基于柔性聚合物薄膜的微结构/器件超声压焊技术研究

Polymer has a number of advantages including excellent mechanical and physical characteristics, low cost, easy to fabrication, and high bio-chemical compatibility, which makes it best choice for the MEMS manufacturing. However, there is lack of the efficient and reliable manufacturing method for polymer-based MEMS. Aiming at the leading-edge research topic of the polymer micro structure/device, this project will firstly investigate the mechanism of the ultrasonic assisted hot embossing technique, defect of the micro device, and the technology parameter optimization methodologies. Accordingly, the ultrasonic imprint technique for micro structure/device with flexible polymer membrane will be established. Secondly, the fabrication method for micro structure/device with the electrical and mechanical functions will be explored, and thus implement the package of the micro-fluidic channels and chips. Finally, the electrophoresis chip with the function of electrode detection will be developed by integrating the molded interconnect devices technique and polymer based micro-fluidic chip methodology. This research not only establishes the key enabling techniques underpinning the fields of polymer based micro structure/device and further improves the nanotechnology level of China, but also provides great potential applications in scientific and engineering areas.

聚合物材料以其优良的机械物理性能、低廉的材料成本、简易的加工成型方法和良好的生物化学兼容性为MEMS器件的加工制造提供了新途径，然而，当前尚无高效可靠的聚合物MEMS器件加工制造方法。本项目瞄准聚合物微结构/器件制造领域中的国际前沿课题，研究面向聚合物微结构/器件加工技术中的超声微热压焊技术的成型机理、微结构质量缺陷、工艺参数优化等关键科学问题。研究基于柔性聚合物薄膜的微结构/器件超声微压印与焊接成型方法。利用超声压印与焊接方法，开展具有电气功能和机械功能的模塑互连器件制造方法研究，实现微流芯片上微流道的压印和微流芯片的键合封装。集成模塑互连器件技术与聚合物微流芯片技术，开发具有电极检测功能的电泳芯片。该项研究不仅对提高我国新型聚合物微纳结构/器件制造技术水平具有重要的理论价值和工程实践意义，而且还具有广阔的应用前景。

为了满足新型微结构/器件快速发展的技术要求，高效低成本的聚合物微结构/器件新型加工技术已经成为当今世界范围内微器件制造领域中亟待解决的关键科学问题。针对聚合物微结构/器件加工技术中的超声微热压焊技术的成型机理、微结构质量缺陷、工艺参数优化等关键科学问题开展了研究工作。建立了热塑性聚合物在循环振动载荷作用下的热能产生机理模型，揭示了超声振动作用下的热塑性聚合物的热力学状态变化过程、流动机理和微结构缺陷的形成原因。论证了模具结构及尺寸是影响微结构成型质量的重要因素。研究了超声振幅、超声时间、压力、保压时间等工艺参数对微结构填充率及灼烧现象的影响规律。设计加工了带有导能结构的微流道压印模具，并应用超声微焊接压印工艺完成了微流道的压印与键合，得到了高填充率、无灼烧现象的微流控芯片基片结构。实验研究了超声压力、超声振幅与超声时间对微流道截面变形及键合强度的影响。采用激光加工技术制备具有所需微结构的超声微焊接压印用金属模具，研究激光加工参数对不同模具材料表面形貌的影响。将激光微纳加工方法与超声微焊接压印工艺相结合，提出一种高效低成本的聚合物疏水表面制备方法，探索超声微焊接压印加工对聚合物表面润湿性的影响规律及内在机理。开发出一种新型嵌入式密封微流控芯片的结构设计与加工方法，验证了其具备的微模塑功能，扩展了超声微焊接压印工艺的应用范围。项目相关研究成果发表在Applied Surface Science，The International Journal of Advanced Manufacturing Technology等国内外高水平学术刊物上，其中SCI检索期刊论文5篇，EI检索论文6篇，申报发明专利6项，培养研究生2名，积极开展国内外学术交流和合作。研究成果对于揭示超声微焊接压印工艺的微结构成型机理，丰富微器件的设计加工方法，促进聚合物微器件的产业化有重要意义。