《微米納米技術(shù)叢書·MEMS與微系統(tǒng)系列：聚合物微納制造技術(shù)》總結(jié)了作者王立鼎、劉沖、徐征、李經(jīng)民、劉軍山等十年來在聚合物微納制造方面的科研成果，并介紹了國內(nèi)外在這方面最新研究成果和發(fā)展動態(tài)，力求全面反映聚合物微納制造技術(shù)最新發(fā)展水平。闡述了聚合物微納制造的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，涵蓋了聚合物材料特性、微納成形工藝技術(shù)及設(shè)備、高能束刻蝕、封合連接技術(shù)及設(shè)備等，并對聚合物微納技術(shù)典型應(yīng)用情況進(jìn)行了總結(jié)。目的是使讀者能夠切實(shí)和全面地了解聚合物微納制造技術(shù)的原理和最新進(jìn)展。
第1章 緒論
1.1 微納制造概論
1.2 聚合物微納制造發(fā)展簡史
1.3 聚合物微納制造方法概述
參考文獻(xiàn)
第2章 聚合物材料結(jié)構(gòu)特征與性能
2.1 聚合物材料的特點(diǎn)與分類
2.2 微納領(lǐng)域常用的聚合物材料
2.2.1 聚甲基丙烯酸甲酯
2.2.2 聚酰亞胺
2.2.3 聚對二甲苯
2.2.4 聚二甲基硅氧烷
2.2.5 光敏聚合物
2.3 聚合物材料的玻璃化轉(zhuǎn)變
2.3.1 描述熱塑性聚合物玻璃轉(zhuǎn)化的理論
2.3.2 聚合物分子鏈剛性對玻璃轉(zhuǎn)化溫度的影響
2.3.3 聚合物分子量對玻璃轉(zhuǎn)化溫度的影響
2.3.4 聚合物分子結(jié)構(gòu)對玻璃轉(zhuǎn)化溫度的影響
2.3.5 交聯(lián)度對玻璃轉(zhuǎn)化溫度的影響
2.4 熱塑性聚合物材料的高彈態(tài)力學(xué)性能
2.4.1 高彈性
2.4.2 熱彈逆變現(xiàn)象
2.5 聚合物熔體的流變特性
2.5.1 聚合物熔體流動傳輸方程
2.5.2 聚合物熔體本構(gòu)關(guān)系
參考文獻(xiàn)
第3章 微注塑成型
3.1 微注塑成型的應(yīng)用背景
3.2 微注塑成型的特征
3.3 微注塑成型計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法
3.4 微注塑成型模具制造方法
3.4.1 微注塑成型模具組成
3.4.2 微模具型芯材料選擇和加工方法
3.5 微注塑機(jī)
3.6 微注塑成型模具設(shè)計(jì)與注塑工藝優(yōu)化
3.6.1 微注塑成型模具設(shè)計(jì)
3.6.2 微注塑成型工藝參數(shù)優(yōu)化
參考文獻(xiàn)
第4章 微熱壓成型
4.1 聚合物微熱壓形變填充機(jī)理
4.2 微熱壓中聚合物形變填充理論模型
4.2.1 玻璃態(tài)應(yīng)力模型
4.2.2 高彈態(tài)應(yīng)力模型
4.2.3 應(yīng)變模型
4.3 熱塑性聚合物熱壓形變填充的數(shù)值模擬
4.4 玻璃態(tài)／高彈態(tài)聚合物熱壓形變填充實(shí)驗(yàn)
4.5 微熱壓成型設(shè)備
4.6 微熱壓模具制作技術(shù)
4.7 微熱壓成型工藝正交試驗(yàn)
參考文獻(xiàn)
第5章 軟刻蝕方法
5.1 PDMS彈性印章及其他PDMS微器件的制造方法
5.1.1 PDMS固化機(jī)理
5.1.2 PDMS模塑成型工藝步驟
5.1.3 PDMS表面改性
5.1.4 PDMS微納器件封合方法
5.1.5 典型PDMS微納器件與單元
5.2 微接觸印刷法
5.3 轉(zhuǎn)移微模塑法
5.4 毛細(xì)微模塑法
5.5 溶劑輔助聚合物微模塑
參考文獻(xiàn)
第6章 高能束微納刻蝕
6.1 激光刻蝕
6.1.1 激光刻蝕的概念與特征
6.1.2 CO2激光刻蝕
6.1.3 準(zhǔn)分子激光刻蝕
6.1.4 飛秒激光刻蝕
6.2 電子束和聚焦離子束刻蝕
6.2.1 電子束刻蝕
6.2.2 聚焦離子束刻蝕
6.3 等離子體刻蝕
參考文獻(xiàn)
第7章 聚合物微納器件封合與集成
7.1 熱鍵合封合
7.1.1 直接熱鍵合
7.1.2 輔助熱鍵合
7.1.3 多層微流控芯片熱鍵合
7.2 激光焊接
7.3 直接黏接法
7.4 超聲波焊接
7.5 聚合物表面的金屬圖形化
7.5.1 易腐蝕金屬的濕法腐蝕工藝
7.5.2 惰性金屬的剝離工藝
7.5.3 化學(xué)鍍工藝
參考文獻(xiàn)
第8章 聚合物微流控芯片及應(yīng)用
8.1 聚合物微流控芯片概述
8.2 微流控芯片中流體流動與物質(zhì)輸運(yùn)
8.2.1 微流控芯片中流體流動現(xiàn)象
8.2.2 微流控芯片中樣品輸運(yùn)現(xiàn)象
8.2.3 微流控芯片中液體流動和樣品輸運(yùn)特點(diǎn)
8.2.4 描述微流控芯片中液體和樣品輸運(yùn)的無量綱數(shù)
8.3 微流控芯片單元技術(shù)
8.3.1 過濾
8.3.2 富集濃縮
8.3.3 微混合
8.3.4 分離單元
8.3.5 檢測方法
8.4 微流控芯片應(yīng)用現(xiàn)狀
8.4.1 臨床疾病診斷方面
8.4.2 食品安全方面
8.4.3 環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域
8.5 展望
參考文獻(xiàn)
第9章 聚合物在微小型燃料電池中的應(yīng)用
9.1 微型質(zhì)子交換膜燃料電池概述
9.1.1 發(fā)展歷程
9.1.2 結(jié)構(gòu)和工作原理
9.1.3 應(yīng)用前景
9.2 聚合物流場板的應(yīng)用
9.2.1 燃料電池流場板功能
9.2.2 聚合物流場板制作方法
9.2.3 聚合物流場板導(dǎo)電增強(qiáng)方法
9.2.4 基于聚合物流場板的微型燃料電池
9.3 質(zhì)子交換膜
9.3.1 全氟質(zhì)子交換膜
9.3.2 全氟質(zhì)子交換膜的改性
9.3.3 質(zhì)子交換膜厚度對微型燃料電池性能的影響
9.4 聚合物微封裝技術(shù)
9.4.1 微封裝工藝流程
9.4.2 封裝應(yīng)力對微型燃料電池性能的影響
9.4.3 封裝聚合物特性
9.5 應(yīng)用實(shí)例
9.5.1 環(huán)氧樹脂封裝孿生MEMS微型燃料電池
9.5.2 次瓦級孿生電池堆
9.5.3 氣液自驅(qū)替燃料電池堆
參考文獻(xiàn)
3）本體摻雜
PDMS固化過程中會形成微孔，這些微孑L可以吸收容納一些其他分子。利用這一性質(zhì)，可以在PDMS預(yù)聚物中引入特殊分子，使這些分子與裸露在外的PDMS表面基團(tuán)相結(jié)合，從而改變PDMS的表面性能。Huang等在PDMS預(yù)聚物中加入非離子表面活性劑DDM，它的疏水基連接PDMS，親水基連接生物素分子如Bio—DOPE。在緩沖液中特定的生物素分子可以偶聯(lián)特定的蛋白質(zhì)，從而達(dá)到固定蛋白和消除PDMS表面非特異性吸附的目的。
4）共價(jià)偶聯(lián)
林秉承等。對氧等離子體改性方法進(jìn)行了改進(jìn)，將環(huán)氧修飾的親水性聚合物直接共價(jià)偶聯(lián)到芯片表面。具體步驟為：首先，用等離子體活化PDMS表面，產(chǎn)生大量的硅烴基；其次，將環(huán)氧修飾的親水性聚合物快速吸附在PDMS表面；最后，通過加熱使聚合物分子中的環(huán)氧基團(tuán)與PDMS表面羥基交聯(lián)，從而將親水性聚合物偶聯(lián)到芯片表面。共價(jià)偶聯(lián)改性過程可在30min內(nèi)完成，表面聚合物涂層可以完全抑制電滲流，減少蛋白質(zhì)樣品吸附。
5）聚合誘導(dǎo)接枝
用紫外光直接照射單體溶液，可以在PDMS表面接枝親水性的化合物，達(dá)到表面改性的目的。常用的接枝化合物有聚丙烯醇、聚乙二醇等，表面接枝反應(yīng)溶液的組成需要嚴(yán)格控制，同時(shí)必須添加一定量高碘酸鈉和苯甲醇，以提高單體向芯片表面擴(kuò)散的效率，抑制溶解氧對聚合反應(yīng)的淬滅作用。Hu等將此方法改進(jìn)，預(yù)先在PDMS表面吸附了二苯甲酮等引發(fā)劑，這樣就不必在單體溶液中再添加光敏劑，聚合的時(shí)間也縮短至幾分鐘。
6）吸附—交聯(lián)
將一些可用于動態(tài)吸附的物質(zhì)加以交聯(lián)，能夠增加它們與PDMS表面的附著力，提高表面改性質(zhì)量。林秉承等建立了多層聚乙烯醇表面改性方法。主要步驟為：在氧等離子體快速活化的PDMS芯片表面，多次循環(huán)吸附聚乙烯醇，加熱交聯(lián)多層聚乙烯醇涂層。結(jié)果表明：①未經(jīng)氧等離子體活化的PDMS芯片表面不能有效吸附聚乙烯醇；②而在氧等離子體活化的PDMS芯片表面，88％水解的聚乙烯醇涂層效果優(yōu)于100％水解的聚乙烯醇；③重復(fù)涂層三次為最佳。這種涂層表面能有效抑制電滲，可用于蛋白質(zhì)和核酸的分離檢測。
5.1.4DMS微納器件封合方法
PDMS器件的封合分為不可逆封合和可逆封合。
5.1.4.1不可逆封合
不可逆封合是指PDMS基片與蓋片之間實(shí)現(xiàn)了永久封合，不能再剝離開。最常用的不可逆封合方法是等離子體／紫外輔助封合。采用等離子體／紫外輔助封合PDMS不需要施加很高的溫度、電壓或壓力，操作簡單，成本低廉。通過等離子體轟擊或紫外光照射，PDMS表面的甲基轉(zhuǎn)變?yōu)楣柰榇蓟７夂线^程中，PDMS基片表面的硅烷基將與另一片上的其他基團(tuán)結(jié)合，形成共價(jià)鍵，從而實(shí)現(xiàn)永久封合，采用等離子輔助封合的PDMS—PDMS不可逆封合強(qiáng)度約為413kPa。
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