基于声表面波微通道内微液滴选择性输运研究

提出了声表面波实现微通道内微液滴选择性输运的方法,并研制了相应的微器件。它包括128°YXLiNbO3基片上光刻有两叉指换能器的压电子器件、微隔板和聚二甲基硅氧烷微通道。通过软光刻工艺制作聚二甲基硅氧烷微通道,采用内嵌塑料薄片微隔板,将微通道分割为两分支微通道,并贴合于压电基片上。叉指换能器激发的声表面波结合进样器进样的石蜡油驱使待输运微液滴向目标分支微通道运动,实现微通道内微液滴选择性地输运到目标分支微通道。以水液滴为研究对象,进行了微液滴选择性输运实验,结果表明,声表面波可以实现微通道内微液滴选择性输运到目标分支微通道,从而为压电微流器件进行微流分析提供前提条件。     

基于数字微流控芯片的液滴驱动及检测集成化

为了精确控制数字微流控(DMF)芯片内液滴的位置及运动范围,在液滴驱动行进过程中需及时检测液滴所在位置,这对于液滴在特定位置进行分离、混合或存储具有重要作用。为了更好地实现驱动与检测技术集成,设计了正交矩阵电极,利用电极间电容值差异获得液滴位置,借助分时工作方式通过电极复用实现驱动与检测的结合,既可有效保证液滴的准确控制,又可大大减少引线密度,降低芯片加工难度。实验结果表明电极上有无液滴时电容值差异明显,差值最大可达1 400 fF,且可靠性良好,电容值误差范围保持在2%以内,经可见光图像验证,液滴位置检测准确率可达100%。根据检测到的液滴位置,利用搭建完成的数字微流控系统为液滴规划路径,完成了高锰酸钾与维生素C溶液的褪色反应,证明本系统可实时完成液滴的可控驱动与准确检测。     

基于声表面波微流转换微器件研究

提出了压电基片上液滴转换为微通道内微流体的方法。在128°YX-LiNbO3基片上采用微电子工艺制作两叉指换能器,软光刻工艺制作聚二甲基硅氧烷(PDMS)微通道,镂空印刷电路板,内嵌压电子器件和微通道。两叉指换能器激发声表面波控制液滴与带细孔钢针的接触时间,实现一定量的微流转换。当两叉指换能器上电信号切换时间为9.667s,水微流体输运速度为0.365μL/s时,微流转换量为3.525μL。     

基于介电润湿效应的微液滴操控

基于介电润湿的微液滴操控已被众多学者实现,但微液滴接触角在饱和阶段随电压变化的数学关系仍未得到较好解决,为此,基于能量最小化原理对Young-Lippmann方程进行了补充和改进.结合理论计算和数值仿真设计了一种叉齿状驱动电极单元数字微流控芯片,并加工出介电层分别为SiO2及SiO2-Si3N4-SiO2两种结构的芯片.实验结果表明,在接触角饱和阶段,所改进的Young-Lippmann方程能在一定程度上反映微液滴接触角的变化趋势.此外,SiO2-Si3N4-SiO2复合介电层结构中的微液滴操控电压低于SiO2单一介电层中微液滴操控电压.     

用于细菌快速高灵敏检测的离心式高通量液滴微流控芯片

细菌是许多疾病的病原体,对它的快速检测在医学领域具有重要意义。液滴作为稳定的微反应器,被越来越多地应用于绝对定量检测的研究中。研制了一种用于细菌快速检测的离心力液滴式微流控芯片,该芯片能够实现液滴的高均一性、高通量生成,提高检测灵敏度。液滴直径的均一性由稳定的驱动源来保证;液滴通量通过流阻与转速的优化以及分叉结构来提高;实现了大于300个/秒的液滴通量,直径的变异系数值为2.90%。使用芯片快速定量检测大肠杆菌O157∶H7的浓度,在细菌浓度为10~3～10~7cfu/mL内呈现良好的相关度(R~2=0.998)。液滴生成、生物反应、荧光信号统计全部可以采用该芯片实现,表明该芯片在生物医学检测领域具有潜在的应用价值。     

基于聚酰亚胺介质的单平面微液滴驱动芯片

根据介电润湿(EWOD)原理,建立了电润湿力与驱动电压的关系,提出一种基于聚酰亚胺介质的单平面微液滴驱动芯片设计方案。该芯片利用MEMS技术在铬版玻璃上分别制作出金属微电极阵列和聚酰亚胺介质膜,再使用聚四氟乙烯分散液进行疏水处理,通过在电极阵列和微液滴之间直接施加电压以实现微液滴的驱动。对单平面微液滴驱动芯片的液滴介电润湿效应进行了仿真分析,结果表明仅使用疏水层便可观察到明显的介电润湿现象,接触角测量值与理论值吻合较好。使用该驱动芯片成功实现了微液滴的稳定传输,传输速度达到3.31 mm/s左右,并在实验基础上分析了传输速度与驱动电压幅值和频率的关系。     

集成阵列叉指电极介电泳芯片粒子分离北大核心

制备了用于粒子分离的集成阵列叉指电极介电泳微流控芯片,该芯片由以玻璃为基底的氧化铟锡(ITO)电极以及聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流通道构成。采用该芯片测定了聚苯乙烯微球在电导率为1μS/cm的悬浮溶液中在不同频率下的介电泳响应。聚苯乙烯微球产生正负介电泳响应的临界频率为20 kHz。当交流电压和频率分别为8Vp-p(峰峰值)和2 MHz时获得最优的粒子分离条件,在此条件下对聚苯乙烯微球和酵母菌细胞进行分离实验。实验结果表明,酵母菌细胞受到正介电泳力的作用,被富集到电极的边缘,而聚苯乙烯微球受到负介电泳力的作用被排斥而远离电极,其分离效率能够达到90%。     

不同p电极下InGaN太阳能电池性能研究

利用MOCVD方法在蓝宝石衬底上生长InGaN量子阱结构太阳能电池,并制作出了不同间距和形状的指叉形状p型电极。通过实验对比发现,随着指叉间距的减小,电极面积增加,光吸收面积减小,从而减少了光电流的产生,使得电池效率退化。另据实验发现,由于器件MESA边缘有着更强的电场,相同指叉密度下,将电极制作在器件边缘可取得更好的电池性能。     

重金属检测微纳传感器芯片批量制备与测试

设计并制备了一种基于玻璃-硅微纳米结构的重金属检测微纳传感器芯片用于检测铅.传感器芯片集成了Ag/AgCl参比电极、三维金微阵列工作电极、金对电极以及微检测腔.该传感器采用微电子机械系统(MEMS)批量制备工艺,一批次同时制备多片4英寸(1英寸=2.54 cm)晶圆,而每片晶圆上有20个芯片.在优化的实验条件下,即最优...     

基于介电润湿液滴精准驱动检测反馈系统研究

本文针对当前对基于介电润湿液滴精准操控的迫切要求,设计了一种液滴驱动检测反馈系统。首先检测装置获取液滴位置数据并传送给控制装置,然后控制装置对数据进行处理并反馈给驱动装置,最后驱动装置将液滴输运至目标位置,实现闭环结构。通过对液滴输运的异常情况检测进行实验,验证了驱动检测反馈系统可实现液滴的精准操控。     

一种微流控芯片进样主通道密封装置

为了满足高密度阵列薄膜微流控芯片在使用过程中,当反应液离心进入微反应腔室后需要进行独立密封的要求,研制了一种机械密封装置。微流控芯片由铝箔盖片、聚丙烯(PP)基片和PP支架组成。通过采用密封装置对微流控芯片进样主通道进行密封来实现微反应腔室的隔绝密封。通过实验发现,机械密封装置刀头的结构与尺寸会对密封结果产生较大影响。通过增加刀头厚度和使用圆刀头,不仅能大大降低对铝箔盖片的破坏,而且可以避免产生空腔现象。实验结果表明,改进刀头后,铝箔通道底端粗糙度平均值降低了38.7%,通道最低处的铝箔厚度破坏量减少了85%。     

基于声表面波油包水微液滴分裂研究

提出了声表面波(SAW)实现油包水微液滴的分裂方法,并在128°YX-LiNbO3基片上研制了分裂油包水微液滴的微器件。在压电基片上采用微电子工艺制作叉指换能器,其激发的SAW部分作用于油包水微液滴,瞬间降低电信号幅度,油相内水微液滴在惯性力作用下发生分裂,油相微液滴由于较大的表面张力发生形变而不分裂。以石蜡油包裹蓝色水相微液滴为研究对象,进行了油包水微液滴分裂实验和理论分析,结果表明,当电信号从功率为12.3dBm瞬间关断时,可实现油相内水微液滴分裂。     

基于声表面波技术实现微通道内微流体的融合

提出了一种新的油相微通道内微流体融合方法.在128°YX-LiNbO3基片上光刻叉指换能器(IDT)和反射栅,模塑法制作的聚二甲基硅氧烷(PDMS)微通道贴合于压电基片的声路径上,在PDMS微通道内采用微量进样器注入石蜡油和待融合微流体.经功率放大器放大后的射频(RF)电信号加到IDT上,激发声表面波(SAW),驱动微通道内的待融合微流体,实现其融合.实验结果表明,在SAW作用下,微通道内微流体的融合决定于加到IDT上RF信号功率、待融合微流体直径和待融合微流体间距.     

基于声表面波技术的数字微流体微加热器研究

设计了在128°旋转Y切割X传播方向LiNbO3基片上研制了数字微流体微加热器。它由压电基片上两个叉指换能器构成,当由功率放大器放大后的射频电信号加到叉指换能器时,其激发的声表面波经微流体后转化为径向表面波,并辐射入微流体达到加温效果。停止加电信号后,微流体能量向外界辐射迅速降温。采用2μL的甘油微液滴进行升温实验,结果表明:微流体温度变化由外加电信号强度和持续时间决定,在电信号强度为19V时,微流体的温度上升速率为1.5℃/s,与理论6.2℃/s结果基本相符。     

叉指形电极压电执行器的热弹性比拟分析方法

通过对比分析逆压电效应本构方程和热弹性体本构方程,将压电执行器的驱动电压比拟为温度载荷,压电应变系数比拟为正交各向异性的热膨胀系数,则叉指形电极压电执行器的静态位移可采用热弹性有限元法分析。由于叉指形电极的电场导致局部的非均匀和非线性,在热弹性比拟法中,需引入修正系数对热膨胀系数进行修正。数值算例和实验结果表明,热弹性比拟法在叉指形电极压电执行器的静态仿真中是简单有效的。     

一种测量微液滴电湿效应的新方法

基于特定的“导电基片/绝缘膜层”电湿效应模 型,提出了一种新颖的接触角测量方法。用平板电极代 替传统针状电极并改传统侧面拍摄为垂直拍摄,搭建了基于新方法的实验装置。本文装置包 括显微拍摄系统、 微液滴测试盒、反射光源和透射光源。提取了不同电压下的一系列圆环轮廓图,测量了圆环 的内外径,结 合内外径差与接触角的关系,得到了接触角随电压变化的关系曲线,获得了与理论值一致的 微液滴电湿效应变化规律。与传统方法相比,本文方法操作简便,精度高。     

阵列式芯片特定区域内微流体加热研究

提出了阵列式芯片特定区域内微流体的加热方法,研制了4×4阵列式聚二甲基硅氧烷芯片及其特定区域的加热组件。在128°YX-LiNbO3基片上光刻16个叉指换能器,其激发的SAW驱动压电基片上油相流体,使其输运到待加热区的传热柱上,在油相流体两侧的叉指换能器上加电信号,激发SAW加热油相流体,并通过传热柱加热阵列式芯片受热区内微流体。以石蜡油微流体为实验对象进行阵列式芯片特定区域微流体加热实验,结果表明,SAW可有效加热阵列式芯片特定区域内石蜡油微流体,在30.0dBm电信号功率作用下,使7.5μL石蜡油温度从22.3℃上升到33.5℃。     

微流控芯片上电晕放电式大气颗粒物检测方法北大核心

报道了一种可检测大气中微米级颗粒物尺寸并计数颗粒个数的方法和检测系统。微通道检测区域处布设一对微电极,微流道两侧施加一定幅值的直流电,使得检测区域的空气发生电晕放电,形成电流回路。当注射泵驱动颗粒物流经检测区时,会导致检测电极间的电阻发生改变,进而产生相应的电流变化脉冲,并被检测电路检测到。脉冲信号的个数即为流经检测区颗粒的个数,而脉冲信号的幅值大小则表征了颗粒的尺寸。该实验装置基于电晕放电原理,检测原理可靠,检测方法创新,设备整体结构简单,具有良好的发展前景和应用价值。     

芯片上叉指电极介电电泳的模拟与实验研究

分析了影响常规介电电泳过程中粒子所受介电电泳力的因素和发生正、负向介电电泳的条件。经过合理的简化和假设,建立了一个芯片微通道中常规介电电泳的二维数学模型。数值计算结果给出了微通道中的电势和电场强度分布,并根据场强分布预测了粒子发生正向介电电泳时最容易被吸附的位置。利用微加工工艺,在硼硅酸(Pyrex)玻璃表面沉积了叉指型结构的复合金属电极,并用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作了具有微通道的盖片,两者键合形成芯片。以溶解有聚苯乙烯(polystyrene,PS)粒子的KCl溶液为操作悬浮溶液进行了粒子正向介电电泳实验,实验结果与理论分析具有较好的吻合。     

基于液滴打印的纸质微流控芯片制备

介绍了一种基于液滴打印技术制作纸质微流控芯片的简单方法。蜡以液滴的形式喷射到滤纸上,加热蜡图案形成疏水屏障,用于生物试剂测定。制作的玻璃微喷嘴无需复杂的制造技术,成本低廉,简单且容易制作。喷射蜡滴稳定均匀。通过改变驱动电压、频率和加热温度及时间来实验研究蜡线的宽度,最终在纸质芯片上制备出宽度为2 600μm、长度为10 mm的蜡质疏水流道。用所制的纸质微流控芯片装置实现蛋白质、葡萄糖和pH值的多重测试。采用以液滴打印技术为基础的蜡滴生成系统制作纸质微流控芯片,成本低,简单,易于使用且制作快速。