聚合物材料具有加工方便，原料價格低，光學(xué)性能好等特點(diǎn)，在微流控芯片制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前，聚合物微流控芯片一般采用熱壓法成型芯片微通道，再利用熱鍵合方法封合微通道，芯片制作過程中存在反復(fù)的升降溫，造成生產(chǎn)周期長，效率不高。為提高芯片的生產(chǎn)效率，蔣炳炎等采用注射成型加工芯片微通道，將熱鍵合工藝集成于注射成型之中，利用模具滑移或轉(zhuǎn)動實現(xiàn)基片和蓋片的對準(zhǔn)，在抽芯力和模溫的作用下實現(xiàn)芯片鍵合。此工藝避免了芯片的反復(fù)升降溫，將芯片的制作周期縮短至5min，為批量制作微流控芯片提供了新思路。微流控芯片微通道的變形是決定微流控芯片鍵合質(zhì)量的重要指標(biāo)。目前對微流控芯片鍵合過程中微通道變形研究大部分采用實驗方式，而理論和仿真研究相對較少，阻礙了從根本上理解和掌握微通道的變形機(jī)理。對于芯片模外鍵合的研究，Roy等采用線彈性材料模型，利用ANSYS分析了芯片鍵合過程的應(yīng)力/應(yīng)變場，結(jié)果表明聚合物鍵合界面的應(yīng)力非常均勻，應(yīng)力奇點(diǎn)很少。李經(jīng)民采用彈性理論建立了微通道變形模型，研究了鍵合溫度、鍵合壓力和微通道尺寸對微通道變形的影響，結(jié)果表明微通道的變形主要來源于3 個方面：(1) 微通道頂邊和底部由于受到擠壓作用形成的凸起；(2) 微通道在深度方向被壓縮；(3) 微通道在寬度方向發(fā)生收縮現(xiàn)象。文偉力 采用有限元方法對熱鍵合過程中的溫度場分布和非等溫鍵合進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在鍵合過程中蓋片和基片微通道區(qū)域產(chǎn)生的微凸起是引起微通道變形的主要因素。對于芯片模內(nèi)鍵合的研究，藍(lán)才紅等采用彈性模型，仿真研究了模內(nèi)鍵合過程中PMMA微流控芯片微通道變形規(guī)律，但是采用彈性模型不能獲得微通道變形隨時間變化情況。Hung等對PMMA材料在高溫下的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，指出PMMA材料在高溫下表現(xiàn)出了與時間相關(guān)的非線性黏彈性性能，作用時間對聚合物材料變形非常明顯。廣義Maxwell模型是由一系列理想彈簧和理想黏壺串并聯(lián)而成，能較好的模擬聚合物材料黏彈性能，并在熱壓成型工藝中得到廣泛應(yīng)用。本文作者采用廣義Maxwell模型分析PMMA微流控芯片模內(nèi)鍵合過程中微通道變形隨時間變化的情況，得到不同鍵合工藝參數(shù)對微通道變形的影響規(guī)律，并采用注射成型與模內(nèi)鍵合實驗進(jìn)行驗證，為掌握聚合物模內(nèi)鍵合過程中芯片微通道變形機(jī)理，提高芯片鍵合質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

PMMA材料應(yīng)變與時間關(guān)系

微流控芯片材料為臺灣奇美公司的CM?205 型PMMA，其力學(xué)性能與溫度、壓力和時間有關(guān)。為獲得仿真所需的材料力學(xué)性能參數(shù)，采用Instron 8032 試驗機(jī)進(jìn)行單軸壓縮實驗，材料實驗樣品和實驗條件，如表1 所示。利用一階指數(shù)衰減函數(shù)擬合實驗數(shù)據(jù)，獲得的PMMA材料應(yīng)變與時間關(guān)系模擬材料的黏彈性能，結(jié)果如圖1所示。

表1 單軸壓縮實驗條件

圖1PMMA材料應(yīng)變與時間關(guān)系

微通道變形仿真模型建立

單通道十字型微流控芯片的整體尺寸(長×寬×高)為50 mm×28mm×1.4mm,微通道截面形狀為等腰梯形，開口寬度為0.1mm，高為0.04mm，腰與高的夾角為37°，基片厚度為0.8 mm，蓋片厚度為0.6 mm，如圖2所示。

圖2 微流控芯片基片幾何形狀

采用Marc有限元軟件對PMMA微流控芯片模內(nèi)鍵合進(jìn)行仿真，為簡化模型做如下假設(shè)：(1) 芯片微通道在長度方向的截面形狀相同，微通道截面變形問題簡化為平面應(yīng)變問題處理，取微通道附近進(jìn)行建模；(2) 鍵合時基片和蓋片接觸面粗糙,蓋片和基片在接觸面無滑移；(3) 坐標(biāo)原點(diǎn)取基片底部中點(diǎn)，沿厚度方向為y，位移為uy，寬度方向為x，位移為ux；(4) 芯片的寬度大于厚度，忽略重力效果。仿真的幾何模型如圖3所示。

圖3 仿真的幾何模型

載荷工況與邊界條件

注射成型時模溫初始溫度為80℃，芯片在模具內(nèi)升溫過程中四周位移為0，在ux=±1 和uy=0，1.4 處施加位移邊界條件為0；設(shè)定鍵合溫度和鍵合時間，在uy=1.4處施加向下的鍵合壓力，模具周圍環(huán)境溫度設(shè)定為20℃。具體載荷工況如表2所示。仿真研究所參考工藝參數(shù)組合如表3所示，逐一改變單個工藝參數(shù)，研究各工藝參數(shù)對微通道變形的影響。各因素的水平取值[6,13?14] 見表4

表2 載荷工況

表3 參考工藝參數(shù)

表4 因素水平

芯片微通道變形實驗驗證

實驗設(shè)備與模具

微流控芯片的微通道尺寸達(dá)到微米級，屬于薄壁零件微注塑成型。采用德國Arburg370S精密注塑機(jī)，最大鎖模力為500kN，最大注塑壓力為250MPa，螺桿直徑為20mm，配備三組液壓抽芯，能夠滿足芯片的成型與鍵合的動作需求。

微流控芯片模具設(shè)計采用“1+1”式型腔設(shè)計方案，基片和蓋片在一套模具中成型，利用濕法刻蝕和精密電鑄技術(shù)制作微流控芯片基片模芯，成型模具和模芯如圖4所示。

圖4 模芯鑲塊及成型模具

微流控芯片模內(nèi)鍵合實驗

按照仿真研究方案進(jìn)行微流控芯片模內(nèi)鍵合實驗，驗證采用廣義Maxwell模型分析PMMA微流控芯片模內(nèi)鍵合過程中微通道變形的合理性，聚合物微流控芯片模內(nèi)鍵合實驗的基本流程如圖5 所示。本實驗采用模具溫度90℃、注射速率35 cm2/s、熔體溫度245 ℃、保壓時間3 s、保壓壓力140MPa、冷卻時間20 s完成芯片基片和蓋片的注射成型[15] 。模內(nèi)鍵合實驗考察鍵合溫度、鍵合壓力和鍵合時間3 個工藝參數(shù)對微通道變形的影響，鍵合參考工藝參數(shù)如表3所示，按照表4 的參數(shù)組合進(jìn)行實驗。實驗指標(biāo)為芯片微通道高度和頂寬變形量，采用VMS?1500影像測量儀測量芯片微通道形貌尺寸。

圖5 微流控芯片模內(nèi)鍵合實驗基本流程圖

結(jié)果與分析

芯片微通道變形過程分析

聚合物材料的在玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度附近具有復(fù)雜的黏彈性能，研究芯片模內(nèi)鍵合過程中微通道的變形能較好的預(yù)測芯片微通道的變形機(jī)理。在鍵合溫度為100 ℃、鍵合壓力為3MPa和鍵合時間為300s作用下，芯片微通道高度變形量、頂部寬度變形量在鍵合過程中的變化情況如圖6和圖7所示。

微流控芯片注射成型后直接在模具內(nèi)升溫至鍵合溫度，不考慮溫升對微通道變形的影響。施加鍵合壓力后，芯片發(fā)生瞬間彈性變形，微通道頂部向下凸起，微通道底部向上凸起。由于PMMA材料具有黏彈性能，芯片微通道會持續(xù)發(fā)生變形，當(dāng)鍵合時間達(dá)到300s時，芯片微通道高度最大變形量達(dá)到14.5 μm。圖8 所示為芯片微通道變形云圖。鍵合過程中微通道頂部與兩側(cè)黏合，芯片微通道頂部寬度變形較大，如圖8所示。卸去壓力后，芯片的彈性形變發(fā)生恢復(fù)，微通道高度變形減小至6.1μm。由于微通道頂部與兩側(cè)的黏合，頂部寬度變形恢復(fù)較小，黏合處始端主要為壓應(yīng)力，表明此處具有較好的黏合強(qiáng)度，不容易分開。圖9 所示為微通道在頂部與兩側(cè)黏合處的應(yīng)力云圖。隨著黏合區(qū)域的增加，壓應(yīng)力逐漸減小，黏合區(qū)域末端主要為拉應(yīng)力，應(yīng)力集中非常明顯，此處容易產(chǎn)生撕裂，如圖9所示。 

圖6 高度變形量與時間的關(guān)系

圖7 頂部寬度變形量與時間的關(guān)系

圖8 芯片微通道變形云圖

圖9 微通道頂部與側(cè)壁黏合處的應(yīng)力云圖

鍵合工藝參數(shù)對微通道變形的影響

鍵合溫度對芯片微通道變形的影響如圖10 和圖11所示。由圖10和圖11可見：鍵合溫度低于100℃時，微通道變形很小，主要表現(xiàn)在高度方向，變形量達(dá)到了7.5%，而在寬度方向變形很小，不到2%。鍵合溫度超過100 ℃后，微通道高度、頂部寬度會產(chǎn)生較大變形。當(dāng)鍵合溫度接近105 ℃時，由于PMMA材料的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度約為105 ℃，材料的彈性模量發(fā)生劇降，黏彈性能增加。在鍵合壓力的作用下，芯片微通道會發(fā)生較大變形，變形量達(dá)到22%。在鍵合過程中芯片微通道的頂部與側(cè)壁會發(fā)生黏合現(xiàn)象，溫度越高，黏合區(qū)域也越大，微通道變形也相應(yīng)的增大。鍵合溫度對芯片微通道變形程度影響的仿真結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好，采用黏彈性模型可以較好的模擬芯片微通道變形隨鍵合溫度變化的規(guī)律。但鍵合溫度達(dá)到110 ℃時，實驗數(shù)值和仿真數(shù)值相差較大，這是因為在黏合的區(qū)域末端主要為拉應(yīng)力，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，撤除鍵合壓力后，微通道黏合區(qū)域減小，使微通道的變形減小。

圖10 鍵合溫度對高度變形的影響

圖11 鍵合溫度對頂寬變形的影響

鍵合壓力對微通道變形的影響如圖12 和圖13 所示。由圖12和圖13 可見：芯片微通道的高度和頂部寬度的變形量隨著鍵合壓力的提高而增加，芯片微通道尺寸的變形與鍵合壓力的關(guān)系近似于線性關(guān)系，鍵合壓力對芯片微通道高度變形的影響更為明顯。微通道高度變最大形量為14%，頂部寬度最大變形量為7%。為保證芯片微通道變形盡可能的小，在鍵合強(qiáng)度滿足要求的情況下盡量選擇較小的鍵合壓力。仿真結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合，但在高度方向上相差相對較大。當(dāng)鍵合壓力逐漸增大時，芯片微通道處產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也會相應(yīng)提高，殘余應(yīng)力釋放，會使高度方向變形縮小，所以仿真結(jié)果與實驗結(jié)果在高度方向上的偏差應(yīng)是鍵合后制品殘余應(yīng)力釋放引起的。

鍵合時間對微通道變形的影響如圖14 和圖15 所示。由圖14和圖15 可見：芯片微通道的高度和頂部寬度的變形量隨著鍵合時間的增加而增加，在120~360s的鍵合時間范圍內(nèi)，芯片微通道尺寸的變形與鍵合時間的關(guān)系近似于線性關(guān)系，鍵合壓力對對芯片微通道高度變形的影響更為明顯，高度最大變形量為12.5%，頂部寬度最大變形量為4.2%。仿真結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合，但在高度方向上相差相對較大，同樣是由于鍵合后制品殘余應(yīng)力釋放引起的。

圖12 鍵合壓力對高度變形的影響

圖13 鍵合壓力對頂寬變形的影響

圖14 鍵合時間對高度變形的影響

圖15 鍵合時間對頂寬變形的影響

結(jié)論

(1) 微流控芯片模內(nèi)鍵合過程中，微通道頂部與側(cè)壁會產(chǎn)生粘合現(xiàn)象，黏合處始端主要為壓應(yīng)力，此處具有較好的粘合強(qiáng)度，不容易分開；黏合區(qū)域末端主要為拉應(yīng)力，應(yīng)力集中非常明顯，此處容易產(chǎn)生撕裂。黏合現(xiàn)象對微通道變形具有很大的影響。

(2) 隨著鍵合溫度、鍵合壓力和鍵合時間的增加，芯片微通道的變形增大。鍵合溫度對微通道變形影響最為復(fù)雜，鍵合溫度低于100℃時，微通道變形很小，主要表現(xiàn)在高度方向；鍵合溫度超過100 ℃后，微通道高度、頂部寬度都會產(chǎn)生較大變形；當(dāng)鍵合溫度接近105 ℃時，材料的彈性模量發(fā)生劇降，黏彈性能增加，在鍵合壓力的作用下，芯片微通道的形貌會急劇變化。鍵合壓力和鍵合時間對微通道高度變形影響更為顯著。

(3) 采用Maxwell材料模型能較好的模擬聚合物微流控芯片鍵合過程中微通道的變形，對聚合物微流控芯片微結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計以及模內(nèi)鍵合工藝參數(shù)的優(yōu)化具有指導(dǎo)作用。

文獻(xiàn)來源中南大學(xué)學(xué)報文章編號:：1672?7207(2013)12?4833?07作者：楚純朋，蔣炳炎，廖競，王璋，黃磊（轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請聯(lián)系刪除）