微流体驱动与控制系统的研究进展北大核心

随着微流控系统的应用越来越广泛,微米尺度和纳米尺度器件微通道内的流动逐渐成为了研究的热点。重点阐述了微流控系统的驱动元件——微泵、控制元件——微阀的研究现状,介绍了学者们研制的各种微泵、微阀的工作原理与结构特点,指出了微流体驱动控制系统泄漏、结构复杂、成本偏高等问题依然存在,并对微驱动控制的发展方向进行了展望。     

玻璃微流体器件制备仪的设计研究

微流控系统在很多应用场合需要采用透明材质,针对玻璃材料在加热到半熔融状态时可以塑形,设计了水平式的微流体器件制备仪.样机经实验后,可以制作出微米级的玻璃微针、微管道等器件.该制备仪结构简洁、成本较低、操作简单.     

基于微流控技术的新型PDMS平面微阀

针对常规微阀结构较为复杂,存在着制作成本较高、难于加工和不易系统集成等问题,提出了一种设计简单的柔性阀片-阀塞结构的PDMS平面微阀的研究.微阀的制作采用了标准PDMS模塑法微细加工工艺.测试结果表明微阀工作性能良好,反向泄漏量可以减少到0.1 mL/min,而微阀的正/反向流量比可以达到41:1,满足了微流体控制系统对流量调节的要求,可广泛应用于各种微流控系统中.     

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。     

3D-不对称菱形被动式微混合器混合特性

提高微混合器雷诺数的适用范围和混合强度是微混合器设计的发展趋势。本文基于非对称分离重组混合原理设计、制作了一种3D-不对称菱形被动式微混合器,并借助数值分析方法和可视化实验对混合强度和混合状态的变化进行了研究。研究发现:在低Re(0.01~10)范围内,两组分间的混合以扩散混合为主,随着Re的增加,流速对混合强度的影响有一定下降;在较高Re(10~200)范围内,受流速增加的影响,流体间不平衡微流惯性碰撞逐渐成为影响混合的主要因素。此时,混合强度随流速的增加逐渐增强并趋于平稳。对Re在0.01~200内的微混合器展开研究,分析了宽缝比Ws/S、分合角θ、宽厚比H/S等结构尺寸对混合强度的影响。通过综合考虑流体混合强度和通道压降的变化情况,确定最佳通道结构尺寸为Ws/S=0.2、θ=45°、H/S=0.5,此时微混合器的混合强度可维持在78%以上。与传统平面对称分合式混合器相比,设计制作的3D-不对称菱形被动式微混合器混合强度有较大的提高,验证了本文设计结构的有效性。     

基于拓扑优化的电渗流微混合器电极

电渗是当前芯片实验室设备中微流体常用的驱动方式之一，其中电极版图对控制电渗驱动的外电场起到关键作用。针对电渗流电极版图大多基于尺寸优化和形状优化的方法难以大幅提升微流控器件性能的问题，建立电渗流电极拓扑优化模型，采用滤波方程和阈值投影控制电极结构的特征尺寸，通过连续伴随分析方法获得模型的伴随敏度，进而演化电极版图的结构设计变量，最终实现电渗流电极的拓扑优化。基于上述拓扑优化方法设计电渗流微混合器的电极版图，并对影响微混合器混合效果的因素进行分析。结果表明，电渗流微混合器的混合评价指数达到0.047，能够实现两种不同浓度溶液的完全混合。微混合器良好的混合性能验证了本文提出电渗流电极拓扑优化方法的有效性。     

微流体驱动与控制系统的研究进展

随着微流控系统的应用越来越广泛,微米尺度和纳米尺度器件微通道内的流动逐渐成为了研究的热点。重点阐述了微流控系统的驱动元件——微泵、控制元件——微阀的研究现状,介绍了学者们研制的各种微泵、微阀的工作原理与结构特点,指出了微流体驱动控制系统泄漏、结构复杂、成本偏高等问题依然存在,并对微驱动控制的发展方向进行了展望。     

微电子机械系统中微尺度热物性研究进展

微电子机械系统（MEMS）是结合微电子技术和微机械加工技术制造而成的微型机电一体化系统。MEMS中薄膜材料的厚度可达到微米、亚微米直到纳米量级。由于微尺度效应,薄膜材料的导热规律及其各种热物性参数（如比热、热导率、热扩散率等）与常规材料显著不同。设计MEMS时必须充分考虑微尺度效应,并使用合理的热物性参数值,才能保证微电子机械系统的热稳定性。本文从理论建模、实验测试和计算机模拟三个方面总结了近年来微尺度薄膜热物性的研究进展。     

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。     

基于微流控驻停气泡的连续型气-液微反应器

快速高效的气-液反应对生物物理学、化学和医学领域的发展具有十分重要的意义。微流控系统以其高传热传质效率和低物质消耗等优点为气-液反应提供了一个新的平台。介绍一种基于微流控驻停气泡的新型气-液微反应器系统,该系统利用微流道中的气泡和流动液体反应物之间稳定可控的气-液体界面来加速传质。微流控驻停气泡通过流体通道壁上特殊设计的裂隙结构生成,这使驻停气泡易于阵列。驻停气泡的大小和形貌通过改变气体质量传递来控制和调节,进而实现对气-液界面物质交换的有效控制。提出的微反应器为纳米晶体合成、先进生物材料制备等应用提供可控且稳定的气-液界面。     

热气泡式微喷技术研究

分析了各种热气泡式微喷技术及其发展状况,并介绍了一种顶端发射的热气泡微喷射执行器的设计,该微喷执行器主要应用于喷墨打印、微电子冷却和医药加工等领域.这种热气泡式微喷射技术是利用MEMS微加工的方法制造具备弹射功能的微流体机电系统.研究显示结构设计具有很好的热效率,喷射液滴质量稳定.     

基于爆破阀的微流体引流控制芯片研究

微量流体的收集与控制是微流控领域的关键技术,微流体引流控制不仅需要对流速、时间等参数进行精确控制,而且要避免流体在多个检测区的交叉混染。本文设计一种基于爆破阀的微流体引流控制芯片。首先,对爆破阀机理进行分析,并采用MEMS工艺制备微流控芯片;然后,对影响爆发阀特性的材料亲水性进行跟踪测量,对微流控芯片的引流特性进行宏观和微观观测;更进一步地,对爆破阀的爆破压力进行理论计算和实验实测,3种爆破阀的实测爆破压力分别为90、690、2 440 Pa;最后,对不同进样速率下爆破阀的爆破特性进行测试。实验结果表明,通过爆破阀的合理设计,可实现微流体的引流控制,使其按预定次序、预定时间流入检测区,进而有效避免流体的交叉混染。     

PCR-CE微流控芯片技术的若干进展

PCR-CE微流控芯片是利用微电子机械系统制作在硅、玻璃或聚合物衬底上的一种微装置,它可以在单个芯片上自动连续完成样品制备、聚合酶链反应、毛细管电泳等微过程。本文通过介绍一些研究小组的研究成果,评述了PCR-CE微流控芯片技术的若干进展及各种PCR-CE微流控芯片的特点,预测了PCR-CE微流控芯片可能的发展方向。     

微流体速度流型影响因素数值模拟分析

微流体速度流型对微流控芯片分离分析和混合反应效果都有重要影响。本文采用数值分析的方法研究在压力驱动和电渗驱动方式下管道大小与形状、弯曲管道以及表面粗糙度对微流体速度流型的影响。模拟结果表明管道的形状和大小对微流体的动量传递有很大的影响,进而影响微流体的速度流型。电渗驱动下弯道引起的弯道内外径速度差可以通过改变弯道形状和电渗强度的方法进行改善。对摩擦力的模拟中发现小管径密集粗糙颗粒的情况下得到的流型是最好的。模拟结果对微流控芯片的设计加工具有一定的指导意义。     

一种压电式精密输液微泵的试验研究

提出了一种用于精密输液的压电驱动式微型泵,该泵在结构、原理上均有别于传统泵.在实验室中设计、制作了实验样机,同时为取得控制流体精密输送的方法与规律,自行设计、制作了专用电源.通过系统的实验测试和研究进一步验证:压电驱动式微泵性能稳定、能够实现流体的精密输送、且适于微小型化,可为研发具有实用意义的精密输液微泵提供有益借鉴.     

多材料按需微滴喷射系统设计与实验研究

为满足微电子制造、封装领域中不同性质材料按需精确分配的需求,提出了一种由多微滴喷射单元构成的多材料按需微滴喷射系统。该系统的微滴产生模块由用于低黏度流体材料的气动膜片式微滴喷射单元、用于熔融金属流体的压电活塞式微滴喷射单元和用于高黏度流体的机械阀式微滴喷射单元组成。同时由数字相机、模拟相机+图像采集卡构成的图像采集系统,实现液滴沉积的视觉引导对准定位,以及微滴产生过程的图像采集。利用该系统,进行水基混合物、金属焊料和环氧树脂胶的微滴喷射实验,分析了不同黏度对液体微滴喷射过程的影响,实现了金属焊料的微滴喷射,获得了平均直径为70.5μm的焊球及焊球阵列,其直径偏差小于2%。同时也获得了平均直径为0.6 mm的环氧树脂胶点阵列,其直径偏差小于4%。实验结果表明:该系统可用于包括高黏度环氧树脂胶、金属焊料等在内的多种不同黏度的材料,实现微米级微滴的按需喷射。     

微驱动器的研究与发展

微电子机械系统(Micro Electro Mechanical Systems,简称MEMS)是在微电子技术的基础上兴起的一门应用技术,微驱动器是MEMS的重要组成部分.首先阐述了几种新型驱动原理:机械化学驱动、渗透驱动、生物能源驱动、仿生驱动、光致伸缩驱动,接下来介绍了常用驱动技术压电驱动、静电驱动、磁致伸缩驱动和气动驱动的当前研究成果.总结了常用微驱动器的驱动方式及特征.提出了目前研究中存在的主要问题,在此基础上简要分析了微驱动器的发展前景.     

基于CPLD的多通道蠕动微泵的驱动控制系统

本文介绍了一种基于CPLD的多通道气动聚二甲基硅氧烷（PDMS）蠕动微泵的驱动控制系统,包括CPLD外围电路及开关电路设计、电子三通阀驱动电路设计、控制方案确定和控制软件设计。同传统的基于电脑和PCI卡的控制系统相比,本文的控制系统体积小、功耗低、价格便宜,维护和升级都十分方便,有利于充分发挥微流控系统的优势,发展微型化和便携化的微泵。     

微反应器的制备与试验研究

设计了一种新型微化学反应器,该反应器采用玻璃精细加工技术,结合激光雕刻工艺制成,内部既无可动件又无内嵌式微电路,无须复杂的微加工技术,结构简单,制造成本低;分析了微化学反应的实现机理,通过对微喷嘴施加小幅可控的脉冲惯性力,对不同微流体通过数字化微喷射生成微液滴,在混和腔内碰撞聚合,完成溶液间的微反应。利用微流体数字化技术,对微反应器进行了试验研究,效果良好。     

基于机器微视觉的MEMS平面微运动测试技术

随着微电子机械系统(MEMS)研究的深入和产业化的需求,检测技术在MEMS中的重要性越来越大。基于机器微视觉原理组建MEMS动态测试系统,在此系统之上,提出模糊图像合成技术对MEMS器件的平面微运动特性如谐振器的运动幅度、谐振频率等重要参数进行了测试,给出了测量结果,并对测试结果进行了分析和讨论。