微压印聚合物微流控芯片的传热分析研究

　　基于聚合物的微纳米制造技术已得到快速发展并已成功应用于生物和化学微系统中[1]。目前国内外的焦点是研究开发各种性能优越的聚合物及其制造 工艺,制造价格低廉的一次性使用微流控芯片[2]。当今聚合物微流控芯片的制造方法有很多,主要有压印法、注模法、软刻蚀和激光烧蚀等。压印成型已经被广 泛应用于制造以聚合物为基片的生物、化学和微机电系统当中。近年来,国内外对压印聚合物微流控芯片制造技术进行了大量的研究,对制造工艺和设备都进行了改 进,但对聚合物微流控芯片压印成型过程热传导的研究很少,本文首先从压印聚合物机理出发,采用传热学理论对压印升温过程的微模具和聚合物基片的温度场进行 分析,建立传热模型,并用有限元法进行温度响应求解,进而可获得压印加热时间等工艺参数。

　　1　聚合物微流控芯片压印成型原理

　　热压印法[2, 3](hot embossing)是一种快速复制微流控芯片的技术,它是生产高质量、高精度聚合物微流控芯片的一种方法。其优点是灵活方便,成本低,速度快,适合于大 批量制造。在热压印装置中将聚合物基片加热到软化温度,通过在阳模上施加一定的压力,并保持30 s~60 s,可在聚合物基片上压制出与阳模凹凸互补的微通道。然后在加压的条件下,将阳模和刻有通道的基片一起冷却后脱模,就得到所需的微结构[4]。其热压印装 置如图1所示,工艺流程如图2所示。

　　2　压印过程传热模型及有限元求解

　　在压印成型过程中,我们在上模和下模两端分别放置加热器对阳膜和聚合物基片进行加热,总共有五层材料参与了传热的过程,分别为上模、玻璃、硅 片、聚合物基片PM2MA和下模,如图3所示,x1,x2,…,x6为x方向的坐标,热压印装置中的上模和下模都是不锈钢材料,内部嵌入温度传感器来测量 上下模各自的温度。玻璃和硅片组合成微阳模,通常用光刻或蚀刻的方法在硅片上加工阳模,由于硅片易碎,我们采用阳极键合的方法将刻有微结构的硅片和玻璃键 合在一起,这增加了硅片阳模的机械强度,使它能进行高达几百次的复制。

　　下面我们来研究压印过程中加热阶段各层的温度场分布情况,可以认为这是多层材料热传导[5~7]问题,应用复合介质中的热传导理论来进行温度分 析。为了简化分析,我们作如下假设与处理: (1)温度变化为一维问题; (2)材料的热物性,导热系数k,比热cp,密度ρ,均为常量,不随温度变化;这个热传导问题的数学描述如下

　　我们用有限元来求解这个温度场分布,计算时材料的热物性取值见表1。得到加热120 s和250 s时的温度分布如图4所示。图中显示的温度分布,从左到右依次是上模、玻璃、硅片、PMMA和下模,温度的单位是K, 250 s时下模达到了373 K。