微流控芯片电铸模具铸层的均匀性研究

发布时间：2017-10-19 18:24

  本文关键词：微流控芯片电铸模具铸层的均匀性研究

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【摘要】：微流控芯片是实现分析仪器微型化、集成化及便携化的主要装置。随着微机电加工技术的发展,微流控芯片的制作技术逐渐多样化、成熟化。模具是批量化生产聚合物微流控芯片不可缺少的部件。基于微电铸技术制作的镍模具因使用寿命长、表面质量好等优点,成为了大批量生产芯片的首选模具。但是,微电铸技术制作的模具存在铸层厚度均匀性差的问题,这会影响模具的尺寸精度,进而影响芯片的使用性能。本文通过实验和有限元仿真的方法,以两种微流控芯片模具为研究对象,探索超声电铸及辅助阴极对模具铸层均匀性的影响。本文研究工作包括以下几方面：(1)研究超声对扩散层厚度的影响。超声电铸过程中,超声通过促进反应离子向阴极移动来减小微结构表面的扩散层厚度,进而提高铸层的均匀性。为了更好地理解超声对微流控芯片模具铸层均匀性的影响,研究了超声对扩散层厚度的影响。扩散层的厚度通过测量镍阴极极化曲线获得。实验结果表明,超声可以减小扩散层的厚度,并且扩散层的厚度随超声频率的增加先增大后减小,随超声功率的增大而减小。(2)研究超声电铸对圆形微流控芯片模具铸层均匀性的影响。模具铸层的均匀性由5个区域结构单元铸层的均匀性来反应。实验中采用不均匀度公式来衡量结构单元的铸层均匀性。实验结果表明,超声可以提高模具的铸层均匀性,并且对小线宽结构单元有更显著的影响。添加40kHz/250W超声后,线宽为50μm,100μm,200μm,400μm和700μm的结构单元的铸层均匀性分别提高了67.4%,32%,11.4%,13.4%和12.8%。(3)以蝶式微流控芯片模具为研究对象,通过两组超声电铸实验分别研究超声频率和功率对模具铸层均匀性的影响。实验结果表明,超声可以提高芯片模具铸层的均匀性,并且超声参数对模具铸层均匀性的影响规律与其对扩散层厚度的影响规律一致。在200kHz/500W超声的作用下,电铸2h后,模具铸层的均匀性提高了32.3%。(4)以蝶式微流控芯片模具为研究对象,对环状辅助阴极改善模具铸层均匀性的效果进行有限元仿真研究。然后,根据仿真结果和实验设备设计辅助环,以制作铸层厚度均匀的模具,并验证仿真结果。仿真结果表明,辅助环可以改善模具铸层的均匀性,并且铸层的均匀性随辅助环与模具水平距离的减小先减小后增大、随辅助环宽度的增大而减小。同时,随电铸时间的延长,辅助环可以更显著地改善模具铸层的均匀性。实验结果表明,电铸22h后,辅助环使模具铸层的均匀性提高了51.5%,该值与仿真结果有较好的一致性。
【关键词】：微流控芯片模具 铸层均匀性 扩散层 超声搅拌 辅助阴极
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN492
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-18
• 1.1 微流控芯片与金属模具9-10
• 1.2 铸层不均匀机理10-14
• 1.3 铸层厚度均匀性的研究现状14-16
• 1.4 超声电铸的研究进展16-17
• 1.5 论文研究内容17-18
• 2 超声电铸对扩散层厚度的影响18-30
• 2.1 扩散层的理论基础18-20
• 2.2 镍阴极极化曲线的测量20-23
• 2.3 测量结果与讨论23-29
• 2.3.1 镍阴极极化曲线及超声对极化曲线的影响23-25
• 2.3.2 超声频率对阴极表面扩散层的影响25-28
• 2.3.3 超声功率对阴极表面扩散层的影响28-29
• 2.4 本章小结29-30
• 3 超声电铸对圆形微流控芯片模具铸层均匀性的影响30-41
• 3.1 实验过程30-33
• 3.2 实验结果与讨论33-40
• 3.2.1 铸层均匀性的评价方法33
• 3.2.2 实验结果33-35
• 3.2.3 结果分析35-40
• 3.3 本章小结40-41
• 4 超声电铸对蝶式微流控芯片模具铸层均匀性的影响41-50
• 4.1 光刻掩膜版设计41-45
• 4.2 实验过程45-46
• 4.3 实验结果与分析46-48
• 4.4 本章小结48-50
• 5 辅助阴极对蝶式微流控芯片模具铸层均匀性的影响50-60
• 5.1 辅助阴极对模具铸层均匀性影响的仿真50-57
• 5.1.1 仿真模型50-51
• 5.1.2 辅助阴极与模具的水平距离对模具铸层均匀性的影响51-54
• 5.1.3 辅助阴极的宽度对模具铸层均匀性的影响54-56
• 5.1.4 沉积时间对辅助阴极改善模具铸层均匀性的影响56-57
• 5.2 辅助阴极改善模具铸层均匀性的实验验证57-59
• 5.2.1 实验过程57-58
• 5.2.2 实验结果与分析58-59
• 5.3 本章小结59-60
• 结论60-62
• 参考文献62-66
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况66-67
• 致谢67-68

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本文编号：1062657