论文部分内容阅读
微流控系统是采用微纳尺度通道来处理和操控微小体积流体的科学和技术,是目前的研究热点之一。当前微流控器件的主要基材是塑料,其化学稳定性等问题已引起了人们的重视。与塑料相比,玻璃化学稳定性好,因而大量使用在传统化学、生物领域。但从上世纪90年代初微流控系统诞生以来,玻璃一直未获大规模应用,主要问题在于缺乏低成本的玻璃微加工技术。本文提出一种新的低成本玻璃微流道的加工方法,并探索了其在光催化微反应器方面的应用。
首先,基于MEMS技术、玻璃热成型技术和多孔材料发泡技术,确立了玻璃微流道热成型的技术方案:正压热成型法和负压热成型法。正压热成型方法主要采用热释气剂在高温下分解产生的气体作为玻璃热成型的驱动力,在玻璃熔融状态下产生热形变形成玻璃微流道和微腔系统;负压热成型方法利用硅-玻璃真空阳极键合形成的负压作为热成型的驱动力。本文还重点研究了正压热成型的理论模型,分析了两种热释气剂:氢化钛和碳酸钙的分解动力学模型,建立了玻璃微流道尺寸与高温释气剂用量之间的理论关系。
接着,本文运用实验系统地研究了玻璃微流道热成型的方法。采用热成型实验,研究了热释气剂质量、热成型温度、热成型时间对于玻璃微流道形状和尺寸的影响;讨论了附加压力和重力等因素对于玻璃微流道成型过程的影响;运用原子力显微镜(AFM)测试了热成型玻璃微流道内、外表面粗糙度;运用扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDX)对玻璃微流道表面进行了分析。结果表明:热成型方法可用于制备尺寸可控的三维复杂结构的玻璃微流道,计算模型与实验结果符合较好;玻璃热成型表面的粗糙度接近于抛光玻璃的原始粗糙度;热释气剂残留物未对玻璃微流道产生污染。
最后,本文还探索了热成型玻璃微流道在光催化微反应器方面的应用。