三入口单级分形微流控浓度梯度芯片的设计与性能分析

 传统浓度梯度生成方法具有效率低、梯度不够精确、稳定性差等不足，微流控芯片因其特征尺寸小、反应快、精度高和易操控等优点，被广泛用于微流体浓度梯度生成。微流控芯片的通道结构与进样条件对浓度梯度的生成具有重要影响。基于自相似分形理论，开发了三入口单级分形微流控浓度梯度芯片。建立基于有限元的多物理场耦合模型，通过归一化流量矩阵与浓度矩阵的耦合设置，得到呈偏态分布与正态分布的浓度梯度分布规律。以红色染料与去离子水为样本进行实验，结果与数值模拟吻合较好，验证了芯片设计的科学性与有效性。     

声操控型微流控芯片的加工与测试技术

介绍了一种声操控型微流控芯片的加工方法与测试技术。首先,基于声操控型微流控芯片的工作原理和功能需求设计了硬质微流控芯片的基本结构,采用激光切割方法实现了聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate,简称PMMA）材质开放边界微流道的加工,采用数控加工（computerized numerical control,简称CNC）精雕方法实现了封闭边界微流道的加工,通过光固化型（ultra violet,简称UV）胶实现了硬质微流道与基板的室温封接,利用表面改性技术与毛细作用实现了芯片的无泵进样;其次,研究了不同加工工艺、工艺参数对微流道形貌的影响;最后,依据声操控微颗粒需求,综合仿真分析、阻抗测试及多普勒激光测振,选定了声操控型微流控芯片的工作频率,实现了微纳物体运动控制。该微流控芯片具有成本低、加工效率高及易于调整微流道结构的优点,在微纳操控、微纳制造和生化检测方面拥有广阔的应用前景。     

聚合物微流控芯片激光加工及建模研究

在CO2激光直写聚合物PMMA微流控芯片加工原理基础上，对建立激光直写PMMA微流道的数学模型进行了研究。采用能量守恒原理对激光直写PMMA微流道成形进行分析，结果表明其微流道的形状呈高斯函数型分布，并获得了微流道深度与激光功率、加工速度及加工次数的函数关系模型。实验数据较好地验证了所建模型的正确性，该模型对CO2激光直写聚合物微流控芯片的加工参数选择具有较好的指导作用。     

内置周期挡板的T-型微混合器

设计了一种流道内布置周期挡板结构的高效T-型微混合器来提高微流控系统的混合效率。该微混合器结构简单,周期布置的挡板可以有效地缩短流体混合所需的流道长度和时间,混合效率高。安排了正交实验组,利用计算流体力学软件ANSYS CFX研究了流道结构参数对混合效果的影响。采用静态田口分析法对数值模拟结果进行分析。结果表明:流道结构参数对混合效果的相对影响程度排列如下:挡板攻角(θ)流道高度(H)挡板宽度(L)相邻混合单元之间距离(D)。根据结构参数对混合效果的影响程度,得出研究参数范围内的最优组合为:θ=75°,H=0.4 Wm,L=0.7 Wm,D=0.6 Wm(这里Wm为流道宽度,等于200μm)。实验显示,结构参数符合最优参数组合的微混合器的混合效果提升显著,雷诺数Re=54时即可实现完全混合(混合指标M95%)。文中研究了流道结构对进出口压降的影响,结果显示,攻角θ对进出口压降的影响趋势在不同雷诺数下相同,参数H,D亦如此。     

基于正交设计的LTCC基板微流道散热性能研究

建立了微流道低温共烧陶瓷(Low-temperature cofired ceramics,LTCC)基板多芯片组件有限元分析模型并对其进行了热仿真分析。分析了不同微流道结构、微流道直径和流体流速对其散热性能的影响;采用正交设表设计了9种不同结构参数水平组合的多芯片组件模型,获取了9组温度数据并进行了极差分析和方差分析,结果表明:各因素对散热性能影响由大到小的排序依次为:微流道结构、微流道直径和流体流速;在置信度为90%的情况下,微流道结构和微流道直径对微流道散热性具有显著性影响,流体流速对微流道散热性影响不显著。     

非对称截面螺旋流道中微粒的惯性聚焦效应

为实现生物微粒/细胞的精确操控,提出了一种非对称截面螺旋流道结构的惯性微流控芯片.基于仿真和实验的方法,对不同尺寸微粒在微流道中的惯性聚焦行为进行了研究.设计了一种"L"形截面的螺旋流道,采用仿真软件COMSOL研究微流道中的二次流场及微粒的运动轨迹.使用UV激光切割与等离子清洗键合的工艺制作芯片样件,采用高速摄像机和...     

基于玻璃基材的微流控芯片制造工艺

微流控芯片是一种由微通道形成的网络,集成了生物检测和化学分析领域中各种基本操作单元的微型实验室分析平台,可代替常规生物化学实验室,实现采样、分离、反应、检测、筛选、细胞培养等功能,结合一定的外部设备快速自动完成化学分析或生化分析全过程,具有集约化、微型化、自动化、高通量和速度快的特点。玻璃作为微流控芯片的重要基材,具有不与其他物质发生化学反应、电绝缘性和散热性良好、光学性能优良、具有较好的可修饰性的表面。通过对比,介绍了玻璃芯片的流道制作工艺,以及几种不同的键合方法原理及特点。     

微流道精密磨削技术及自驱动检测芯片实验研究

针对病原体检测用芯片需要蠕动泵和离心机外加驱动的问题,设计微V槽流道的自驱动芯片,研究微液体流动的微流道拓扑结构及其精密磨削技术。因为激光等物理加工难以保证微拓扑结构精度,所以采用金刚石磨削技术实现石英玻璃表面的微V槽流道精密加工。基于多轴联动技术和机械物理去除原理开发了砂轮微尖端的高效精密在位修整工艺,可将磨粒精密修尖至同一角度,进行机械精密复制的塑性域微磨削。然后,实验分析微V槽流道的尖角、表面粗糙度、梯度等对微液体流速的影响。最后,制造出病原体检测的微流控芯片。研究结果显示,更大梯度、更小尖角和更小粗糙度以及尖角端分布的纳米流道可以大幅提高微液体流速。而且,微流道的V槽尖端半径为15μm,表面粗糙度为30 nm,可诱导微液体运动。在此基础上,研发的自驱动微流控芯片不需离心机就能够检测出布鲁氏菌的病原体核酸,检测灵敏度可以小于100 ag/μL。     

低雷诺数高效类魔方结构微混合器

为了在雷诺数条件不定的小尺寸的芯片内部集成高效的混合功能,根据菲克定律和布朗运动的爱因斯坦关系式提出了一种通过匹配接触面提高浓度差的策略来设计微混合器,对科恩达效应进行了扩展,分析了流体在通道表面的流动方向,从特定微通道模块中抽象出4种具体功能。通过模块的功能来预测和调控浓度梯度并构建微混合器。使用4种功能模块来旋转并匹配流体界面,设计了两种三维结构的被动式微混合器。采用三维Navier-Stokes方程组进行了数值分析,并通过软光刻工艺制作微混合器进行了实验验证。实验和仿真结果表明,在雷诺数为0.1～100内,设计的微混合器在3.3 mm,即22倍水力直径长度处能稳定提供94%～99%的混合效率,在等水力直径条件下具有明显的优势,而且结构易于在芯片上集成,证明了模块化设计的优越性。     

基于AMESim的新型PDMS微阀动态特性仿真研究

针对一种新型的可用于气动微流控芯片气压控制的电磁致动微阀的进一步研究和应用问题,在阐述了其结构和工作原理的基础上,利用AMESim软件建立了相应的动态仿真模型,对其流量、压力动态特性进行了分析,并且给出了该种微阀和传统气动电磁阀的流量、压力动态特性的对比分析结果.该种新型的电磁致动微阀由微流控芯片的上层PDMS平膜、具有微流道的下层PDMS厚膜和电磁致动器构成,电磁致动器通过安装在阀座上的玻璃片与PDMS微流控芯片实现了集成.而且,采用这种集成化的新型微阀的控制方式相较于传统采用气动电磁阀的控制方式,具有成本低、体积小、易于与微流控芯片集成等优点.研究结果表明,采用这种新型PDMS微阀对微流控芯片进行驱动和控制可以获得较好的动态特性,并且该研究对电磁致动微阀的进一步研究和应用提供了一定的理论指导.