【摘 要】
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因体积小、可定量处理皮升和纳升级别的流体,微流控芯片在药物筛选、疾病诊断以及微观尺度生物分析等领域具有应用价值。近年来,微流控芯片的相关研究越来越受到重视,但微流控芯片制造工艺之复杂,依然成为了其实现产业化的最大障碍。键合技术是微流控芯片制造工艺的环节之一。相较于其他键合工艺,热压键合满足了市场需求的加工难度低、加工周期短和不引入第三方杂质的特点。因此,本文为实现企业自研芯片的量产,研发了微流控热
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因体积小、可定量处理皮升和纳升级别的流体,微流控芯片在药物筛选、疾病诊断以及微观尺度生物分析等领域具有应用价值。近年来,微流控芯片的相关研究越来越受到重视,但微流控芯片制造工艺之复杂,依然成为了其实现产业化的最大障碍。键合技术是微流控芯片制造工艺的环节之一。相较于其他键合工艺,热压键合满足了市场需求的加工难度低、加工周期短和不引入第三方杂质的特点。因此,本文为实现企业自研芯片的量产,研发了微流控热压键合设备的控制系统,设计了实验,以寻找环烯烃共聚物（COC）微流控芯片的最佳热压键合工艺参数,并在热压键合工艺参数对芯片质量的影响程度方面进行了探究。本文的主要工作内容如下:（1）首先对键合设备的关键工作部件进行了选型。为提高温度控制精度和表面温度一致性,温控系统采用恒温控制精度高的半导体制冷片（TEC）、NTC热敏电阻以及散热风扇;压力控制系统采用电磁阀和气缸,可以得到稳定的压力输出;根据设备技术要求,研制了温度热传导模块的结构,计算了加热、制冷模式下金属传热块的温度传递速率。（2）设计了控制方案以及硬件系统。根据外部器件的功能、性能需求,本课题选用STM32F103VET6作为控制器芯片,设计了电源转换电路、控制器系统模块、外设驱动电路、气缸复位磁耦电路、H桥电路、H桥驱动电路以及温度调理与采集模块等。（3）设计了控制软件系统。为提高控制任务的实时性,在多任务控制系统Free RTOS框架下,编写了驱动程序;为完成通过LCD触摸屏实现控制和数据传输,自定义了数据收发的UART通信协议,编写了底层驱动以及界面程序;基于外部存储芯片的规则,设计了I2C的读写程序,分配了存储参数地址;基于A/D转换器规则,设计了SPI驱动程序;编写了对温度数据进行滤波去噪以及温度补偿的程序。（4）采用机理分析和实验组合的混合建模法,使用matlab系统辨识工具箱对模型参数寻优,获得了键合设备的温控数学模型;通过matlab软件,仿真整定了该温控模型的增量式PID控制参数,设计了模糊增量式PID控制,仿真结果显示,模糊增量式PID的控制性能效果更优。（5）以环烯烃共聚物（COC）为基材的微流控芯片为实验对象,设计了控制单一变量的键合实验,探究了不同键合工艺参数对微流控芯片键合质量的影响;通过实验分析了以通道收缩率变异系数为键合质量的衡量指标;通过课题组自研了工装拉力计,测量了评价键合质量指标的键合强度。结果及数据分析表明,温度是影响通道形变量和键合强度最重要的影响因素,其次,键合压力对芯片键合压强的影响程度更大,键合时间次之;键合时间对芯片通道形变量的影响程度更大,键合压力次之。通过实验研究,获得了最佳热压键合工艺参数;设计了微滴生成实验,实验及分析表明,键合后的微流控芯片能生成稳定的目标尺寸液滴。
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