塑料电泳芯片热键合的试验研究

塑料电泳芯片具有绝缘性、透光性好、价格便宜、成型容易和批量生产成本低等优点,是一种新型微型分析装置。研究塑料电泳芯片热键合工艺过程和工艺参数,通过试验建立微通道变形与热键合温度、压力、时间和模压工艺参数的关系,由此提出减小微通道变形的方法,对于完善塑料电泳芯片结构设计和制作的基本理论和基本技术具有积极意义。     

塑料微流控芯片微通道热压成形机的研制

微通道热压成形机是大连理工大学微系统研究中心研制的塑料微流控芯片自动制造系统中的重要组成设备.文章介绍了塑料微流控芯片微通道热压成形制作工艺,对所研制的微通道热压成形机的机械结构、温度控制、压力和位移控制以及系统软件的设计特点进行了说明,给出了主要性能指标.微通道热压成形机既可以作为单独的设备使用,也可以与其他设备联成系统.     

多级低压电渗流微泵的设计、加工及测试

设计了一种多级低压电渗流微泵。该微泵系统主要由直流电源和蚀刻微通道的芯片等部分组成。芯片是在一块硅基片上蚀刻6组尺寸不同的微通道,从而达到提供不同大小的流量和承受不同背压的目的。对芯片的加工工艺流程进行了说明,同时对微泵进行了试验研究。实验结果表明：在低压下,该泵能够驱动通道中的液体。     

塑料(PMMA)微流控芯片微通道热压成形工艺参数的确定

采用热压成形的方法制作塑料(PMMA)微流控芯片的微通道,其温度、压力和时间等工艺参数直接影响制作质量,而最佳的工艺参数取决于聚合物材料的流变特性。自行研制了用于塑料微流控芯片制作的热压成形机,能够对热压成形过程中的温度、压力进行精确的控制,利用该设备研究了PMMA在热压成形过程中的流变性能,通过获得的温度压力实验曲线,确定热压成形的温度,并研究了在该温度下压力对变形速率和复制精度的影响,从而确定热压工艺过程中的温度、压力和时间3个工艺参数。     

多级低压电渗流微泵的设计、加工及测试

设计了一种多级低压电渗流微泵.该微泵系统主要由直流电源和蚀刻微通道的芯片等部分组成.芯片是在一块硅基片上蚀刻6组尺寸不同的微通道,从而达到提供不同大小的流量和承受不同背压的目的.对芯片的加工工艺流程进行了说明,同时对微泵进行了试验研究.实验结果表明:在低压下,该泵能够驱动通道中的液体.     

基于BioMEMS技术的DNA芯片研究

近年来基于微电子机械系统 (MEMS)技术研究和开发的一个新领域就是BioMEMS ,特别是对生物芯片和生物化学微分析系统的研究。文中叙述了基于BioMEMS技术的DNA芯片研究 ,介绍了几种不同结构的DNA芯片 ,以及DNA PCR扩增器芯片、DNA CE毛细管电泳芯片、微流动控制器件和实验室芯片 (LabonaChip)等。还报告了作者们成功采用MEMS技术 ,研制成集成化微结构型PCR DNA扩增芯片 ,芯片上包括有加热器、温度传感器、2 μL容积的反应池以及输入输出通道 ;能实现快速扩增 ,最快加热速度为 15℃ s ,降温速度为 10℃ s。研制成Si—玻璃 ,玻璃—玻璃和玻璃—PDMS三种结构的毛细管电泳芯片 ,沟道宽 2 0 0 μm ,深 2 0 0 μm。研制成一种表面等离子体谐振 (SPR)生化分析系统 ,其入射光扫描角范围从 40°到 70° ,分辨率 0 .1%度 ,可测折射率范围 1.0 4～ 1.47。     

微流控芯片注塑成型缺陷的成因与对策

微流控芯片是应用于生物、化学和生物医学等领域的芯片型微全分析系统,是一种表面具有微通道的薄壁塑件,微通道主要用于样本的分离.与热压成型相比,微流控芯片注塑成型效率更高,更适合大批量生产,但其成型质量控制更为复杂.试验发现,微通道复制不完全和表面缩痕是其主要成型缺陷,其对后续的芯片键合以及取样液体的电泳分离都会造成不利的影响.模拟与理论分析以及可视化试验表明,熔体在微通道处出现滞流现象和芯片各部分收缩方向不一致是上述缺陷产生的主要原因.利用正交试验方法进行充模试验,研究各工艺参数(模具温度、注射速度、注射压力和熔体温度等)对微通道复制度的影响.研究结果表明模具温度对提高微通道复制度起决定性作用;注射速度和熔体温度是次要因素,而注射压力相对其他因素影响力较差,但必须保持在一个较高的水平.     

低电压集成电泳芯片的研制

电泳芯片是一种重要的微型分析仪器。针对目前电泳芯片分离电压高、难以实现真正的一体化集成等问题,利用在分离通道上分段、交替、循环施加电压的方法提出了电泳芯片低电压分离的模型。依据该模型对这种低电压集成电泳芯片的研制工艺和控制系统进行了研究,研制出了相应的样品。初步实验表明,该电泳芯片的低电压分离的思想可为分析仪器的集成化、便携式设计提供一定的方法。     

芯片冷却用微通道散热结构热流耦合场数值研究

对4种微通道散热结构(平行结构、网格结构、螺旋结构和树型结构)在相等传热面积、相同边界条件下的流场与温度场进行数值研究。通过热流耦合场数值分析,得出了不同微通道散热结构的电子芯片温度分布和微通道内的速度场,分析了微通道拓扑结构对电子芯片散热效果的影响。使用平行微通道散热的芯片温度均低于80℃,其中有81%的面积在60℃以下;使用网格和螺旋散热结构的芯片最高温度均在90℃以上,其中温度在20～60℃之间所占比例分别约为62%和61%;使用树型微通道散热的电子芯片温度均低于70℃,其中有94%的面积在60℃以下,且温度分布最均匀。此外,芯片微通道内的流体平均流速大的微通道系统能带走更多的热量。     

一种聚合物平板微器件的制造方法

以一种平板微器件-微流控芯片制造为研究对象,针对单一的注塑成型工艺难以保证器件的宏微形位误差的难题,提出了一种新颖的聚合物平板微器件集成制造方法。首先,设计并制造了一套注塑模具,其中采用双螺纹结构将微镶件和定模架相连,对注塑工艺参数进行优化,制得填充率接近1的平板微制件。然后,对平板微制件进行了基于视觉对准的铣削整形和热压整平,有效改善了制件的宏微形位误差和平面度误差。最后,利用加工的器件进行装配,形成微流控芯片,并对芯片进行了流量测试和疲劳测试。实验结果表明:采用提出方法制造的微流控芯片,各项精度指标和性能可以满足实际使用要求,工艺成果对同类器件的研发和生产提供了借鉴和指导。     

变温蠕变实验的COP微流控芯片热压制备

采用热压方法制备了COP微流控芯片。由于温度对微结构热压成形的质量影响最大,基于材料的粘弹性特性,通过变温准蠕变实验获得热压参考温度T_r,即从材料玻璃点温度以下开始,以1.5 ℃/min的温升速率,在热压工作压力下热压聚合物基片,通过温度-位移实时采集系统获得材料的温度-形变曲线,曲线的拐点对应的温度即是热压参考温度。实验证明了在该温度下热压成形具有高复制精度和低整体变形,微结构宽度和深度方向的复制精度分别达到97.6%和94.3%。电泳实验和DNA分析实验得出COP芯片具有良好的生物兼容性,适用于生化分析。     

PC微流控芯片黏接筋与溶剂的协同辅助键合

为了在微流控芯片上形成封闭的微通道等功能单元,克服热压键合中微流控结构的塌陷和热压所致芯片微翘曲对后续键合的影响,提出了一种适用于硬质聚合物微流控芯片的黏接筋与溶剂协同辅助的键合方法。以聚碳酸酯(PC)微流控芯片为研究对象,通过热压法在PC微流控芯片上的微通道两侧制作凸起的黏接筋,通过化学溶剂丙酮微溶PC圆片的表面,然后将PC圆片与带有黏接筋的PC微流控芯片贴合、加压、加热,从而实现微流控芯片的键合。分析了键合机理,并对键合工艺参数进行了优化。实验结果表明:键合质量受丙酮溶剂溶解PC圆片的时间和键合温度的影响,能够保证键合质量的最佳键合温度为80~90°,溶解时间为35~45s,芯片的键合总耗时为3min。与已有键合工艺相比,所提出的黏接筋与溶剂辅助键合工艺有效提高了键合效率。该键合方法不仅适用于具有不同宽度尺寸微通道的微流控芯片,还可扩展用于不同材料的硬质聚合物微流控芯片。     

PET-laminated thin-film capillary electrophoresis chips by sandwiching method

In this article, the sandwiching method, a novel, simple, and cost-effective capillary electrophoresis (CE) chip fabrication approach, is proposed. In this new approach, polymer PET-laminated film rather than the commonly used silicon wafer is chosen to be the material of the chip; a micro CNC machining center is adopted to cut the microchannels; and a temperature-controlled roll laminator is used to bond the microchannels in between two sealing PET films. Separation experiments using red Rhodamine B and blue Xylene Cyanole illustrate that the separation efficiency of the sandwiching CE chip is comparable to the semiconductor-based chip and the conventional capillary. However, the sandwiching method requires much less complicated fabrication processes and is more cost-effective.     

HOT EMBOSSING METHODS FOR PLASTIC MICROCHANNEL FABRICATION

Fabrication of microchannels on polymethylmethacrylate (PMMA) substrates using novel microfabrication methods is demonstrated. The image of microchannels is transferred from a silicon master possessing the inverse image of the microchannel to a PMMA plate by using hot embossing methods. The silicon master is electrostatically bonded to a Pyrex 7740 glass wafer, which improves the device yield from about 20 devices to hundreds of devices per master. Effects of embossing temperature, pressure and time on the accuracy of replication are systematically studied using the orthogonal factorial design. According to the suggested experimental model, the time for the whole embossing procedure is shorten from about 20 min to 6 min, and the accuracy of replication is 99.3%. The reproducibility of the hot embossing method is evaluated using 10 channels on different microfluidic devices, with variations of 1.4 % in depth and 1.8% in width.     

EXPERIMENTAL STUDY ON THE HOT EMBOSSING POLYMER MICROFLUIDIC CHIP

Experiments are used to study the fabrication of polymer microfluidic chip with hot embossing method. The pattern fidelity with respect to the process parameters is analyzed. Experiment results show that the relationship between the imprint temperature and the microchannel width is approximately exponential. However, the depth of micro channel isn＇t sensitive to the imprint temperature. When the imprint pressure is larger than 1 MPa and the imprint time is longer than 2 min, the increasing of imprint pressure and holding time has little impact on the microchannel width. So over long holding time is not needed in hot embossing. Based on the experiment analysis, a series of optimization process parameters is obtained and a fine microfluidic chip is fabricated. The electrophoresis separation experiment are used to verify the microfluidic chip performance after bonding. The results show that 100bp-ladder DNA sample can be separated in less than 5 min successfully.     

塑料微流控芯片热压成形温度控制装置

采用聚合物如塑料等制作微流控芯片是拓展芯片应用,实现芯片产业化的关键。温度是塑料微流控芯片热压成形过程中的重要工艺参数。本文采用半导体热电致冷堆,设计了适合塑料芯片制作的温度控制装置;分析了升降温过程中所需的加热／制冷功率,并对升降温特性进行了研究;设计了半导体热电致冷堆供电电源装置。对温度控制装置的升／降温及温度控制精度进行了实验,并给出了实验结果。     

集成毛细管电泳芯片的结构及其制作技术研究进展

集成毛细管电泳芯片具有体积小，成本低，便于携带，分析速度快，所需样品和试制少等优点，是一种新型的微型分析实验装置，介绍了该芯片的产生和发展过程，综述了有关该芯片的结构，材料选取，制作工艺，健合方法等方面的进展和存在的问题，并展望了其应用前景。     

Ultrasonic vibration-assisted optical glass hot embossing process

A homemade apparatus was used to apply ultrasonic-vibration to assist the glass hot embossing processes. To operate at high temperatures for glass hot embossing, the ultrasonic vibration system was appropriately designed with an embedded cooling system, and an ultrasonic horn was specifically modified for high-temperature use. Molds with both V-groove and Fresnel structures were manufactured for hot embossing experiments on PSK-100 glass. The heights of the molded structures were increased significantly with the assistance of ultrasonic vibration. This technology demonstrates the capability to upgrade the performance of the glass hot embossing process.     

面向片上电泳分离的电动流体数值计算研究

针对片上电泳分离的特点和需求,分析了片上电泳分离的机理,编制了电泳分离过程的数值计算程序,建立了面向片上电泳分离的电动流体计算平台。在不规则微通道内生成贴体同位网格,并用链导法对控制方程进行转换;采用有限体积法计算微通道内电场分布、缓冲溶液流场分布和电泳分离组分分布;对流场计算,采用动量插值方法解决求解过程中压力和速度失耦问题;采用QUICK格式离散组分传输的对流项,减小了数值耗散引起的“虚假区带增宽”。给出了微通道弯曲结构内电泳分离过程计算结果,验证了计算的有效性和可信性。