高粘度胶液接触式微量分配机理与控制方法

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高粘度胶液(>1 Pa.s)的微量分配具有不易受零件材质和结构尺寸的影响、无需高温/高压、内应力小等优点,适用于连接微小零件,在微装配等领域具有广泛的应用需求。随着器件向集成化和微型化方向发展,对分配的微量胶液体积和重复精度也提出了更高的要求。受高粘流阻、胶液物化特性等约束,目前广泛使用的基于注射的液体分配方法无法满足高粘胶液微量分配的要求。此外,针对高粘液体微量操纵机理的研究亦不够充分,缺乏描述高粘液体微转移和流动的理论模型,亟待对高粘液体微转移和流动机理进行深入研究,发展高粘胶液的新型微量分配方法。本文针对上述高粘胶液微量分配的关键问题开展以下研究:(1)针对基于注射的高粘胶液微量分配的问题,提出利用微注射针头与承液基板之间初始距离预控制的液体分配方法。结合非牛顿流体本构模型、动网格和界面跟踪等,建立了高粘胶液微量注射-接触式转移的计算方法,计算了微量胶液的注射、拉伸、断裂转移的分配过程,搭建了初始距离可控的接触式分配微量胶液的实验装置,实验研究了初始距离(45~145μm)对纳升级胶液分配过程的影响。结合理论和实验,探明了初始距离变化与分配胶液量的非线性关系是由于表面张力和粘性流阻在不同阶段主导的结果。根据研究结果,结合激光三角测距和图像特征提取等技术,研制了初始距离可控的精密微量自动化点胶设备,开展了微小惯性传感器件的粘接密封应用实验。(2)建立了基于微流控模板技术的微胶滴图案化方法。制造包含预设微胶滴图案的微流控芯片,结合微流控进样和硅烷化处理获得具有疏胶边界的多边形图案。利用多边形边界的疏胶特性,结合胶滴铺展能量守恒定律,考虑粘性耗散的影响,建立了控制转移胶滴铺展的临界体积模型,作为转移胶滴的溢出边界判据。采用紫外线固化胶和负性光刻胶为样本,研究了胶液的表观粘度、表面张力、极性以及多边形几何结构等对转移胶滴铺展的影响,探明了当粘性力和表面张力主导胶滴运动时,硅烷化处理的疏胶边界可有效约束胶滴的铺展,且减小多边形面积、增加多边形边数和胶滴内非极性基团的含量有助于提高胶滴的图案化能力,为微量胶液的形状控制提供了新思路。(3)为了消除基于注射的液体分配方法中流阻对高粘液体流动的影响,提出了适用于高粘胶液微量分配的基于压膜流阻力反馈的液体微转印方法。在两平行平板间粘性流体挤压流动的基础上,考虑表面张力的作用,建立了描述转印头与基板挤压胶液过程中胶滴尺寸和压膜流阻力变化的数学模型,为分析压膜流阻力与胶滴转印量的映射关系提供了理论依据。综合库仑静电力加载和微力反馈,形成了液体微转印分配方法和实验装置,在此基础上选择1~5mN压膜流阻阈值触发液桥拉伸断裂动作,分析了压膜流阻阈值对微胶滴转印量的影响规律,探明了压膜流阻阈值的降低与微胶滴转印量的减小呈近似线性变化关系,实现了 10 pL级高粘胶滴的微量分配。
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