微流控芯片中熔石英微通道形成方法的研究
发布时间：2023-01-09 12:58
微流控芯片具有样品消耗低、污染小、分析速度快、检测效率高的优点,近年来随着其制造技术的逐渐成熟,被广泛应用于疾病诊断、食品安全检测、基因分析、新药物合成等领域。微流控芯片的制造涉及流体物理、新材料、微电子、化学和生物学多个学科,成为热点研究领域。石英和玻璃是传统生物化学分析反应和测量容器的制造材料,其具有优良的光学性能和化学稳定性,是制造微流控芯片的主要基材之一。微通道是微流控芯片中最重要的基本单元,微通道的加工对微流控芯片制造有重要意义。本文对熔石英材料上微通道的加工方法进行了研究。为了减少热裂纹的产生,提高微通道的加工质量,本文采用激光诱导等离子体加工方法,研究从加工的热传输入手,对不同阶段的物理过程进行了理论分析和模拟仿真,最后搭建实验环境并完成实验,对理论分析和仿真结果进行验证。在加工的样品中,微通道长度最长超过2mm并且表壁光滑,质量优于采用纳秒激光热加工方法制造的微通道;该加工方法在未来微流控芯片的层叠小型化方面有应用前景。其主要工作如下:1、从傅里叶热传导方程出发,系统阐述了激光诱导等离子体加工熔石英的物理原理。其中包括热量在材料中的传播、材料的温度和热应力分布、等离子体...
【文章页数】：120 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
主要英文缩语
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 微流控芯片的发展概况
1.3 微流控芯片相关技术
1.3.1 微流控芯片的主要单元
1.3.2 微流控芯片材料
1.3.3 微流控芯片加工
1.3.4 微流控芯片的检测技术
1.4 激光微细加工技术
1.4.1 激光去除微加工技术
1.4.2 激光堆积微加工技术
1.4.3 玻璃和石英材料的微通道/微孔激光加工技术
1.5 本文的研究目的、内容以及论文结构说明
第二章 基本理论
2.1 激光光束模型
2.1.1 高斯光束
2.1.2 高阶高斯光束
2.1.3 平顶光束
2.1.4 激光脉冲的功率分布
2.2 激光加工的热传输过程
2.2.1 激光的吸收
2.2.2 激光对材料的加热以及热传导
2.2.3 材料的热应力分析
2.2.4 熔石英材料的融熔与气化
2.3 激光诱导等离子产生的体物理过程
2.3.1 材料的电离过程
2.3.2 等离子体的加工作用
2.3.3 等离子体与激光的相互作用
2.4 激光热加工和激光诱导等离子体加工过程
2.5 本章小结
第三章 激光与熔石英作用过程中的温度与热应力分析
3.1 简化模型温度与应力计算
3.2 温度与应力的数值模拟方法
3.2.1 温度场分析的有限元方法
3.2.2 热应力分析的有限元方法
3.3 熔石英微通道加工过程中的温度与热应力的仿真计算
3.3.1 熔石英材料的物理参数
3.3.2 激光辐照熔石英的仿真模型
3.3.3 激光辐照熔石英温度与热应力的仿真分析
3.3.4 激光焦点位置对温度与热应力分布的影响
3.3.5 激光辐照熔石英微孔的仿真模型
3.3.6 熔石英微孔在激光辐照过程的温度与热应力分析
3.4 本章小结
第四章 熔石英加工过程中等离子体相关研究
4.1 熔石英的光致电离
4.1.1 多光子吸收
4.1.2 雪崩电离
4.2 LSDW对熔石英表面的加工作用
4.2.1 激光支持爆轰波(LSDW)的波前传播
4.2.2 激光支持爆轰波(LSDW)波后对材料的作用
4.3 等离子体对微通道的作用
4.3.1 流体控制方程及纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程
4.3.2 雷诺平均纳维-斯托克斯方程(RANS)与Spalart-Allmaras(S-A)模型
4.3.3 等离子体加工过程的仿真分析
4.4 本章小结
第五章 熔石英加工实验及微通道形貌分析
5.1 加工方法与加工参数的确定
5.1.1 加工方法
5.1.2 激光脉冲参数的选择
5.2 实验加工系统
5.2.1 系统构成
5.2.2 加工控制及实现
5.3 实验研究
5.3.1 加工实验
5.3.2 微通道形貌分析
5.3.3 微通道表壁的检测
5.4 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 完成的主要工作
6.2 进一步的工作和展望
致谢
参考文献
攻读博士学位期间发表论文及参与科研项目情况
图表索引
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光辐照熔石英控制的ANSYS仿真[J]. 于景侠,贺少勃,向霞,袁晓东,郑万国,郭袁俊,祖小涛. 电子科技大学学报. 2012(06)
[2]激光诱导等离子体加工石英微通道机理研究[J]. 李世雄,白忠臣,黄政,张欣,秦水介,毛文雪. 物理学报. 2012(11)
[3]纳秒激光加工石英微通道的实验与理论研究[J]. 李世雄,白忠臣,秦水介. 激光与光电子学进展. 2012(04)
[4]高阶模高斯光束整形方法研究[J]. 高瑀含,安志勇,李丽娟,王劲松. 光学与光电技术. 2011(05)
[5]355nm纳秒紫外激光辐照下熔石英前后表面损伤的对比研究[J]. 刘红婕,周信达,黄进,王凤蕊,蒋晓东,黄竞,吴卫东,郑万国. 物理学报. 2011(06)
[6]纳秒激光诱导K9玻璃损伤形貌研究[J]. 韩敬华,冯国英,杨李茗,张秋慧,刘民才,杨丽茹,朱启华,谢旭东. 红外与激光工程. 2010(01)
[7]熔石英表面热致应力对激光损伤行为影响的研究[J]. 刘红婕,黄进,王凤蕊,周信达,蒋晓东,吴卫东. 物理学报. 2010(02)
[8]纳秒激光在K9玻璃中聚焦的损伤形貌研究[J]. 韩敬华,冯国英,杨李茗,张秋慧,谢旭东,朱启华,周寿桓. 物理学报. 2008(09)
[9]短脉冲激光辐照下SiO2损伤微观机理简化模型[J]. 胡鹏,陈发良. 强激光与粒子束. 2007(11)
[10]石英玻璃在激光作用下的温度与应力场分析[J]. 焦俊科,王新兵,卢宏. 激光技术. 2007(04)
博士论文
[1]高斯光束整形技术研究[D]. 高瑀含.长春理工大学 2012
本文编号：3729226
【文章页数】：120 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
主要英文缩语
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 微流控芯片的发展概况
1.3 微流控芯片相关技术
1.3.1 微流控芯片的主要单元
1.3.2 微流控芯片材料
1.3.3 微流控芯片加工
1.3.4 微流控芯片的检测技术
1.4 激光微细加工技术
1.4.1 激光去除微加工技术
1.4.2 激光堆积微加工技术
1.4.3 玻璃和石英材料的微通道/微孔激光加工技术
1.5 本文的研究目的、内容以及论文结构说明
第二章 基本理论
2.1 激光光束模型
2.1.1 高斯光束
2.1.2 高阶高斯光束
2.1.3 平顶光束
2.1.4 激光脉冲的功率分布
2.2 激光加工的热传输过程
2.2.1 激光的吸收
2.2.2 激光对材料的加热以及热传导
2.2.3 材料的热应力分析
2.2.4 熔石英材料的融熔与气化
2.3 激光诱导等离子产生的体物理过程
2.3.1 材料的电离过程
2.3.2 等离子体的加工作用
2.3.3 等离子体与激光的相互作用
2.4 激光热加工和激光诱导等离子体加工过程
2.5 本章小结
第三章 激光与熔石英作用过程中的温度与热应力分析
3.1 简化模型温度与应力计算
3.2 温度与应力的数值模拟方法
3.2.1 温度场分析的有限元方法
3.2.2 热应力分析的有限元方法
3.3 熔石英微通道加工过程中的温度与热应力的仿真计算
3.3.1 熔石英材料的物理参数
3.3.2 激光辐照熔石英的仿真模型
3.3.3 激光辐照熔石英温度与热应力的仿真分析
3.3.4 激光焦点位置对温度与热应力分布的影响
3.3.5 激光辐照熔石英微孔的仿真模型
3.3.6 熔石英微孔在激光辐照过程的温度与热应力分析
3.4 本章小结
第四章 熔石英加工过程中等离子体相关研究
4.1 熔石英的光致电离
4.1.1 多光子吸收
4.1.2 雪崩电离
4.2 LSDW对熔石英表面的加工作用
4.2.1 激光支持爆轰波(LSDW)的波前传播
4.2.2 激光支持爆轰波(LSDW)波后对材料的作用
4.3 等离子体对微通道的作用
4.3.1 流体控制方程及纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程
4.3.2 雷诺平均纳维-斯托克斯方程(RANS)与Spalart-Allmaras(S-A)模型
4.3.3 等离子体加工过程的仿真分析
4.4 本章小结
第五章 熔石英加工实验及微通道形貌分析
5.1 加工方法与加工参数的确定
5.1.1 加工方法
5.1.2 激光脉冲参数的选择
5.2 实验加工系统
5.2.1 系统构成
5.2.2 加工控制及实现
5.3 实验研究
5.3.1 加工实验
5.3.2 微通道形貌分析
5.3.3 微通道表壁的检测
5.4 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 完成的主要工作
6.2 进一步的工作和展望
致谢
参考文献
攻读博士学位期间发表论文及参与科研项目情况
图表索引
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光辐照熔石英控制的ANSYS仿真[J]. 于景侠,贺少勃,向霞,袁晓东,郑万国,郭袁俊,祖小涛. 电子科技大学学报. 2012(06)
[2]激光诱导等离子体加工石英微通道机理研究[J]. 李世雄,白忠臣,黄政,张欣,秦水介,毛文雪. 物理学报. 2012(11)
[3]纳秒激光加工石英微通道的实验与理论研究[J]. 李世雄,白忠臣,秦水介. 激光与光电子学进展. 2012(04)
[4]高阶模高斯光束整形方法研究[J]. 高瑀含,安志勇,李丽娟,王劲松. 光学与光电技术. 2011(05)
[5]355nm纳秒紫外激光辐照下熔石英前后表面损伤的对比研究[J]. 刘红婕,周信达,黄进,王凤蕊,蒋晓东,黄竞,吴卫东,郑万国. 物理学报. 2011(06)
[6]纳秒激光诱导K9玻璃损伤形貌研究[J]. 韩敬华,冯国英,杨李茗,张秋慧,刘民才,杨丽茹,朱启华,谢旭东. 红外与激光工程. 2010(01)
[7]熔石英表面热致应力对激光损伤行为影响的研究[J]. 刘红婕,黄进,王凤蕊,周信达,蒋晓东,吴卫东. 物理学报. 2010(02)
[8]纳秒激光在K9玻璃中聚焦的损伤形貌研究[J]. 韩敬华,冯国英,杨李茗,张秋慧,谢旭东,朱启华,周寿桓. 物理学报. 2008(09)
[9]短脉冲激光辐照下SiO2损伤微观机理简化模型[J]. 胡鹏,陈发良. 强激光与粒子束. 2007(11)
[10]石英玻璃在激光作用下的温度与应力场分析[J]. 焦俊科,王新兵,卢宏. 激光技术. 2007(04)
博士论文
[1]高斯光束整形技术研究[D]. 高瑀含.长春理工大学 2012
本文编号：3729226
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