反馈控制回路已成为过程控制的核心系统。其理论基础是 经典控制理论，主要采用频域分析方法进行控制系统的分析设计和综合。p i d 控制算法 是对人的简单而有效操作方式的总结与模仿，无需精确的对象模型，算法简单，鲁棒性 好，可靠性高，且其参数具有明显的物理意义，调整方便，其功能和性能足以维护一般 工业过程的平稳操作与运行。目前，p i d 控制仍广泛应用与工业现场，即使是在大量采 用d c s 控制的最现代化的工业生产过程中，p i d 控制仍占总回路数的8 0 9 0 ， 然而，仅仅是单回路的p i d 控制并不能适用于现代工业里众多复杂的过程控制。从 5 0 年代起，逐渐发展起了串级、内模、前馈、预测和s m i t h 预估控制等复杂控制系统， 在很大程度上满足了单变量控制系统的一些特殊控制要求。虽然它们从理论上看仍然是 经典控制理论的产物，但是在结构和应用上各有特色，目前在现代工业中仍在继续不断 的改进和应用。 + 现代工业中，即使采用了上述复杂控制系统，仍有1 0 2 0 的控制问题无法解 决，所涉及的控制过程往往具有强耦合性、不确定性、强非线性、信息不完全性和大纯 滞后等特征，并有苛刻的约束条件。而且这些工业过程大多数是生产的核心部分，直接 关系到产品的精度、质量、产率和消耗等有关指标。随着现代工业日益走向大型化、连 续化、自动化、高精化，对工业过程控制的品质提出了更高的要求，迫切需要一类合适 的先进控制策略。 上个世纪5 0 年代发展起来的以状态空间方法为主体的现代控制理论，为过程控制 带来了状态反馈、输出反馈、解耦控制、自适应控制等一系列多变量控制系统设计方 法。之后，计算机技术的快速持续发展使许多过去无法求解计算的问题得以解决，过程 控制理论于是找到了新的发展突破点。1 9 8 0 年前后，l r i c h a l e t 和c r c u t l e r 分别提出 了其研究的有关解决实时动态环境下带约束多变量耦合系统控制闯题的成果，即著名豹 模型预测启发式控制( m p h c ) 和动态矩阵控制( d m c ) 。之后，通过模型识别、优化 算法、控制结构分析、参数整定和有关稳定性和鲁棒性研究等一系列工作，基于模型控 制的理论体系已经基本形成，并成为目前现代控制应用最成功、最具有前途的先进控制 策略。 一1 0 一 大连理工大学硕士学位论文 上个世纪8 0 年代末以来，人工智能技术有了长足的进步。同时发展起来的专家系 统、神经网络和模糊系统已出具雏形，甚至已经在实践中得到初步成功应用，是最具有 潜力的三个发展方向。专家系统可望在工业生产过程故障诊断和监督控制以及检测仪表 和控制回路有效睦检验等方面获得成功应用：神经网络则可成为复杂非线性过程的建模 提供有效方法，并进而可用于过程软测量和控制系统的设计上：模糊系统不仅是行之有 效的模糊控制理论基础，而且有望成为表达确定性和不确定性两类经验，经过混和提 炼，使之成为知识，进而改善已有的控制理论，也就是先进控制的内容。 鲁棒控制器单独提出来之后，鲁棒性研究一直是控制理论界的研究热点，并逐渐成 为一个独立分支。事实上，与其说鲁棒控制是一种控制策略，倒不如说它是一种控制系 统的设计思想，它可以用于各种类型的控常4 器( 从p i d 控制到复杂的多变量控制器) 的 设计和整定。然而，鲁棒控制的原理过于复杂，尤其很多问题的内在联系难以揭示，要 使之成为解决任何控制问题的当然选择，尚需做大量的改进和简化。鲁棒控制将是先进 控制今后发展的重要方向。 综上所述，现代工业过程控制的理论与实践研究具有较长历史，同时又是- 1 3 发展 到一定高度、一定规模体系的新兴学科，已经广泛渗透到工业生产的各个层次的应用 中。按发展历史和应用程度，把上述过程控制策略分成下表所示的五类 4 4 1 。 表1 1 现代控制技术的分类 第一类：传统控制策略手动控制p i e ) 控制 比值控制串级控制 第二类：先进控制经典技术增益调整时滞补偿 解耦控制选择性超驰控制器 第三类：先进控带! 卜_ 锍行技术模型预测控制统计质量控制 内模控制自适应控制 弟凹哭：，七班拦市! r 馏仕坟小最优控制( l o g ) 专家系统非线性控制 神经控制模糊控制 第五类：先进控审卜研究中的策略 鲁捧控制，日。和肛综合 1 2 2 工业过程控制的特点 相对于般的控制，工业过程控制具有以下特点 塑料微流控芯片制造系统的控制方法和实验研究 1 、被控物理量往往难以直接测量、精确测量。工业过程控制往往采用闭环控制， 闭环控制的控制效果和控制精度很大程度上取决与工业生产过程信号测量的准确性。然 而有些过程信号噪声大、不可靠，很难精确测量，这时采用多次采样、数字滤波等技术 可克服这些困难。有些过程信号很难在线测