医用微流道模具掩膜电解加工数值模拟及工艺研究

发布时间：2020-09-02 07:38

　　 微流控芯片因具有高效筛选、自动化程度高、易于使用、可平行分析、反应时间短和低样品或试剂消耗等优点,在医学领域等被广泛应用,因此加工出符合要求的微流道模具能提高芯片的加工效率、降低加工成本。掩膜电解加工技术是光刻工艺和电化学蚀刻工艺的组合,加工过程无电极损耗,非接触、无外力,无热影响,适用于难加工金属材料及复杂图案模具的成型等。本文以宽度500±10μm、深度200±10μm医用微流道模具掩膜电解加工为研究对象,考虑了流场、阴阳极产物、温度场和电场的相互关系建立了有限元模型,对微流道掩膜电解加工过程进行了数值模拟并展开了系列试验研究。主要研究内容及结果如下:(1)多物理场有限元模型建立。以微流道模具掩膜电解加工(ECMTM)为对象,考虑流场通过中间物理量(氢气气泡率、铁离子浓度和温度)对电场的影响,应用Comsol数值计算软件,建立了多物理场耦合有限元模型。(2)根据建立的有限元模型,分析了阴阳极间隙电解液中流速、电解产物、温度和电场的分布情况,探讨了电解液入口速度对气泡率、铁离子浓度和温度的影响,及其通过上述三者进一步对电导率的影响。微流道直线段较两端圆弧段流速分布均匀;电解产物浓度和温度从入口处到出口处呈递增趋势,受流速分布影响,微流道段分布不均匀;随着电解液入口速度增大,电解液电导率稳定性好,微流道尺寸分布越均匀;电场影响着微流道沟槽的成型形状和速度。在自行设计的装置平台上进行验证实验,实验结果与模拟结果沟槽形状吻合较好,深度方向最大误差为10.07μm,百分比误差为5.03%。(3)微流道阳极掩膜的工艺试验研究。根据模拟结果确定了电流密度、加工间隙、电解液浓度和加工时间的范围,试验研究了304不锈钢微流道沟槽的几何形貌及杂散腐蚀程度的影响因素。结果表明:沟槽的杂散腐蚀程度主要与电流密度有关,电流密度为9A/cm2时,杂散腐蚀程度最小,侧向腐蚀系数EF为3.77;组合各参数,电解加工出平均尺寸为498.48μm,208.92μm的304不锈钢微流道沟槽,深度方向加工速度83.57μm/min,侧壁垂直且表面平整,将模具宽度和深度控制在500±10μm、200±10μm之间;参考该较优参数组合,调整了时间参数,在HPM75模具钢上加工得到平均尺寸为513.74μm,200.53μm的微流道沟槽,基本满足技术要求。本文以微流道模具掩膜电解加工为研究对象,数值模拟研究了流场参数对成形均匀性的影响,试验控制了微流道沟槽的几何形貌和杂散腐蚀程度,为大去除量复杂图案模具的掩膜电解加工成形提供了理论与试验依据。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TG662;TH77
【部分图文】：

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本文编号：2810330