基于光学性能匹配的生物微器件激光透射连接应用基础研究

To meet the demands of biocompatibilities and hermetic sealing for BioMEMS, a new research method for laser transmission joining of BioMEMS based on matching the optical properties of materials was put forward. Based on theoretical analysis and experimental methods, the energy transmission mechanism, response model of the optical properties, laser energy space distribution model and the energy absorption mechanism of biomedical polymer and inorganic non-metallic materials induced by laser were studied to reveal the interaction mechanism between laser and polymer or inorganic non-metal materials and establish the materials optical matching criteria ,which in turn will lay a theoretical foundation for materials selection and new materials preparation for laser transmission joining; The thermodynamics and kinetics process and mechanism of joint formation, physics chemical effects at the interface between polymer and metallic materials and 3-D transient temperature and stress field were investigated in order to reveal the joining mechanism of laser transmission joining; Laser transmission joining process was explored by scientific experimental design and analysis methods ,the real-time monitoring system for laser transmission joining and a quality evaluation of the joining strength and hermetic sealing system were set up to ensure the joining quality effectively, consequently, a solid foundation was laid for the industry application. The research has great theoretical significance for the development of laser transmission joining theories as well as promoting the manufacture, application and the development of BioMEMS.

针对生物微器件生物相容性、气密性要求，提出基于材料光学性能匹配的生物微器件激光透射连接新思路。结合理论分析与实验方法，研究生物医用聚合物、无机非金属材料在激光作用下能量的传输机制、光学属性响应模型、激光能量的空间分布模型、能量的吸收机制及热效应机理，揭示激光与聚合物、无机非金属材料相互作用机理，建立激光透射连接材料光学匹配准则，为材料筛选与新材料制备奠定理论基础；研究连接接头形成的热力学和动力学过程与机理、聚合物与金属材料连接界面的物理、化学效应，建立连接过程3D瞬态温度场、应力场理论模型，揭示激光透射连接机理；采用科学的实验设计与优化方法探索激光透射连接工艺规律，建立连接过程的实时监控与接头质量评价体系，有效保证连接质量，为工业化应用打下坚实的基础。本研究将对激光透射连接理论的发展具有重要的理论价值，对推动生物微器械（BioMEMS）的制造、应用与发展具有重要意义。

针对生物微器件、MEMS以及一般工业应用激光透射连接/焊接需求，结合理论、实验与数值分析系统的研究了激光透射连接的科学问题。. 研究了激光在聚合物中传输的透射、反射、吸收和散射等基础模型，建立了连接界面处光束功率通量分布的数学模型，以及考虑光散射的热源模型；基于热力学最基本的能量吸收、放出定律，建立了激光透射连接热塑性聚合物熔池横断面的熔化面积数学解析模型； . 建立基于体热源的激光透射连接温度场变化及温度-时间关系函数的热分析模型以及热解动力学模型，并建立了激光透射连接过程中的热降解模型，对激光透射连接过程中的热降解进行了数值模拟。. 构建了不同类型的激光透射连接/焊接实验系统，对多种典型热塑性聚合物的激光透射连接工艺进行了研究，并基于不同连接性能优化目标对激光透射连接热塑性聚合物进行了工艺参数数学建模与优化研究。. 研究了异种热塑性聚合物的光学性能、运动学性能、热力学相容性性能以及聚合物界面处连接强度的建立等可连接性理论，揭示了激光透射连接异种热塑性聚合物可连接性机理。. 对异种生物相容性聚合物与金属以及镀钛玻璃基片分别进行了激光透射连接研究，深入研究激光连接材料表面的光化学反应，从原理上解释与研究激光微连接的机理；. 对于激光透射连接性能差的相容性差的两种聚合物，首先研究了通过不同的物理改性方法（冷喷涂和磁控溅射）对聚合物表面进行金属镀膜改性实现激光透射连接的方法，其次研究了改变聚合物配方的化学改性实现激光透射连接的方法，研究表明大大提高了连接接头的连接强度，并探究了其激光透射可连接性的机理。. 提出了一种面向连接性能数值模拟驱动实验设计、连接工艺参数建模与优化的方法，建立了激光透射连接的工艺参数的数学模型，分析了连接工艺参数对连接结果的交互式影响，对连接工艺参数进行多目标优化研究。. 本研究对激光透射连接聚合物材料的筛选与新材料的制备奠定了理论基础，对激光透射连接理论的发展、实际工业应用具有重要的理论价值。