微流控芯片流體動壓拋光工藝研究

摘要：基于流體動壓潤滑理論設計了微結構拋光球，理論分析得出微結構在拋光球轉動過程中會產生更大的流體動壓力；利用Fluent分析了微結構類型、微結構尺寸對拋光產生的動壓力的影響，通過MATLAB擬合Fluent的數據得到其產生的拋光力。得到微結構的較優參數后進行微流控芯片的區域拋光，微流控芯片平面區域表面粗糙度從1.330nm降至0.658nm，流道表面粗糙度從0.737nm降至0.379nm。由此可進一步探索流體動壓拋光技術在微流控芯片確定性拋光中的應用。

關鍵詞：動壓潤滑理論；Fluent求解；超精密拋光；微流控芯片

中圖分類號：TG580.692

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2024.03.015

0引言

微流控芯片是實現分析儀器小型化、集成化和便攜性的主要設備［1］。微流控芯片在使用前，需將基片與蓋片之間進行鍵合，若基片表面粗糙度大，則會因鍵合強度不足而導致鍵合失敗［2］。微流控芯片是精密的生物學器件，對溝槽的底部和側壁表面粗糙度有嚴格要求，其中溝槽流道粗糙度的提高有助于促進微流體混合［3-4］，這對微流控芯片表面質量提出了較高的要求。依賴于磨粒與工件表面軟性接觸的流體動壓拋光技術是獲取低損傷、超光滑表面的超精密拋光方式之一。PENG等［5］提出了液動壓效應拋光方法，該方法利用化學沖擊反應實現材料的彈性區域內去除加工，可以有效去除材料表面和亞表面損傷。WEN等［6］提出了液動壓懸浮拋光方法，在動壓浮離拋光結構的基礎上添加了約束邊界和蓄流槽，形成了新型拋光工具盤，使得工件能夠在液動壓和流體剪切力穩定區域實現拋光加工。CAO等［7］在彈性發射加工和流體射流拋光的基礎上提出了新型圓盤流體動力拋光方法，液膜作為磨粒的載體存在于磨粒之間拋光工具和表面，可以通過增加額外去除量的方式提高單一波長的面形誤差。傅遠韜等［8］分析了線性液動壓拋光加工中液流對工件表面的作用形式，推導了黏性切應力和流體動壓力數學模型，還對線性液動壓拋光流場進行了數值模擬，剖析了拋光輥子尺寸以及拋光工藝參數對液動壓和黏性切應力的數值及分布均勻性的影響規律。范晉偉等［9］以聚碳酸酯微流控芯片為磁性拋光加工對象，開展微流控芯片的磁性復合流體拋光的關鍵工藝參數優化研究，將微流控芯片的表面粗糙度從0.510μm提高到0.018μm。流體動壓拋光作為一種非接觸式拋光，對微流控表面及溝槽均可以保持在微小間隙下進行拋光去除，進而降低微流控芯片表面粗糙度。

本文基于流體動壓潤滑理論，通過對拋光球開楔形槽的方式來增大其流體動壓力，利用Fluent仿真和正交試驗來驗證相關理論并選取較優的微結構參數，利用較優微結構小球作為拋光工具，進行微流控芯片區域拋光，以驗證其拋光效果。

1流體動壓潤滑理論及拋光方案設計

1.1流體動壓潤滑理論

拋光的材料去除模型通常用經典Preston方程表示，實際應用中研究人員根據材料去除理論和試驗對Preston方程進行各種修正，在非接觸流體拋光過程中，拋光相對速度v和拋光壓力p都是隨著工件表面位置坐標（x，y）和時間t而不斷變化的［10］，流體動壓拋光加工的材料去除率（materialremovalrate，MMR）也是與（x，y）和t有關的函數。單位時間T內工件表面（x，y）處的材料去除率RMM（x，y）可以表示為

式中，k為比例常數，它與拋光過程中的多種因素相關；p（x，y）為t時刻工件坐標（x，y）處受到的動壓力；v（x，y）為t時刻工件坐標（x，y）處的相對速度。

拋光材料去除原理如圖1所示。

流場的總體結構和輸入輸出條件會在很大程度上影響流場中動壓力p的分布及大小，1883年，Tower通過實驗發現軸承內部存在著油膜層，能夠承受很大的載荷，即流體動壓現象［11］。1886年，Reynolds提出了流體動壓潤滑理論的微分方程（雷諾方程），成功揭示了流體產生動壓的機理［12］。

首先，在流體動壓拋光中，拋光液是拋光顆粒和去離子水按照一定體積比例均勻混合而成的，為不可壓縮流體，將流體的密度ρ看作常量，Reynolds方程可改寫成

1.2方案設計

在流體動壓拋光的過程中，需要對拋光機構的工作原理進行分析和設計，拋光機構的原理設計結果會直接影響其流體動壓拋光的工作方式，并影響最終的拋光效果。在流體動壓拋光方法中，主要有斜軸臥式和垂直立式兩種工作方式，如圖2所示。其中，斜軸臥式的優點是工件易于裝夾，加工的工件尺寸范圍大，但是其不足之處主要是拋光顆粒會由于重力作用下沉積在工件表面，進而影響之后的拋光效果。而垂直立式方案則可以避免此情況，并且拋光顆粒會由于重力的作用加速作用在工件表面，此時與工件保持微間隙的區域為小球半徑處，相比斜軸臥式能產生更大的線速度，進而增大流體動壓力。

2工具設計及仿真優化

2.1仿真流場的建立

根據流體動壓拋光原理，建立圖3所示的三維流場模型，其中，小球和工件保持極其微小的拋光間隙，小球繞中心軸以一定轉速nA旋轉，帶動CeO2顆粒以一定的角度進行剪切去除，由于小球含有數量不等的微結構，故其流體仿真模型較為復雜，網格數量激增則會導致其求解運算時間延長。為了獲得較為精細的網格并控制網格數量，對模型進行簡化，簡化后的示意圖見圖3c。拋光球的仿真參數設置見表1。

2.2Fluent仿真結果分析

矩形微結構拋光球流場仿真分析完成后，得到其工件表面動壓力分布，如圖4a所示，流場最大動壓力約8.58kPa，在多種類型的微結構選擇中，薛凱元［13］指出矩形微結構會產生較大的流體動壓力，但未分析矩形結構倒圓角是否影響其拋光壓力，因此補充研究倒圓角后的微結構拋光球在同一條件下流體仿真結果。相同條件下，圓槽形微結構拋光球仿真結果如圖4b所示，由動壓力數據可得，矩形微結構較圓槽微結構易產生更大的拋光動壓力，因為倒圓角后的矩形微結構存在端泄效應進而影響流體動壓液膜的形成，無法形成穩定液膜，進而影響拋光壓力的大小。

得到拋光壓力云圖后，利用ANSYS后處理軟件CFD-POST進行處理，提取其拋光力，利用MATLAB進行擬合，擬合得到的拋光力如圖5所示。由圖5中結果可知，其矩形微結構仿真和倒圓角后的圓槽微結構拋光力分別為3mN、1.5mN。矩形微結構產生的拋光力約為圓槽微結構的2倍，因此在后續的設計參數優化過程中依據矩形微結構的參數進行優化。

工具球結構設計參數主要是針對微結構的個數、微結構的深度和拋光球直徑這三個設計參數進行仿真分析，下文通過正交仿真探究拋光球的較優結構。

為獲得矩形結構中設計參數的較優參數，進行正交試驗和因素優選，這三個因素分別為微結構個數、微結構深度、拋光球直徑，該試驗僅有三因素三水平，故增加空列湊成四因素三水平，選用L9（34）型正交表安排試驗。該正交試驗分析不考慮因素間的交互作用，只需將各因素分別安排在正交表L9（34）上方與列號對應的位置上，一個因素占有一列，見表2。

對以上正交試驗數據直觀分析后可以得到其工件表面的靜壓力、流體動壓力和剪切力趨勢，如圖6所示?？梢钥闯銎鋲毫图羟辛Ψ植嫉妮^優因素如下：微結構個數9，微結構深度2mm，小球直徑60mm。因此，對于微結構的設計參數，按照仿真較優結構進行選取。拋光球直徑越大，產生的流體動壓力越大，因為當拋光轉速一致時，直徑越大，意味著拋光去除點的線速度越大，則其去除拋光壓力也越大。

以微結構個數9、微結構深度2mm設計制造，拋光球直徑越大，旋轉產生的慣量也越大，進而引發振動，并且拋光小曲率的工件導致路徑規劃時易發生干涉，因此制造的拋光球直徑設計尺寸為40mm。

3微流控芯片拋光實驗

MOHAMMEND等［14］、ARCOT等［15］研究發現，微流控芯片流道表面由粗糙度過大導致的波峰波谷在液體流動過程中對其流動具有一定影響，主要是影響其表面的潤濕性，進而使其流動速度減緩。WANG等［16］指出微流控芯片表面粗糙度對封口鍵合的熱粘接有一定的影響，研究表明熱粘接成功率隨平均表面粗糙度的增加而明顯降低。故降低微流控芯片表面和流道粗糙度有著重要意義。

流體動壓拋光微流控芯片實驗如圖7所示，實驗中采用的微流控芯片材質為鈉鈣玻璃。玻璃作為微流控芯片的重要基材之一，具備高的化學穩定性、大范圍的光吸收系數以及較好的生物兼容性［17］，其微流道加工工藝為常用的濕法刻蝕，將待刻蝕材料浸泡在腐蝕液內進行化學反應進而加工預設流道。微結構拋光球與工件保持極小的拋光間隙，拋光液浸沒工件和拋光球，利用精密電主軸帶動微結構拋光球以高速旋轉，進而實現超光滑表面加工過程。

利用石蠟將微流控芯片粘在金屬塊上，利用夾具固定金屬塊進而實現微流控芯片垂直方向的固定。在拋光過程中，微結構拋光球與微流控芯片保持極其微小的間隙，并且以光柵路徑的形式進行區域拋光。微流控芯片區域拋光參數見表3。

實驗完成后，利用白光干涉儀對試驗前后的微流控芯片表面區域和流道區域特征形貌進行檢測，檢測結果如圖8所示，分別拍攝圖中微流道區域和平面區域得到表面形貌，觀察得到未拋光的表面區域粗糙度均方根（rootmeansquare，RMS）值為1.330nm，拋光后RMS值減至0.658nm。

由于微流道深度較深，使用白光干涉儀拍攝時，深度差較大會導致鏡頭無法完全覆蓋，從而出現壞點而影響數據生成，故利用V32軟件截取流道中心區域進行分析，其分析結果如圖9所示。圖9a為流道口拋光前拍攝結果，其中（1）為截取后的中心區域，利用V32的截取功能得到中心截面區域，如圖9a中（2）所示。由于中心為凸起面型，直接分析會導致其數值較大，故利用高通濾波功能將數據中的低頻誤差濾除，只關注高頻誤差即粗糙度，進而得到圖9a中（3）的分析結果，其流道口拋光前表面粗糙度RMS值為0.737nm，拋光后，經過濾波后的表面粗糙度RMS值減至0.379nm。PV值則由189.390nm減至65.528nm。

4結語

本文基于流體動壓潤滑理論設計微結構拋光球，研究流體動壓潤滑理論，分析得到帶有微結構的拋光球轉動過程中會產生更大的流體動壓力；利用Fluent仿真分析了微結構類型、微結構尺寸對流場中動壓力的影響，之后通過MATLAB數據擬合得到仿真的拋光力，結果發現矩形微結構個數為9、深度為2mm時產生的流體動壓力較大。優選參數后對微流控芯片進行拋光，得到微流控芯片平面區域表面粗糙度RMS值從1.330nm減至0.658nm，微流芯片流道表面粗糙度RMS值從0.737nm降至0.379nm、PV值則由189.390nm減至65.528nm的結果。今后將對微結構拋光球結構繼續優化，并對不同結構微流控芯片進行拋光，以驗證其適用性。

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