本文将具有“立体通道结构”或“多层结构”的微流控器件称为立体结构微流控器件。立体通道结构是指微通道内部具有立体微结构,多层结构是指在一般双层结构的基础上增加器件层数。立体结构微流控器件将多种功能单元集成到一起,可以实现分层、分区域的样品操控。对立体结构微流控器件的研究为实现μ-TAS系统集成化、微型化提供了基础。例如,在进行细胞分析时,可以在第一层上利用通道内立体微坝和微柱阵列进行细胞筛选,筛选出的细胞在第二层上利用通道内微陷阱阵列进行单细胞捕捉,然后在第三层上进行细胞裂解,在第四层上进行PCR扩增,使全部细胞分析过程可以在同一器件上快速完成。热塑性聚合物是制作立体结构微流控器件的重要材料之一,热塑性聚合物立体结构微流控器件可以实现批量化制造,对于μ-TAS系统的的未来发展具有重要意义。然而,目前对于热塑性聚合物立体结构微流控器件的研究还存在较多问题：(1)立体结构微通道热压中聚合物形变填充机理研究不足；(2)热键合过程中微通道变形严重,没有理论模型可以对通道变形机理进行分析；(3)热键合中片上集成电极容易产生断裂,目前没有可以揭示断裂机理的理论模型；(4)多层芯片封合方法欠缺。本文依托“973”国家重点基础研究发展计划“高性能微流控芯片／器件的制备方法及相关理论”(NO.2007CB714502)和国家自然科学基金重大项目“仿生—微纳流控芯片系统的研究”(NO.20890024),针对上述问题进行了如下研究：(1)对玻璃态／高弹态聚合物在热压中的粘塑性和高弹性力学行为进行了研究,为立体微结构热压奠定了基础。通过理论分析、数值模拟、热压过程实验拍摄和微结构成形分阶段热压实验,研究了热压中热塑性聚合物的形变填充机理。提出了“欠填充区域”的概念,并研究了“欠填充”的产生和消除机理,建立了热压过程中的加温速率、加载速率和保温保压时间等工艺参数与“欠填充”区域面积的关系。在本部分内容中,对于“玻璃态或高弹态热塑性聚合物”在凸模热压中形变填充行为的研究具有新颖性,特别是对“欠填充”机理进行的研究具有创新性,之前未见报道。(2)建立了热塑性聚合物毛细管电泳芯片集成电极在热键合中的受力模型,提出了新型低结晶度PET毛细管电泳芯片的微通道热压工艺、电极对准工艺和低温低压键合工艺。基于粘弹性理论和断裂理论,建立了热键合中电极的受力模型,对电极应力与键合工艺参数、热应力以及电极跨距之间的关系进行了分析,并通过有限元模拟和热键合实验对分析结果进行了验证。研究了新型低结晶度PET毛细管电泳芯片的制作方法,对其中的储液池激光加工、微通道热压、片上集成电极对准、材料表面改性和芯片键合等问题进行了研究。本部分内容中,对于“片上集成电极受力模型”和“PET毛细管电泳芯片微通道热压工艺、电极对准工艺和低温低压键合工艺”的研究具有创新性,相关研究之前未见报道。(3)研究了热键合中微通道的变形机理,使用“预补偿法”减小微通道变形对通道内立体微结构的影响,制作了带有通道内立体微堰的PMMA血细胞筛选微流控器件。基于热粘弹性理论,对热键合中微通道的变形进行了理论分析、有限元仿真和实验研究。针对变形会导致通道内微结构失效的问题,提出了“预补偿法”。制作了带有通道内微堰结构的血细胞筛选立体微流控器件,对其中的预补偿量的确定、通道网络结构设计、硅模具的制作、立体微通道热压和芯片键合等问题进行了研究。本部分内容中,对于“热键合中微通道变形机理和变形量模型”、“微通道变形预补偿”以及“带有通道内微堰结构的PMMA细胞筛选微流控器件制作方法”的研究具有创新性,相关研究之前未见报道。(4)提出了热塑性聚合物多层立体结构微流控器件的制作方法。通过数值模拟和多层器件键合实验,研究了储液池直径、通道宽度和基片厚度等因素对多层键合的影响。提出了热塑性聚合物多层器件键合法——MTBP法。对MTBP法所包含的多层异厚键合工艺(DTSLB)、传力镶块辅助键合工艺(EBAB)、多层器件分步键合工艺(MSB)、热塑性聚合物基片表面改性工艺(TP-SM)和器件激光切边(LEW)等进行了研究。使用MTBP法,本文制作了三种具有立体通道网络结构的PMMA多层微流控器件,并成功用于试剂混合。在本部分内容中,MTBP法及其所包含的EBAB、MSB、DTSLB、LEW均为首次提出,而TP-SM是对已有技术改进得到的工艺。