摘要
微流控芯片因具有小型化、试品消耗剂量小、反应迅速可控、操作简单方便等优势而被应用于诸多领域。金属模具作为制作微流控芯片的核心器件，其加工方法有多种，其中掩膜电解加工方法以工具电极无损耗、加工成本低、加工后工件无残余内应力等优势而具有较好的应用前景。然而，由于金属的各向同性刻蚀属性，掩膜电解加工存在加工定域性较差的问题。针对这一问题，本文提出了兆声辅助掩膜电解加工及兆声SiC微粒辅助掩膜电解加工的方法，具体研究内容如下： （1）对兆声辅助掩膜电解加工过程进行了分析。首先，基于电解加工原理，对阴、阳极上发生的化学反应和阳极极化现象进行了分析，并以此来选择合适的工艺参数。其次，基于声学理论，对兆声在掩膜电解加工中的作用进行了分析。分析结果表明：兆声在电解液中传播时产生的声流作用能够促进电解液的流动、提高传质，进而提高掩膜电解加工的加工精度、加工效率。 （2）利用COMSOL Multiphysics软件对兆声辅助掩膜电解加工过程进行仿真模拟。首先，基于声学理论、电极过程动力学理论以及气液两相流理论，建立了兆声辅助掩膜电解加工的数学和几何仿真模型，确定了掩膜电解加工中声场、气液两相流场、电场之间的耦合关系。其次，仿真分析了不同兆声声强对掩膜电解加工的影响，并获得了微流控芯片金属模具微流道的轮廓演化曲线。仿真结果表明：随着兆声声强的增大，电解液中的声压幅值增大、气相浓度减小，电解液电导率升高；与无兆声作用相比，兆声作用下阳极表面的金属离子浓度减小，金属模具微流道的蚀刻因子提高了35.4%。 （3）开展了兆声辅助掩膜电解加工微流控芯片金属模具的实验，探究了不同兆声声强对金属模具微流道刻蚀深度、侧蚀量和蚀刻因子的影响规律，并将实验结果与仿真结果对比分析。结果表明：随着兆声声强的增大，金属模具微流道的刻蚀深度和蚀刻因子有较大提高，实验结果与仿真结果趋势相同；相较于无兆声辅助掩膜电解加工，当兆声声强为8W/cm2时，金属模具的蚀刻因子提高了46.1%。 （4）为了进一步改善微流控芯片金属模具的加工定域性，在兆声辅助掩膜电解加工的基础之上，提出了兆声SiC微粒辅助掩膜电解加工方法。进行了不同SiC微粒粒径、不同微粒质量浓度以及不同兆声声强的掩膜电解加工实验。优选掩膜电解加工工艺参数，制作出了形貌良好、定域性较高的微流控芯片金属模具，使金属模具的蚀刻因子提高了67.8%。
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