聚合物微流控芯片輔助激光加工的重鑄物研究.pdf

1、CO<,2>激光技術(shù)豐富了聚合物微流控芯片的制作方法，在芯片的微溝道、儲(chǔ)液池加工中得到了一定程度的應(yīng)用。CO<,2>激光加工聚合物PMMA時(shí)易產(chǎn)生重鑄物現(xiàn)象，這是阻礙CO<,2>激光技術(shù)更廣泛地應(yīng)用于微流控芯片制作中的主要問(wèn)題。本文從理論分析、仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三個(gè)方面研究了重鑄物的形成機(jī)理，并針對(duì)主要影響因素提出針對(duì)性解決方案。 在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上分析了CO<,2>激光紅外熱作用下PMMA的變化機(jī)理。從傳熱學(xué)、材料物理狀態(tài)變化兩方

2、面分析PMMA的三種狀態(tài)變化，以及在此過(guò)程中材料內(nèi)部形成的作用力。研究了在氣體壓力、熱應(yīng)力的作用下不同狀態(tài)的材料發(fā)生的運(yùn)動(dòng)與變形，并最終形成重鑄物的過(guò)程，并分析了重鑄物對(duì)于芯片制作的影響。根據(jù)理論分析結(jié)果，采用ANSYS軟件對(duì)CO<,2>激光作用下材料的運(yùn)動(dòng)與變形過(guò)程進(jìn)行仿真。利用顯微鏡、CCD及圖像處理軟件等搭建了激光加工的在線顯微拍攝裝置，對(duì)重鑄物的形成過(guò)程進(jìn)行顯微拍攝，直接驗(yàn)證了理論分析及仿真的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中的邊緣氣泡及后壓氣體等現(xiàn)

3、象也對(duì)分析及仿真的結(jié)果進(jìn)行了間接的驗(yàn)證。 從理論分析及實(shí)驗(yàn)兩方面研究了熱量對(duì)于重鑄物形成的影響。分析了擠出PMMA存在的材料取向現(xiàn)象，以及對(duì)于重鑄物形成的影響機(jī)理，并采用拍攝實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，熱影響區(qū)是決定重鑄物形成的直接因素。從傳熱學(xué)出發(fā)，推導(dǎo)了熱影響區(qū)與熱量及材料性質(zhì)的關(guān)系。根據(jù)熱影響區(qū)的表達(dá)式，采用合理的工藝參數(shù)組合以及氣體冷卻兩種方法減小熱影響區(qū)，以達(dá)到抑制重鑄物形成的目的，并搭建了激光加工的氣體冷卻系統(tǒng)。