CO-,2-激光直寫聚合物微流控芯片的理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、微流控芯片是一種交互集成的微全分析系統(tǒng)，它以微管道為網(wǎng)絡(luò)連接微泵、微閥、微儲(chǔ)液器、微電極、微檢測元件等，可最大限度地把采樣、稀釋、加試劑、反應(yīng)、分離、檢測等分析功能集成為一體。當(dāng)前微流控芯片已經(jīng)開始從實(shí)驗(yàn)室走向應(yīng)用，急需探索低成本大批量生產(chǎn)的制造技術(shù)。研究聚合物微流控芯片的制造技術(shù)，對(duì)微流控芯片的研究與產(chǎn)業(yè)化具有重大意義。 本論文依托國家“863”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目：“面向微流控芯片的微模具制造裝備研究”(2002AA4

2、21150)和教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目：“聚合物三維微流控芯片制造新方法及工藝研究”(20030335091)，研究CO<,2>激光直寫聚合物材料制作微流控芯片的關(guān)鍵技術(shù)。 本文概述了激光微細(xì)加工技術(shù)的方法和應(yīng)用，綜述了激光直寫加工聚合物微流控芯片國內(nèi)外發(fā)展和現(xiàn)狀，對(duì)CO<,2>激光直寫聚合物微流控芯片進(jìn)行了研究，完成了如下研究工作。 對(duì)CO<,2>激光與聚合物相互熱作用進(jìn)行了解析推導(dǎo)，并研究了熱擴(kuò)散速度。對(duì)聚甲基丙烯酸

3、甲酯(Polymethyl methacrylate，PMMA)熱降解機(jī)理、熱解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析，并對(duì)CO<,2>激光直寫PMMA原理和影響因素進(jìn)行了研究，為進(jìn)一步研究CO<,2>激光直寫PMMA打下了基礎(chǔ)。 在CO<,2>激光直寫聚合物作用機(jī)理基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了激光直寫聚合物三維微流道深度模型，根據(jù)微元控制面矢量關(guān)系，獲得了三維微流道模型解析解，揭示了流道深度與激光功率、掃描速度、激光加工次數(shù)和材料熱物理參數(shù)的內(nèi)在關(guān)系，對(duì)激光

4、直寫聚合物微流控芯片具有重大指導(dǎo)意義。 針對(duì)聚合物在激光加工時(shí)容易因熱應(yīng)力而產(chǎn)生熱變形的問題，建立了激光加工聚合物的三維瞬態(tài)溫度場模型和熱應(yīng)力模型，并采用求相應(yīng)泛函極值的方法進(jìn)行了有限元方程構(gòu)建。對(duì)這些模型進(jìn)行了連續(xù)CO<,2>激光作用條件下的有限元法數(shù)值模擬，分析加工參數(shù)與溫度場分布、流道外形和熱應(yīng)力的關(guān)系，用以指導(dǎo)在加工中避免或減少熱變形的產(chǎn)生。模擬結(jié)果表明了該方法的合理性和有效性。 構(gòu)建了基于直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的激光直寫

5、聚合物微流道精密加工實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)精密工件臺(tái)控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。針對(duì)直線電機(jī)定位誤差，提出基于最小二乘支持向量機(jī)理論，建立直線電機(jī)定位精度預(yù)測模型。根據(jù)預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償，使直線電機(jī)進(jìn)給定位精度提高到2.5μm。 在構(gòu)建的激光直寫聚合物微流道精密工件臺(tái)上開展了CO<,2>激光直寫PMMA實(shí)驗(yàn)研究，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。研究表明，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模型比較吻合，證明了理論模型的正確性。并進(jìn)一步對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了研討，