聚合物微熱壓過程理論及其裝備技術研究.pdf

1、聚合物微熱壓成型技術作為一種成本低、效率高、質(zhì)量優(yōu)的微細加工方法，已成為微納機電系統(tǒng)加工技術中的一種重要方法也是目前的研究熱點。本學位論文結(jié)合國家863計劃項目“面向微流控芯片的微模具制造裝備研究”(No.2002AA421150)及教育部博士點基金“聚合物三維微流體芯片制造新方法及工藝研究”(No.20030335091)對微熱壓成型過程理論及其裝備技術進行了研究。針對項目的研究任務和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，本論文積極吸收相關學科的新思想、新

2、技術，采用理論研究、計算機仿真與實驗研究相結(jié)合的方法，以微熱壓技術中亟需解決的問題為研究對象，通過對聚合物微熱壓成型的機理及微熱壓裝備關鍵技術的研究，建立了壓印過程模型、揭示了微壓印過程中聚合物流變特性與壓印質(zhì)量及壓印效率間的內(nèi)在關系、提出了模具拓撲優(yōu)化策略、優(yōu)化了壓印工藝、研發(fā)了熱壓裝備。論文的主要32作如下： 第一章，闡述了本學位論文的研究背景與意義，詳細介紹了國內(nèi)外在熱壓成型技術機理、工藝及成型裝備等領域的研究現(xiàn)狀。在此基

3、礎之上，提出了論文的主要研究內(nèi)容。 第二章，闡述微熱壓中聚合物從宏觀力學表征到微觀結(jié)構變化的變形機理，引入了聚合物微加工中宏觀力學表征的三種現(xiàn)象，時間依賴性、溫度依賴性及時溫等效轉(zhuǎn)換性。基于聚合物的網(wǎng)絡理論及分子理論，從微觀角度解釋了聚合物壓印過程的流變行為及聚合物分子運動機理，為后續(xù)章節(jié)的理論、仿真及實驗研究奠定理論基礎。 第三章，通過對微流控芯片熱壓過程進行受力分析，建立了基于流變理論的微流控芯片熱壓過程模型。為了更

4、好地表征壓印過程的粘彈性力學行為，將聚合物的材料常數(shù)”修正為時間的函數(shù)。基于流體NS方程對壓印過程進行了推導，所得結(jié)論和基于流變理論的結(jié)果吻合，從另一方面驗證了模型的正確性。在微流控芯片熱壓過程模型的基礎上，對常規(guī)微熱壓過程進行了建模研究，通過對兩組流動進行耦合建立了微熱壓過程模型，獲得了壓印完成所需時間及聚合物微結(jié)構高度和時間的變化關系。 第四章，對模具拓撲結(jié)構與聚合物流動特性間的關系進行了系統(tǒng)的研究。采用DEFORM軟件分析

5、了熱壓過程聚合物流動的影響要素，揭示了模具占空比、模具深寬比、模具寬厚比、模具位姿變化時所呈現(xiàn)出不同的流動形貌及流動特性。解釋了不等溫壓印過程和等溫壓印過程流動行為不同的原因。針對壓印過程易出現(xiàn)的填充效率不佳以及熱壓過程本質(zhì)上是一個模腔非封閉的聚合物流動問題，提出了模具結(jié)構拓撲優(yōu)化策略，通過在模具邊緣布置一些流動壩，達到降低邊界處聚合物流動率、促進聚合物有效填充的目的。仿真結(jié)果表明優(yōu)化策略對促進聚合物填充具有很好的效果。 第五章

6、，系統(tǒng)的分析了熱壓成型過程缺陷產(chǎn)生原因，使用ANSYS軟件對冷卻及脫模階段聚合物的受力狀況進行了有限元模擬分析。分析結(jié)果顯示冷卻階段一直保持的壓印力會造成模具及聚合物微結(jié)構應力集中，是形成模具斷裂、微結(jié)構破損等現(xiàn)象的一個重要原因。首次研究了脫模方向?qū)γ撃Ｙ|(zhì)量的影響，由于微小的脫模方向偏差就可能引入很大的切向力而導致微結(jié)構的破壞。為了確保正確的脫模方向，設計了新型的自動脫模機構。提出了壓印過程優(yōu)化工藝，通過在冷卻過程中緩慢減少壓印力，直至

7、冷卻到脫模溫度時釋放完畢。該優(yōu)化工藝不但可以有效的降低壓印力造成的應力集中，還可以避免由于過早釋放壓印力而導致結(jié)構回彈及變形。第六章，在理論及仿真研究的基礎上，針對現(xiàn)有壓印裝備中存在的一些問題，自行設計了基于帕爾帖效應的聚合物微熱壓裝備。采用半導體制冷片進行升降溫，在降溫時輔助以水流帶走半導體制冷片表面熱量，設計了精密溫控的模糊PID控制器，使得熱壓裝備的溫度控制精度達到0.2℃，升降溫速率達1℃/S，能大幅度提高壓印效率。使用液壓方式

8、施加壓強，降低了壓印過程的壓力不均勻分布，提高了壓印品質(zhì)。 第七章，為了驗證自行設計的微熱壓裝備的性能，進行了溫度、壓力及真空度控制精度的實驗研究，實驗結(jié)果表明熱壓裝備能較好的滿足設計要求。選擇兩種典型的微結(jié)構，微流控芯片及液晶導光板進行了壓印實驗研究，分析了各個工藝參數(shù)對成型后質(zhì)量的影響。通過分析微流控芯片尺寸誤差，得出在低溫下壓印所產(chǎn)生的回彈是微流道尺寸誤差的主要原因。采用正交表分析了導光板熱壓時工藝參數(shù)對壓印質(zhì)量的影響，獲