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全自动聚合物微流控芯片压印机的研究与设计

作　者: 张海峰
导　师: 陈子辰；傅建中
学　校: 浙江大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 微流控芯片压印 PLC 串口通信模糊算法
分类号: TN405
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

全自动聚合物微流控芯片压印机课题是国家863项目《面向微流控芯片的微模具制造装备研究》的重要组成部分(项目编号:2002AA42115)。该项目的主要目的是开发聚合物微流控芯片的自动化生产及封装系统。系统由如下几部分组成:加热/冷却装置,液压压力装置,真空装置,控制系统等。设计和集成以上几部分组成全自动压印机是本文研究内容。本文综述了聚合物微流控芯片的发展历程和加工技术,介绍了压印技术的国内外现状;分析了压印成形过程中聚合物的流动特性以及温度、压力、时间三个主要参数对微流道成形的影响。在此基础上,开展了如下几个方面研究: 1.提出了系统的总体方案。在研究了压印成形原理与数学模型后,根据压印的工艺要求提出了系统的总体方案;分别选定半导体热电致冷器为加热/冷却器件,液压传动为压力与传动装置,真空泵抽取真空。 2.完成了系统机械结构的设计。在压印机机械结构功能分析的基础上,进行了工程计算与结构设计。首先介绍了机械部分的总体结构,说明其运行原理;然后提出压印机各装置——温度、压力与真空装置的方案设计。 3.设计并研制了PLC控制系统。选取了PLC控制器,设计了PLC输入输出电路;然后分别设计了温度控制、压力控制与真空度控制的原理与电路,并设计了其控制算法。 4.编制了串口通信与控制软件。使用VC++编写了基于Windows操作系统的压印机操作软件,使用梯形图编程编写了PLC的控制软件;两者结合起来就构成了具有串口通信能力和图形人机界面的控制软件。 5.进行了系统性能与成品质量实验。通过性能实验测试了系统的升/降温速度、温度控制精度、压力控制精度和真空度控制精度等;通过成品质量实验观测了压力、保压时间对PMMA材料基片微流道成形的影响,确定了PMMA材料的最优压印参数。本系统已经用于实际的聚合物微流控芯片制作,使用效果表明,该系统运行可靠,满足聚合物微流道压印成形的工艺要求。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-6
目录  6-8
第一章绪论  8-16
  1．1 课题研究的背景和意义  8-10
    1．1．1 微流控芯片的发展  9
    1．1．2 微流控芯片的特点  9-10
  1．2 课题研究的现状与存在问题  10-14
    1．2．1 微流控芯片的加工技术  10-11
    1．2．2 微纳米压印技术的发展  11-13
    1．2．3 国内外相关系统的现状  13-14
  1．3 本论文的研究内容  14-16
第二章微压印的原理及总体方案  16-25
  2．1 微压印的原理  16-18
  2．2 压印机的总体方案  18-19
  2．3 加热与冷却器件的选取  19-22
    2．3．1 热电致冷器的原理  20-21
    2．3．2 半导体热电致冷堆相关公式  21-22
  2．4 加压器件的选取  22-23
  2．5 真空器件的选取  23
  2．6 本章小结  23-25
第三章压印机的机械结构设计  25-35
  3．1 总体结构  25-26
  3．2 加热板的设计  26-30
    3．2．1 加热板主要参数的计算  26-28
    3．2．2 加热板的结构设计  28-30
  3．3 液压装置的设计  30-33
    3．3．1 液压缸主要参数的确定  30-31
    3．3．2 液压回路的选择  31-32
    3．3．3 液压元件的选择  32-33
  3．4 真空装置的设计  33-34
  3．5 本章小结  34-35
第四章 PLC控制系统的设计  35-49
  4．1 控制系统概述  35-37
    4．1．1 PLC的基本结构及功能  35-36
    4．1．2 PLC的特点  36-37
  4．2 PLC控制器的设计  37-40
    4．2．1 PLC的选型  38
    4．2．2 PLC的I／O电路设计  38-40
  4．3 温控系统的控制  40-45
    4．3．1 温度传感器的选取  40-41
    4．3．2 温度控制回路的设计  41-42
    4．3．3 温度控制算法  42-45
  4．4 液压系统的控制  45-47
    4．4．1 液压控制回路设计  45-46
    4．4．2 压力A／D转换  46
    4．4．3 压力控制算法  46-47
  4．5 真空系统的控制  47-48
  4．6 本章小结  48-49
第五章串口通信及控制软件的实现  49-60
  5．1 上位机PC与PLC串口通信的实现  49-57
    5．1．1 通信方式的选择  49-50
    5．1．2 串口通信的流程  50
    5．1．3 通信协议的定义  50-53
    5．1．4 串口通信的程序实现  53-55
    5．1．5 PLC寄存器地址分配  55-57
  5．2 加工流程过程控制的实现  57-58
  5．3 人机界面的设计  58-59
  5．4 本章小结  59-60
第六章压印机的性能与成品质量实验  60-71
  6．1 压印机的性能实验  60-67
    6．1．1 升降温速度实验  60-62
    6．1．2 温度控制精度实验  62-64
    6．1．3 压力控制精度实验  64-66
    6．1．4 真空控制精度实验  66-67
  6．2 基片成品质量实验  67-70
    6．2．1 压力对基片成品质量的影响  67-68
    6．2．2 保压时间对基片成品质量的影响  68-70
  6．3 本章小结  70-71
第七章结论和展望  71-73
  7．1 结论  71-72
  7．2 展望  72-73
参考文献  73-76
作者读研期间发表的论文  76-77
致谢  77

全自动聚合物微流控芯片压印机的研究与设计

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