基于局部溶解性激活的聚合物微流控芯片超声波键合

利用低于临界振幅下的超声波作用在聚合物上仅产生表面热的特点,结合PMMA在异丙醇(IPA)中的温变溶解特性,提出了一种基于局部溶解性激活的超声波聚合物微流控芯片键合方法.理论分析表明当超声振幅小于临界振幅时,只有器件接触表面产生局部表面热,而且在70℃附近IPA对PMMA的溶解性才具有良好的激活作用.在试验研究中,利用精密加工法和热压法制作了带面接触式导能筋结构和80μm×80μm微通道的PMMA微流控芯片基片.在超声振幅为13μm、键合时间8 s、键合压力300 N的条件下进行了键合试验.结果表明,芯片拉伸强度达2.25 MPa,微通道的承压能力超过800 kPa,键合后导能筋无熔融,微沟道变形率小于2%,键合时间仅为8s.该方法的键合强度和键合效率明显高于传统的键合方法,而微结构的变形率却较小,故可作为一种具有产业化前景的聚合物MEMS器件快速封接方法.     

聚合物多层微流控芯片超声波键合界面温度研究

针对聚合物多层微流控芯片键合,采用热辅助超声波键合方法实现了4层微流控芯片的键合,搭建了多界面温度测试装置,采用埋置热电偶的方法测试了三个被封接界面的温度场,研究了单独超声波作用和热辅助超声波键合法中各界面的温度并进行了比对.温度测试实验结果表明,在顶层热辅助温度70℃、6μm振幅、30kHz频率、100N超声波焊接压力和25s超声波作用时间下,基于热辅助的多层超声波键合方法可以使各键合界面的温度基本一致,从而实现多层微流控器件的多个界面键合质量一致.本文的研究为聚合物微流控器件的超声波多层键合机理研究提供了有益借鉴.     

塑料微流控芯片的注塑成型

有别于传统的微流控芯片压塑成型方法,本文提出注塑成型加工塑料微流控芯片的新工艺.采用UV-LIGA技术制作成型微通道的型芯,设计制造了微流控芯片注塑模具.充模试验表明,如何使微通道复制完全是微流控芯片注塑成型的主要技术难点.模拟与理论分析表明,熔体在微通道处出现滞流现象是复制不完全的主要原因;搭建了可视化装置对此加以试验验证.利用正交试验方法进行充模试验,研究各工艺参数对微通道复制度的影响.试验表明模具温度对提高微通道复制度起决定性作用;注射速度和熔体温度是次要因素,而注射压力相对其他因素影响力较差,但必须保持在一个较高的水平.依此形成塑料微流控芯片的注塑成型工艺,对于宽80μm、深50μm截面的微通道而言,可使微通道复制度由70%提高到90%,满足使用要求.     

聚合物微流控芯片的注射成型

针对注塑成型微流控芯片过程中出现翘曲变形和微通道复制精度不高等缺陷,采用正交分析法,仿真优化了芯片厚度方向上的翘曲变形;基于翘曲优化结果,实验研究了微注射成型微流控芯片过程中模具温度、熔体温度和注射速度对微通道变形的影响。结果表明,保压时间和保压压力对微流控芯片的翘曲变形影响最大,而模具温度对微通道变形影响最为显著。采用优化的工艺参数,所成型的芯片微通道具有较高的复制度,无明显翘曲变形,可满足使用要求。     

微流控芯片基片与盖片一体化注塑成型研究

针对微流控芯片基片与盖片的结构特点,提出了定模先行抽芯机构,设计制造了微流控芯片基片与盖片一体化注塑成型模具,并进行注塑成型试验研究.结果表明:定模先行抽芯机构可以有效解决盖片上圆孔状储液池成型与脱模的技术难题,如何使微通道复制完全是微流控芯片基片注塑成型的主要技术难点;模具温度对提高微通道复制度起决定性作用,注射速度和熔体温度是次要因素,而注射压力相对其他因素影响力较差,但必须保持在一个较高的水平,依此形成塑料微流控芯片的注塑成型工艺规范.     

新型纳米磁色谱微流体芯片

通过标准光刻电铸工艺,在玻璃基片上制备了不同形状的顺磁性镍铁微柱阵列作为微流控通道内的磁力元件;通过SU-8胶光刻模板PDMS快速成型制备了微流控通道结构,通过O2 Plasma 处理和显微镜下对准,实现在玻璃基片上的永久封装,制备了磁分离微流控芯片;在微流控通道中引入含有微磁珠的溶液,通过外加磁场和流动式进样,观察微磁珠的对磁场的响应情况以及层流中的磁珠分离情况及捕获,并进行了DNA提取实验.     

热压键合工艺参数对微流控芯片微通道尺寸变形的影响

为减小环烯烃共聚物(COC)芯片热压键合过程中微通道的变形量,采用单因素实验研究了热键合参数对COC芯片微通道变形的影响规律,为键合参数的设置提供一定的理论指导。研究结果表明,键合参数对芯片微通道的变形有较大影响,键合温度的影响最大,对应的变形量最大极差为20.76,键合压力次之,键合时间的影响最小,对应的最小极差为5.04μm,且与连续相相比,键合参数对COC芯片微通道离散相尺寸变形影响更为显著;在热键合过程中,温度和压力过高会使芯片微通道产生永久变形甚至毁坏芯片微结构,为减小变形,可适当地降低键合温度和压力,延长键合时间来弥补键合不完全的问题。     

新型网状通道微流控细胞培养芯片设计与制作

微流控芯片能为细胞的体外培养提供良好的生长微环境.设计制作了一系列具有网状微通道网络的细胞培养微流控芯片,为细胞体外培养提供了稳定的流体环境.该芯片由网状微通道网络和处于网状通道节点处的培养腔室组成.芯片整体结构呈对称分布,外部流体在驱动力的作用下进入微通道网络,经过多条微通道进入培养池.培养池周围微通道具有"多入多出"的特点,在很大程度上提高了培养池内流场的稳定性.同时研究了芯片微通道网络的网状程度、培养腔数量对培养池内流场的影响.结果表明:处于网状微通道网络上的培养池内流场均一稳定,能为细胞体外培养提供近体微环境.     

ITO玻璃电致化学发光微流控芯片的低温键合

研究了一种利用商品化的氧化铟锡ITO）玻璃制作一次性电致化学发光微流控芯片的方法．采用光刻和湿法腐蚀ITO（氧化铟锡）层制作微电极;利用同样的方法,在另一片Cr板玻璃上湿法腐蚀微沟道．在玻璃之间夹入PE薄膜作为间质实现芯片的低温键合,采用开孔和预压处理PE薄膜,解决了键合气泡和储液池边缘变形问题．该方法解决了ITO玻璃不耐高温的问题,在120～125℃实现了微通道的有效封接,芯片的键合强度达到0．7MPa．     

微流控芯片微沟道的超声压印制作

作为一种新型聚合物微结构成形方法,超声波压印具有成形速度快和基片整体变形小的特点,但是微结构在较大面积成形时存在均匀性较差的问题．本文面向微流控芯片中微沟道的超声波压印成形,通过设计正交实验和有限元仿真研究的方法,分析了超声压印工艺参数对微流控芯片成形质量和均匀性的影响原因及规律．结果表明,可以通过优化超声波压印压力、振幅和超声波作用时间提高压印均匀性．其中超声波压印压力对成形精度和均匀性的影响最大．采用优化后的工艺参数进行实验,在48mm×32mm面积的PMMA微流控芯片基片上成形了微沟道,微沟道的复制精度优于95．6％．片上3点的均匀性为98．0％．     

Rapid Low‐Temperature 3D Integration of Silicon Nanowires on Flexible Substrates

The vertical integration of 1D nanostructures onto the 2D substrates has the potential to offer significant performance gains to flexible electronic devices due to high integration density, large surface area, and improved light absorption and trapping. A simple, rapid, and low temperature transfer bonding method has been developed for this purpose. Ultrasonic vibration is used to achieve a low temperature bonding within a few seconds, resulting in a polymer‐matrix‐free, electrically conducting vertical assembly of silicon nanowires (SiNWs) with a graphene/PET substrate. The microscopic structure, and mechanical and electrical characteristics of the interface between the transferred SiNW array and graphene layer are subsequently investigated, revealing that this creates a mechanically robust and electrically Ohmic contact. This newly developed ultrasonic transfer bonding technique is also found to be readily adaptable for diverse substrates of both metal and polymer. It is therefore considered as a valuable technique for integrating 1D vertical nanostructures onto the 2D flexible substrates for flexible photovoltaics, energy storage, and water splitting systems.     

Ultrasonic welding — Principles & theory

This paper looks into the fundamental phenomena of ultrasonic welding. It starts with a simple model rod, covering the sound field, energy conversion and energy transmission. The geometrical dependence of ultrasonic energy transmission and the energy conversion in the energy director are then examined on simple joined parts with real contact surface geometries. Finally, criteria are set out for assessing the welding capacity of thermoplastics. The paper concludes by showing the significance of joining pressure for welded seam quality.     

基于LFM的橡胶脱粘超声检测方法研究

针对SYS510e型空气弹簧底板的金属橡胶粘接结构橡胶脱粘缺陷超声检测难以辨识问题,提出采用改进的线性调频脉冲代替传统窄脉冲作为超声波激励信号,增大超声检测的信号能量和频谱宽度。在宽频带超声检测的基础上,采用小波包-奇异值分解方法解析超声回波在不同粘接状态、不同频率范围的时频能量分布,提取更稳定、一致性更好的橡胶脱粘辨识特征值。根据特征训练BP神经网络对空气弹簧的橡胶脱粘缺陷进行超声C扫描检测。结果显示,基于改进的线性调频脉冲激励的超声检测方法能够准确有效地辨识橡胶脱粘缺陷的位置和轮廓,满足对SYS510e型空气弹簧的超声脱粘检测需求。     

Magnetic-field-assisted formation of alignment polymer coatings in liquid crystal cells

We describe a new method for obtaining liquid crystal (LC) layers with planar orientation in plane-parallel cells, which is based on the technology of LC-polymer interface formation in solution under the action of an applied magnetic field. The azimuthal anchoring energy of LC at the polymer surface has been determined by measuring the angle of orientation of the nematic LC director on the substrate surface as a function of the magnetic field. The LC orientation provided by the proposed method is stable, and the anisotropy of LC anchoring is comparable with that achieved using well-known methods of alignment polymer film preparation by rubbing.     

复合材料翼盒壁板低速冲击接触力、凹坑特性及其模拟

为预测复合材料层合板的低速冲击特性,提出一种基于弹簧-质量模型的冲击分层响应模拟方法。首先根据假定的分层数量和分层面积计算分层前后的弯曲刚度与挠度变化,进而模拟出含分层过程的冲击头运动时间历程。然后,由冲击头的加速度计算接触力,并基于材料的弹-塑性接触定律计算出永久凹坑深度。随后,对共固化复合材料翼盒的壁板进行了低速冲击实验,冲击点分为3种类型:2个梁间蒙皮的中点位置、蒙皮与翼梁T型连接的胶接区边界和梁的正上方。接着,分析对比了不同冲击点的接触力、分层阈值力和凹坑深度的特点。最后,使用所提出的模型计算第1种冲击点的接触力、永久凹坑深度和吸收能量,并分析了矩形板长宽比对薄膜刚度及接触力的影响。结果表明:模拟的接触力与实测结果吻合良好,对永久凹坑深度和吸收能量的模拟精度也较高,所提模拟方法有效;随着长宽比的减小,薄膜刚度迅速增大,从而使接触力显著增大。      

基于激光超声二次谐波技术检测纤维增强树脂复合材料加固混凝土结构剥离损伤

纤维增强树脂(FRP)复合材料加固混凝土结构的早期剥离损伤往往趋向于闭合状态,传统线性超声技术对这种剥离损伤不敏感.本文提出了基于连续激光激发窄带超声波技术结合非线性超声二次谐波法检测FRP复合材料加固混凝土剥离损伤的方法,该方法通过强度调制激光技术在加固结构的表面激励窄带超声表面波,在超声波的扰动下,依据弹簧模型的接...     

引线键合系统键合工具振动特性研究

研究微电子封装超声引线键合系统键合工具的动态特性和摩擦行为,运用有限单元法建立了键合工具的动态接触模型,初步掌握微电子超声键合系统键合机理。通过对键合工具施加不同的加载频率和正压力的计算结果进行对比,定性地给出了键合过程中加载频率和正压力的变化对键合工具动态响应和摩擦应力的影响.研究结果表明:键合工具的加载频率偏离固有频率,键合工具针尖部分的幅值响应将迅速减小,同时摩擦应力的均值也相对减小;正压力增大,响应幅值将会相应减小;正压力增大到一定值时,幅值响应将会波动比较大,如果要得到适合的键合点尺寸的要求,同时保证键合质量,就必须选择合适的加载频率和正压力。     

纵向超声波辅助微注塑方法

微注塑过程中,聚合物熔体在微小腔体中流动时充模阻力比常规注塑大,这影响了熔体填充效果,同时热量损失的不均衡性和不确定性容易导致注塑精度不高．提出了纵向超声波辅助微注塑方法,并对超声波振动对聚合物熔体的作用机理进行了探讨,分析了超声换能器结构对应力、振幅和响应频率的影响．基于对微注塑过程的模拟结果,开发了纵向超声波辅助微注塑装置．通过在微注塑过程中纵向超声波对熔体的能量作用降低熔体黏度,改善了熔体流动和充填性能．为了验证超声波辅助微注塑的效果,进行了菲涅尔透镜实际注塑实验．实验结果表明,相同的注塑工艺条件下,超声辅助微注塑过程中聚合物熔体的充填性能提高了6．91％．