針對微流控芯片鍵合面的 清洗與貼合機(jī)構(gòu)研究

摘要V3.2盒體頂端噴頭設(shè)計微流控芯片是精度極高的現(xiàn)代化制品，其制備、清洗、鍵合、打孔等過程都需要在絕對潔凈的環(huán)境下進(jìn)行，隨著科技的發(fā)展將來可以期待能夠在真空環(huán)境下進(jìn)行。然而此機(jī)構(gòu)具有一定的局限性，無法完成絕對潔凈環(huán)境，但是可以在某種程度上清除盒體內(nèi)的灰塵，保證盒體內(nèi)的清潔，因此需要有設(shè)計一個能盡可能清洗到整個盒體內(nèi)部的清洗裝置來完成實(shí)驗(yàn)前期需要。2010年上海世博會，由于是在5月到10月向游客開放，當(dāng)時上海正值炎熱的季節(jié)，室外溫度能達(dá)到30℃。因此世博園準(zhǔn)備了許多的降溫措施，例如在入場排隊(duì)和每個場館的排隊(duì)處都安放了很多的噴霧裝置。噴霧裝置是靠噴霧降溫原理工作，噴霧降溫是向室外環(huán)境里通過噴射出微米級的水霧，水霧遇熱汽化，汽化吸收周圍環(huán)境中空氣的熱量，達(dá)到降低周圍環(huán)境溫度的目的。同時由于水霧是微米級的，即便噴在游客的身上臉上也不會弄濕衣物，更不會破壞女性同胞的妝容，而且由于室外環(huán)境絕對通透，也不會增加環(huán)境空氣中的濕度。所以盒體噴頭設(shè)計靈感來自于世博園的噴霧降溫裝置，但是二者之間的區(qū)別在于，噴霧裝置是通過噴出微米級的水霧來達(dá)到降溫的目的，水流量和速度極小。本盒體噴頭的目的不是降溫，而是清洗，采用的液體也是去離子水，因此水流量要比噴霧裝置大，而且水的流速也要比噴霧降溫裝置要快。由于盒體整個是高且從安裝完畢后盒體整個是處于密封的狀態(tài)，所以噴頭無需緊貼盒蓋，可以使用懸掛式的，最重要的是噴頭需要可以在空間一點(diǎn)內(nèi)隨意轉(zhuǎn)動，以保證能夠清洗到盒體內(nèi)全部可用容積。因此懸掛軸離盒體頂端設(shè)計有的距離，至少能夠?qū)崿F(xiàn)盒體內(nèi)所有裝置的清洗。圖3-4是盒體頂端噴頭的示意圖：圖3-4：盒體與頂端噴頭東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文微流控芯片的清洗需要的是一個潔凈的環(huán)境，在未來的技術(shù)發(fā)展過程中最完美的設(shè)想就是實(shí)現(xiàn)絕對真空環(huán)境。因此本機(jī)構(gòu)設(shè)計這樣一個清洗噴頭，意在對清洗機(jī)構(gòu)提高所在盒體的清潔度，同時清洗覆蓋面盡可能廣，整個環(huán)境便會更加清潔，也更有利于以后的芯片實(shí)驗(yàn)。由于噴頭設(shè)計的是懸掛在盒體頂端，所以上部分零件的第一個圓形孔是掛在盒體頂端設(shè)計的橫向固定軸上，以實(shí)現(xiàn)懸掛的目的，然后也可以讓噴頭在這根軸上做往復(fù)平動，使其能夠方便清洗到盒體各個區(qū)域。然后課題同時要求噴頭可以在空間內(nèi)做隨意轉(zhuǎn)動，因此做了一個相對較小的同樣的零件，掛在第一個零件的短軸上，底端和噴頭的固定圓柱軸相接，通過零件的滑動和轉(zhuǎn)動帶著噴頭滑動和轉(zhuǎn)動。然后零件與軸使用的都是45號鋼材料，強(qiáng)度比較高，且噴頭的材質(zhì)與日常淋浴噴頭一致，體積大約在，因此45號鋼懸掛軸完全能承受整個清洗噴頭的重量。圖3-5是噴頭的示意圖：圖3-5：清洗噴頭噴頭部分是取自日常的淋浴噴頭，比較常見，唯一不同的是噴頭的出水孔設(shè)計的很小且很多，這樣設(shè)計是利用水流量不變，出水面積變小從而水流速變快的原理，加快清洗效率3.3連接固定零件選用3.3.1螺紋連接方式選用常見的螺紋連接方式有螺釘連接，螺栓連接，緊定螺釘連接，雙頭螺柱連接等[14]。第3章機(jī)構(gòu)運(yùn)動裝置設(shè)計螺釘連接，是指直接將螺釘用工具旋轉(zhuǎn)進(jìn)入被連接件上開的螺紋孔中，原理類似于用錘子將釘子打入木板。螺釘連接常見的適用場合，一是被連接件的其中一個比較厚，另一個較薄；二是被連接件的其中之一無法安裝螺母，導(dǎo)致只能選擇螺釘連接的兩種場合。由于螺釘連接不需要用到螺母，所以從外觀上看起來結(jié)構(gòu)平整緊湊。但是螺紋連接，顧名思義需要有螺紋，而在被連接件上切螺紋會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時不能經(jīng)常拆裝，否則會加速失效。圖3-6是螺釘連接的示意圖：圖3-6螺釘連接雙頭螺柱連接，是將雙頭螺柱的一端旋進(jìn)其中一個被連接件，另一端旋入另一個被連接件的通孔上，旋上螺母[15]。雙頭螺柱連接一般用于兩個被連接件其中之一太厚不容易穿孔的場合，或者是經(jīng)常拆卸的場合，因而拆卸時只卸螺母不卸螺柱，防止拆卸過多導(dǎo)致被連接件損壞。圖3-7是雙頭螺柱連接的示意圖：圖3-7雙頭螺柱連接?xùn)|北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文緊定螺釘連接，是先將螺釘旋入被連接件之一的螺紋孔中，然后讓螺釘?shù)哪┒司o定在另一個被連接件的表面上或者凹坑中，從而確定這兩個被連接件的相對位置。緊定螺釘連接一般適用于不便外露螺釘?shù)膱龊希饕糜诠潭慵g的相對位置。圖3-8是緊定螺釘連接的示意圖：圖3-8緊定螺釘連接螺栓連接有兩種常見的分類，分別是鉸制孔螺栓連接還有普通螺栓連接。普通螺栓連接被連接件上開的是通孔，所以結(jié)構(gòu)沒有螺釘連接開螺紋那般復(fù)雜，并且被連接件通孔與螺栓中間會有縫隙，所以結(jié)構(gòu)簡單，適用于經(jīng)常拆卸的場合；鉸制孔螺栓連接沒有縫隙，能承受橫向載荷。普通螺栓連接是目前機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用最廣的螺紋連接方式。本機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相對比較簡單，而且需要能夠經(jīng)常拆卸，為了方便及節(jié)省成本所以選用的是M5螺栓連接。圖3-9是螺栓連接的示意圖：圖3-9螺栓連接第3章機(jī)構(gòu)運(yùn)動裝置設(shè)計3.3.2螺栓校核機(jī)構(gòu)在設(shè)計時，滑塊與支架，支架與夾具座之間的連接是螺栓連接，因此需要對選用的螺栓進(jìn)行必要的強(qiáng)度校核，以確定所選用的螺栓是否能夠符合機(jī)構(gòu)所需要的強(qiáng)度要求。由于選用的法蘭滑塊安裝孔的直徑是，因此我們選用M5的螺栓組來進(jìn)行螺栓連接。經(jīng)過查閱相關(guān)資料，3.6級M5螺栓的屈服極限，許用擠壓應(yīng)力，因此由公式可以求得，單個螺栓可以承受的工作載荷為： （4-1）式中—工作拉力，—螺栓危險截面的直徑，—螺栓的許用擠壓應(yīng)力，所以顯然，4個螺栓能夠承受的工作載荷為： （4-2）式中—螺栓所受總重力，—螺栓數(shù)目，個而個機(jī)構(gòu)的總重顯然不超過，顯然M5螺栓可以滿足要求。輔助支架與滑塊或者夾具座之間的連接承受的是橫向載荷，因此需要用相應(yīng)的公式進(jìn)行校核。經(jīng)查閱相關(guān)資料可知，3.6級M5螺栓的抗拉強(qiáng)度為300，抗剪強(qiáng)度為，代入公式可得 （4-3）綜上所述，選用3.6級M5螺栓符合各強(qiáng)度需求東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文第4章機(jī)構(gòu)清洗貼合裝置設(shè)計4.1清洗槽設(shè)計4.1.1清洗槽總體設(shè)計清洗槽，顧名思義就是用來容納清洗所需溶液的一個一個槽。由于微流控芯片清洗的特殊性，各清洗溶液之間容易產(chǎn)生未知的一些化學(xué)或者物理反應(yīng)，所以每種清洗溶液都必須有其獨(dú)自的清洗槽，因此清洗槽的總體設(shè)計會包含一共8個清洗小槽，分別供應(yīng)兩塊芯片的4個清洗步驟使用。而且，由于清洗需要，每次清洗步驟完了以后需要將芯片用去離子水沖洗一次，再接著下一步清洗步驟，所以在兩塊芯片清洗槽中間各設(shè)計了一個溝槽用于存放去離子水，這樣可以方便芯片夾具的移動，同時也能完成清洗需求。清洗槽的尺寸沒有固定要求。深度上要能放下清洗刷頭且至少留有芯片兩倍厚度的清洗液深。芯片厚度大致在左右，因此槽的深度基本滿足需求；長寬度上，只要能夠容納夾具和清洗刷就行，沒有特殊要求，但總體不能比盒體尺寸大即可。清洗槽三維示意圖如圖4-1所示：圖4-1清洗槽三維示意圖但是清洗刷需要動力才能旋轉(zhuǎn)，選用的蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)本身因?yàn)椴馁|(zhì)和潤滑油的關(guān)系，清洗槽的防泄漏工作必須受到重視，因此在每個清洗刷頭下緊貼了一個摩擦系數(shù)小的防滲漏膜，用以保護(hù)軸承和隔離液體，這是第一道防線。同時設(shè)計了一塊清洗槽隔板（綠色部分），大小與每個清洗小槽一致，中間開了一個直徑第4章機(jī)構(gòu)清洗貼合裝置設(shè)計的通孔，用于將清洗刷及其蝸輪蝸桿分開，并防止清洗液體流入動力裝置。區(qū)域?qū)е率ъ`，這是第二道防線。隔板和膜的材質(zhì)視情況而定，多數(shù)與清洗槽一致，個別特殊情況特殊考慮。4.1.2清洗槽材料選擇表3-1：各清洗槽、刷頭的溶液濃度選用刷頭位置溶液濃度（%）材料清洗刷1、51、5號槽丙酮85~95玻璃清洗刷2、62、6號槽無水乙醇95玻璃清洗刷3、73、7號槽去離子水—玻璃清洗刷4、84、8號槽濃硫酸雙氧水（3:1）—HDPE丙酮和無水乙醇可以讓清洗槽和清洗刷用比較常見的玻璃制品作為材料，但是濃硫酸和雙氧水的混合物由于其強(qiáng)腐蝕性和強(qiáng)氧化性，這里選擇高密度聚乙烯(HighDensityPolyethylene，簡稱為"HDPE")為材料制成的清洗槽和清洗刷。HDPE是一種熱塑性樹脂類化合物，它具有良好的耐熱性，熔點(diǎn)在142℃左右，在實(shí)驗(yàn)過程中不會出現(xiàn)融化現(xiàn)象；它不易與有機(jī)溶液互溶，因此用作混合物清洗槽不會被少許泄漏的乙醇丙酮溶液溶解；同時比較重要的是，它具有優(yōu)良的電絕緣性，可以保證經(jīng)過前面幾次清洗步驟之后，芯片表面攜帶的殘留的有機(jī)離子在最后一步清洗步驟中不會直接滲透到清洗的最后一步，去離子水的清洗之中。再有，HDPE是塑膠原料庫回收市場增長最快的一部分。這主要因?yàn)槠湟自偌庸?，有最小限度的降解特性和其在包裝用途的大量應(yīng)用。所以使用HDPE替代玻璃作為最后一個清洗槽、清洗刷的主要材料，在成本上不會有太大的變化，屬于必要的價值付出。4.2清洗刷設(shè)計4.2.1清洗方式選擇在設(shè)計制作過程中，通過查閱資料了解到，市面上有一家叫做含光微納的公司能夠訂做標(biāo)準(zhǔn)化微流控芯片，尺寸為。由于本課題使用的微流控芯片大致厚度在，因此我們暫定尺寸為的微流控芯片來參與清洗東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文本次課題使用的是玻璃基微流控芯片，因此我們需要對石英玻璃的性質(zhì)有所了解，避免選用清洗方法時由于選擇不恰當(dāng)導(dǎo)致芯片斷裂等問題的出現(xiàn)，減少芯片壽命從而增加成本。玻璃和石英有很好的電滲和光學(xué)性質(zhì),刻蝕加工技術(shù)和表面改性的化學(xué)方法均比較成熟[16]。雖然石英玻璃基微流控芯片相對來說擁有較高的加工成本,芯片基片制作時的封接難度也不小,而且刻蝕步驟時也不易刻蝕出寬深比大的微流道。但是因?yàn)槭⒉Ａ哂袃?yōu)異的電滲和光學(xué)性質(zhì),且在微流控芯片開發(fā)初期采用的傳統(tǒng)的毛細(xì)管電泳中各種分離方法和策略可以直接轉(zhuǎn)移到石英玻璃基微流控芯片中進(jìn)行,因此石英玻璃這種材料在微流控芯片的研發(fā)制備中具有舉足輕重的地位和選用優(yōu)先度,也是目前應(yīng)用最為廣泛的微流控芯片材料之一。考慮到芯片的材料和尺寸厚度，清洗方法選擇了將芯片鍵合面浸入清洗溶液中，然后用毛刷以一定速度勻速旋轉(zhuǎn)使得芯片鍵合面被無一遺漏地清洗到。毛刷比較柔軟，不會對芯片產(chǎn)生較大的壓力，芯片在清洗過程中就不易出現(xiàn)裂紋甚至斷裂的現(xiàn)象，且毛刷柔軟，旋轉(zhuǎn)速度不會過大，否則容易產(chǎn)生較大的切向力，給夾具造成較大受力甚至使芯片脫落。4.2.2清洗刷頭本課題對于清洗刷頭的尺寸沒有過多嚴(yán)格的要求，有兩個方面需要注意的，一是毛刷整體所占面積要比清洗的微流控芯片鍵合面面積大，但也不能過大。所以刷頭的所定尺寸為直徑高度的小圓柱，毛刷部分以尺寸為直徑，高度的小圓柱代替，覆蓋面積為左右，顯然清洗面積能夠覆蓋整個鍵合面的面積且面積盈余部分較少，能夠有效節(jié)省成本。二是毛刷的刷頭不宜過高，否則容易在清洗旋轉(zhuǎn)過程中發(fā)生更多液體的濺射，所以毛刷的高度定在左右較為合適。圖4-2是清洗刷頭的三維示意圖：圖4-2清洗刷頭示意第4章機(jī)構(gòu)清洗貼合裝置設(shè)計刷頭底部軸，軸長，軸徑，軸的作用的用來連接刷頭部分和蝸輪蝸桿并傳遞動力，使刷頭能夠以一定的速度旋轉(zhuǎn)。整個清洗刷頭是根據(jù)軸中間的軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，通過旋轉(zhuǎn)對稱動作來完成幾何直線動作。通過電機(jī)給予動力使軸以給定的速度旋轉(zhuǎn)起來，然后帶動刷頭旋轉(zhuǎn)，最后利用毛刷完成清洗，在整個流程中旋轉(zhuǎn)軸起到了很重要的作用。關(guān)于刷頭轉(zhuǎn)速的選定，由于芯片的大小大致是定在，整體尺寸比較小，毛刷尺寸稍大，因此毛刷的每一次旋轉(zhuǎn)都能保證清洗到芯片鍵和面的所有區(qū)域。最為關(guān)鍵的是，毛刷與玻璃微流控芯片的接觸面，是平齊于清洗液面的，清洗刷頭的轉(zhuǎn)速過慢，可能導(dǎo)致清洗力度不夠從而沒有將殘余溶液洗凈，進(jìn)而影響未來的實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)速過快，可能導(dǎo)致給予芯片的切向應(yīng)力過大使得芯片和夾具之間發(fā)生相對滑動，或者導(dǎo)致液體飛濺污染到其它槽內(nèi)的清洗溶液，降低清洗效率。綜上所述，選定的刷頭轉(zhuǎn)速為。4.2.3蝸輪蝸桿選用蝸桿傳動是在空間交錯的兩軸間傳遞運(yùn)動和動力的一種傳動機(jī)構(gòu)，兩軸線交錯的夾角可為任意值，常用的為90°[14]。蝸輪蝸桿傳動，與其它常見的齒輪傳動，比如帶傳動，齒輪傳動相比，會更適用于輸入轉(zhuǎn)速較小的情況，且蝸輪蝸桿傳動也比較平穩(wěn)。雖然蝸輪蝸桿摩擦損失和成本比較高，但是在此機(jī)構(gòu)整體尺寸較小的情況下，綜合比較蝸桿傳動優(yōu)勢還是比其它傳動大。此次課題設(shè)計實(shí)驗(yàn)過程屬于低速輕載狀況，需要一定的傳動效率，但是傳動速度較慢，所以自取蝸桿頭數(shù)為2，齒數(shù)35，模數(shù)m取標(biāo)準(zhǔn)值2，再根據(jù)清洗槽的寬度選取適當(dāng)?shù)闹行木?，其余尺寸自動生成?.2.4軸承選用在清洗過程中，清洗刷是需要繞中心軸線，以給定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，然后利用帶動毛刷轉(zhuǎn)動從而實(shí)現(xiàn)對芯片的清洗。轉(zhuǎn)動會帶來一定的摩擦，而隔水板（防水膜）若與毛刷基座部分直接接觸，那久而久之會產(chǎn)生比較大的摩擦力和摩擦熱，會影響清洗工作以及零件使用壽命，因此需要選用一個合適的軸承來降低它工作過程中的摩擦和保證其回轉(zhuǎn)精度?？紤]到清洗刷需要給定一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速大約在，而且只需要刷頭部分旋轉(zhuǎn)，因此選用推力球軸承來與旋轉(zhuǎn)軸配合使用。東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文由于尺寸限制，且軸幾乎不承受徑向載荷，軸向載荷也較小，因此選用型號為51204的推力球軸承，內(nèi)徑，外徑，厚度為。示意圖如下：圖4-3：軸承4.2.5材料選擇下表是常見的碳素結(jié)構(gòu)鋼的鋼號、成分、力學(xué)性能及用途：表3-2：優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的鋼號、成分、力學(xué)性能性質(zhì)鋼號C(%)Si(%)Mn(%)P(%)S(%)бb/MPaбb/MPaδξ(%)ψ(%)Λκ/J200.17~0.240.17~0.370.35~0.65≤0.035≤0.0354102452555—250.22~0.300.17~0.370.50~0.80≤0.035≤0.035450275235071300.27~0.350.17~0.370.50~0.80≤0.035≤0.035490295215063350.32~0.400.17~0.370.50~0.80≤0.035≤0.035530315204555400.37~0.450.17~0.370.50~0.80≤0.035≤0.035570335194547450.42~0.500.17~0.370.50~0.80≤0.035≤0.035600355164039500.47~0.550.17~0.370.50~0.80≤0.035≤0.03563037514403145號鋼，是國家標(biāo)準(zhǔn)中的叫法，主要元素還是鐵Fe，含碳C0.42~0.50%，硅Si0.17~0.37%，錳Mn0.50~0.80%，含磷P和硫S的量較少，一般不超過0.035%，第4章機(jī)構(gòu)清洗貼合裝置設(shè)計含鉻Cr、鎳Ni、銅Cu的占比不超過0.25%。且45號鋼其具有一定的強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度一般在左右，屈服強(qiáng)度一般在左右，強(qiáng)度較高，也具有良好的塑型和韌性，用于制作常見的機(jī)械相關(guān)零件，如曲軸、傳動軸、齒輪、蝸桿、鍵、銷等。蝸輪蝸桿的材料具有比較通用的需求性質(zhì)，即要有一定的符合具體要求的強(qiáng)度值，然后蝸輪蝸桿的傳動則需要一定的耐磨性和減摩性，同時也需要有良好的跑合性。此次設(shè)計屬于低速輕載，可以采用常見的45號鋼作為蝸桿的材料，硬度在左右即可，蝸輪采用HT150即可。軸類零件的材料，由于此機(jī)構(gòu)的精度要求較低，同蝸桿一樣采用45號鋼即可。清洗刷頭的材料選擇屬于特殊情況，因?yàn)槊總€清洗刷頭浸入的清洗溶液是不一樣的，所以為了材料成本考慮，每兩個清洗刷頭選用符合要求的，然后盡可能便宜的材料為最佳，這樣可以節(jié)省成本。清洗刷頭具體的材料選擇在表3-1中已經(jīng)有了說明，在此不再贅述。4.2.6蝸輪蝸桿電機(jī)選用步進(jìn)電動機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或直線位移的機(jī)電執(zhí)行元件。每輸入一個電子脈沖時，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一個固定的角度[17]。步進(jìn)電機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以通過脈沖數(shù)來準(zhǔn)確確定每一步的轉(zhuǎn)動角度量，定位精度近乎達(dá)到100%，在精密性儀器微流控芯片的清洗工作中這是極其重要的性能，否則因?yàn)槟巢角逑礇]有到位導(dǎo)致殘留，從而引起連鎖反應(yīng)導(dǎo)致后期的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差等等。且若其中一步出現(xiàn)誤差，也并不會將這一誤差延續(xù)到下一步，這也意味著芯片整體的清洗不會由于某一步的微小誤差而導(dǎo)致全盤皆輸。由于尺寸、所需轉(zhuǎn)速等因素，選用的是20系列步進(jìn)電機(jī)。4.3貼合機(jī)構(gòu)設(shè)計當(dāng)兩塊微流控芯片的鍵合面經(jīng)過丙酮、無水乙醇、去離子水、濃硫酸和雙氧水3:1混合物、去離子水等清洗步驟之后，就需要考慮將兩塊芯片的鍵合面進(jìn)行初步貼合的工作。貼合與鍵合不同，貼合只是鍵合最初的、最簡單的一步。鍵合是需要先選擇鍵合的方法，有低溫鍵合法，有高溫鍵合法，還有陽極鍵合法等等，鍵合需要將兩塊微流控芯片在顯微鏡下放置，對準(zhǔn)兩塊微流控芯片的微通道，之后再用機(jī)器抽去貼合縫隙中的空氣形成真空，這才實(shí)現(xiàn)鍵合工作。貼合只需將兩塊芯片的鍵合面按尺寸整齊地，在去離子水的環(huán)境下貼合在一起即可。東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，是常見四桿機(jī)構(gòu)的演化機(jī)構(gòu)之一，該機(jī)構(gòu)中滑塊一般與機(jī)架構(gòu)成移動副，連接曲柄和滑塊的構(gòu)件為連桿[18]，因此有時也被稱作曲柄連桿機(jī)構(gòu)。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)一般用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為往復(fù)直線運(yùn)動。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)應(yīng)用廣泛，如沖床壓縮機(jī)、往復(fù)活塞式發(fā)動機(jī)等，都是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的典型應(yīng)用[19]。貼合機(jī)構(gòu)，選用了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)傳遞動力，以滑塊為主動件，給滑塊一個推力帶動整個機(jī)構(gòu)給貼合板一個使其旋轉(zhuǎn)的推力，促使其實(shí)現(xiàn)90°的旋轉(zhuǎn)，最終兩塊水平貼合板垂直相合。下圖是貼合機(jī)構(gòu)簡要示意圖：圖4-4：貼合機(jī)構(gòu)第5章力學(xué)分析第5章力學(xué)分析5.1軟件介紹ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件[20]，它由美國ANSYS公司開發(fā)，是目前整個世界范圍內(nèi)，更新?lián)Q代優(yōu)化速度最快的軟件之一。ANSYS軟件屬于計算機(jī)輔助工程（CAE）軟件一類，能與機(jī)械領(lǐng)域許多的計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，例如有常見的CATIA，Solidworks，Pro/E，AutoCAD等等。由于ANSYS的分析能力之強(qiáng)為世界所公認(rèn)，因此該軟件被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域，小到普通的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，大到航空航天，都離不開它的幫助。使用ANSYS分析軟件，脫離了傳統(tǒng)的繪圖計算分析，大大加快了分析效率，節(jié)約了很多方面的成本，是眾多設(shè)計領(lǐng)域的必不可少的。ANSYS主要包括前處理模塊、分析計算模塊、后處理模塊3個部分[21]。前處理模塊主要是包含建模和網(wǎng)格劃分兩塊，首先將需要分析的實(shí)體導(dǎo)入進(jìn)ANSYS軟件中建模，經(jīng)過一系列處理后然后選擇網(wǎng)格類型及質(zhì)量等，最后進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到被分析面的一簇大大小小的網(wǎng)格。分析計算模塊主要是起一個模擬的作用，能夠?qū)η疤幚硭鶚?gòu)建的模型的結(jié)構(gòu)靜力，結(jié)構(gòu)動力，流體力學(xué)等等進(jìn)行有限元分析，可以模擬類似受力一樣的物質(zhì)之間的相互作用。后處理模塊主要是進(jìn)行收尾的工作，將前處理模塊和分析計算模塊所得到的結(jié)果用合適的表現(xiàn)方式顯示出來，常見的有等值線顯示和矢量顯示，更有比較傳統(tǒng)的圖表線條顯示。而在動力學(xué)分析模塊，Abaqus有限元分析軟件則具有更大的優(yōu)勢，它具有更豐富的單元庫和材料庫，最主要的是有更多的接觸類型。在本機(jī)構(gòu)設(shè)計中，玻璃芯片與毛刷的瞬態(tài)接觸動力便是如此。5.2有限元分析計算機(jī)輔助工程技術(shù)（CAE）隨著科技的高速發(fā)展，應(yīng)用的領(lǐng)域已經(jīng)越來越多，應(yīng)用范圍也越來越廣。計算機(jī)輔助工程技術(shù)的種類比較多，一般多有有限元法，邊界元法和有限差分法[22]。有限元分析方法，是利用了數(shù)學(xué)這門學(xué)科中，近似值的一種概念，對實(shí)際的物理幾何工況進(jìn)行模擬，借用一個一個小小的，互相關(guān)聯(lián)的單元，由有限量去逼近無限量的工程分析方法。有限元分析法的基本思路可以歸結(jié)為：將連續(xù)系統(tǒng)分東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文割成有限個分區(qū)或者單元，對每個單元提出一個近似解，再將所有單元按照標(biāo)準(zhǔn)方法加以組合，從而型號才能原有系統(tǒng)的一個數(shù)值近似系統(tǒng)，即形成相應(yīng)的數(shù)值模型[23]。5.3靜力學(xué)分析結(jié)果整個機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，總結(jié)一下就是由滑塊帶著整個清洗機(jī)構(gòu)在滑軌上做往復(fù)運(yùn)動，且清洗工作的大部分時間滑塊和機(jī)構(gòu)是處于靜止?fàn)顟B(tài)，所以有必要對滑軌做靜力學(xué)分析，以保證滑軌的強(qiáng)度滿足要求以及形變量在一個可以忽略不計的范圍之內(nèi)，不會影響機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)。因?yàn)闄C(jī)構(gòu)的體積和使用材料原因，給滑軌造成的表面壓應(yīng)力較小，粗算下在100N以內(nèi)，下圖是給滑軌表面加100N垂直方向壓力時的滑軌形變量：圖5-1：形變量分布云圖在做分析過程的時候，設(shè)計了一小塊凸臺，來代替附屬在上面的機(jī)構(gòu)給導(dǎo)軌施加壓力的受力面，因此在應(yīng)力云圖上只有右邊末端小塊區(qū)域出現(xiàn)了不同顏色的應(yīng)力表示，而導(dǎo)軌的其它部分顯示受到的應(yīng)力為0。然而在一個完整的清洗過程中，兩滑塊由導(dǎo)軌的末端相向移動一定的距離以后停止在原地，等待夾具帶著芯片完成所有的清洗步驟以后再返回出發(fā)點(diǎn)。由于在整體機(jī)構(gòu)運(yùn)作時，換、取芯片還有等待的時間相對較多，所以大部分時間滑塊仍處于導(dǎo)軌末端，因此導(dǎo)軌末端會長時間受到壓力，所以靜力學(xué)分析點(diǎn)取在導(dǎo)軌末端。由圖可知，滑軌上應(yīng)力最大點(diǎn)的形變量在左右，而滑軌的長度在左右，寬度，高度，因此的形變量極少，可以忽略不計。第5章力學(xué)分析下圖是給滑軌表面加垂直方向壓力時的應(yīng)力分布云圖：圖5-2：靜力分析應(yīng)力云圖由圖可知，滑軌上最大應(yīng)力點(diǎn)的壓強(qiáng)大約是，而滑軌選用的是304不銹鋼，304不銹鋼的屈服強(qiáng)度大概在左右，顯然。綜上所述，滑軌的強(qiáng)度要求滿足機(jī)構(gòu)所需，即整個機(jī)構(gòu)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，且具有一定的壽命。5.4動力學(xué)分析結(jié)果當(dāng)清洗過程進(jìn)行時，毛刷與玻璃微流控芯片鍵合面會一直處于接觸狀態(tài)。清洗時的狀態(tài)為，玻璃芯片不作絕對運(yùn)動，毛刷相對芯片繞中心軸作轉(zhuǎn)速為的勻速轉(zhuǎn)動，這就導(dǎo)致芯片鍵合面與毛刷之間產(chǎn)生接觸，接觸產(chǎn)生一定的切向力。動力分析即分析在毛刷以定速轉(zhuǎn)動，芯片鍵合面接觸毛刷時，瞬時產(chǎn)生的切向應(yīng)力大小，判斷是否會將芯片從夾具中“刷落”，并由此數(shù)據(jù)來優(yōu)化同組夾具設(shè)計。由于清洗工作進(jìn)行的時候，毛刷是和芯片的鍵合面進(jìn)行表面接觸，接觸面相對其它面來說需求精度會高，因此接觸面使用的是六面體網(wǎng)格，其余部分使用四面體或者三角形網(wǎng)格即可。在進(jìn)行分析的時候，分析節(jié)點(diǎn)選擇的是當(dāng)毛刷以一定速度旋轉(zhuǎn)時，玻璃芯片鍵合面剛剛接觸到毛刷的瞬間所受的切向力，即瞬態(tài)動力分析。由于毛刷的運(yùn)動角速度不大，因此分析時，時間分析步的可以適當(dāng)調(diào)大一點(diǎn)，例如0.01或者0.001，運(yùn)動精度也是合適的，反應(yīng)出來的應(yīng)力誤差也不會大。東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文在模擬仿真運(yùn)動之前需要確立約束，令刷頭的底端軸繞著毛刷中心作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并設(shè)立板的4個邊界截面不作空間移動，這樣便模擬了芯片在夾具固定的條件下與正在旋轉(zhuǎn)的清洗刷頭進(jìn)行初步接觸的情況，在邊界條件與約束正確并完全確立的前提之下，計算機(jī)計算出的應(yīng)力分布才是準(zhǔn)確可靠的。圖5-3是瞬時動力分析應(yīng)力云圖：圖5-3：動力分析應(yīng)力云圖由應(yīng)力云圖可知，芯片邊緣受力最大，數(shù)值大約是在33MPa，這是由于當(dāng)芯片整體角速度處于一個固定值時，依照公式可知，旋轉(zhuǎn)點(diǎn)離旋轉(zhuǎn)中心越遠(yuǎn)，受離心力便會越大，在芯片接觸面所有點(diǎn)都與毛刷接觸的前提下，離旋轉(zhuǎn)中心越遠(yuǎn)，所受合力便會最大。而最大應(yīng)力在33MPa上下，顯然符合芯片內(nèi)部應(yīng)力的承受能力，因此此數(shù)據(jù)可用作夾具部分設(shè)計的力學(xué)分析初始力。5.5經(jīng)濟(jì)性分析隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，未來一定會有越來越多的資本投入科研當(dāng)中去，因此在未來必然能夠開發(fā)出具有更多類型的不同成分的金屬復(fù)合材料，用來達(dá)到滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求和缺口[24]。目前，金屬材料的使用率極高，金屬材料的使用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大眾化，集中化，但是一些高端的金屬復(fù)合材料由于其成本問題，大多都用在高端領(lǐng)域。相信在未來，材料的制備成本會降低，利用率也會大大提高。此次設(shè)計機(jī)構(gòu)的選材，主要材料有三種，分別是304不銹鋼，45號鋼以及普通玻璃。304不銹鋼是不銹鋼材料中比較常見的一種，性能較好價格也便宜，目前每公斤大約在15元左右；45號鋼則是極其常見的碳素結(jié)構(gòu)鋼的一種，大量第5章力學(xué)分析用于機(jī)械設(shè)計制造領(lǐng)域，性價比也很高；普通玻璃不作過多介紹，來源廣價格便宜。綜上，本設(shè)計機(jī)構(gòu)成本較低，性價比合適，在實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上對成本有比較合理的把控，材料利用率也很高。東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文結(jié)論本文設(shè)計了一個逐步的，針對微流控芯片單面的清洗與簡易貼合機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)分三個部分：第一部分是整個盒體及清潔噴頭，通過噴頭的旋轉(zhuǎn)自由度實(shí)現(xiàn)對整個密封盒體的環(huán)境清洗，保證芯片的清洗貼合過程不會存在不必要的雜質(zhì)；第二部分是動力運(yùn)動部分，通過安裝在軌道座上的滑塊導(dǎo)軌，帶動著芯片夾具完成對清洗槽的對準(zhǔn)工作，再配合同組同學(xué)的夾具實(shí)現(xiàn)微流控芯片各步驟的清洗與最后貼合；第三部分是清洗與貼合部分，清洗部分設(shè)計了一個使用蝸輪蝸桿帶動旋轉(zhuǎn)的清洗刷，毛刷覆蓋面略大于芯片尺寸保證清洗完全，貼合部分設(shè)計了一個利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)貼合的貼合板。通過本設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)一個簡易的微流控芯片清洗與貼合的環(huán)境，然后將制備完成的微流控芯片進(jìn)行必要步驟的清洗，然后再將芯片鍵合面簡單貼合再一起，以保證同組后續(xù)工作的順利進(jìn)行。最后，利用CATIA畫出簡易的三維圖，再利用ANSYS對機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，保證芯片在清洗過程中受到合適的切向應(yīng)力。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)[1]王倩,董曉靜.微流控芯片技術(shù)的發(fā)展史及其應(yīng)用的研究進(jìn)展[J].天津科技,2013（12）[2]WallenborgSR，LurieIS，ArnoldDW，BaileyCG.Electrophoresis,2000,21（15）：3257－3263[3]孫敬敬,宋祺,牟穎.基于時間分辨免疫分析的冰毒檢測微流控芯片[J].分析化學(xué),2018（07）[4]ZIEQLERJ,ZIMMERMANNM,HUNZIKERP,etal.High-performanceimmunoassaysbasedonthrough-stencilpatternedantibodiesandcapillarysystems[J].AnalyticalChemistry,2008,80（5）：1763-1769.[5]SATOK,TACHIHARAA,RENBERNB,etal.Microbead-basedrollingcircleamplificationinamicrochipforsensitiveDNAdetection[J].LabOnaChip,2010,10（8）：1262-1266.[6]SHIMJU,CRISTOBALG,LINKDR,etal.Usingmicrofluidicstodecouplenucleationandgrowthofproteincrystals[J].CrystalGrowthDesign,2007,7（11）：2192-2194.[7]KSHITIZKDH,BEEDJ,LEVCHENKOA,etal.Latestdevelopmentsinmicrofluidiccellbiologyandanalysissystems[J].AnalysisChemistry,2010,82（12）：4848-4864.[8]CURTISTM,WIDERMW,BRENNANLM,etal.Aportablecell-basedimpedancesensorfortoxicitytestingofdrinkingwater[J].LabOnaChip,2009,9（15）：2176-2183.[9]MCU.微流控芯片的發(fā)展趨勢及前景分析[J].電子發(fā)燒友網(wǎng),2018（05）[10]胡亞峰.微細(xì)流路溝槽的激光銑削試驗(yàn)研究[J].大連理工大學(xué),2008（12）[11]趙晨羽,陳峰.微流控芯片在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的應(yīng)用與展望[J].2019（03）[12]袁哲,李宗安,唐文來,等.PDMS微流控芯片中的微通道加工技術(shù)[J].微納電子技術(shù),2019（03） 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