基于红外光强的数字微流控系统定位

基于介电润湿(EWOD)效应的数字微流控(DMF)系统是一种能够实现多个独立的微液滴控制的新兴技术。该技术具有芯片结构简单、控制方法易于实现、样品消耗小和无流体运动死区等优点。为了满足DMF系统液滴精准驱动与控制的迫切需求,提出了一种基于红外光强的DMF系统定位方法,该方法可以在驱动控制液滴的同时,实现无输入参数的液滴精准定位。进一步基于该定位方法,实现了DMF系统的反馈控制。最终实现了一套具备液滴驱动、定位和反馈功能的DMF控制系统。实验结果表明提出的方案有利于提高DMF系统应用的成功率和可靠性。在同样的芯片参数结构下,成功率提高了约38%。同时设计的控制系统可以为其他研究基于EWOD的DMF系统的研究团队提供一个可靠的自动化实验平台。     

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。     

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。     

基于改进等效电容模型的数字微流控液滴定位反馈系统

基于介电润湿(EWOD)效应的数字微流控技术是近十年来出现的一种能够在平面上操控体积为微升、纳升级别液滴的新技术。为了满足对数字微流控中液滴精准驱动与控制的迫切需求,结合现有的液滴定位方法的研究,设计了改进的等效电容模型,该模型方法在无输入参数下实现多液滴的定位。基于该液滴定位模型,提出了驱动参数的反馈优先级调整策略,最终实现了一套具备驱动、定位及反馈一体的数字微流控控制系统。实验结果表明提出的方案有利于提高微液滴的连续输运的成功率,在同样的芯片参数结构下,成功率提高了接近40%,对数字微流控系统进一步的应用研究具有一定指导意义。     

基于介电润湿的微流控液滴定位与反馈系统研究

基于介电润湿效应的数字微流控技术是近年来出现的一种能够在平面上操控体积为微升、纳升级别液滴的新技术。针对目前对微流控精准驱动与控制的迫切需求,从介电润湿驱动机理分析入手,开展微量液滴驱动理论研究,设计实现了一款低电压驱动微流控芯片。同时通过建立液滴模型与分析液滴连续运动的特性,提出一个改进的芯片-液滴等效电容系统模型。根据这个模型,设计一套高智能化和精确度的液滴运动定位反馈系统。液滴移动实验表明设计的液滴定位反馈系统能精确地定位液滴当前的运动位置与状态。实时地把定位信息准确地反馈到驱动系统,提高了液滴移动的连续性和液滴移动速度。     

新型开放式液滴驱动芯片

研制出一种利用介质上电润湿（Electrowetting-on-dielectric,EWOD）机理的新型开放式离散液滴驱动器,它采用重掺杂多晶硅制备微电极阵列,氧化硅以及碳氟聚合物薄膜作为复合疏水介质层,悬挂的细硅铝丝作为参考零电极。通过控制施加在微电极阵列上的脉冲电压时序,来精确操作和控制疏水介质层表面液滴的运动。该器件采用了悬挂线开放式结构,在空气环境下,在40V低驱动脉冲电压下成功实现了液滴的传输。     

基于石蜡打印的PDMS微流控芯片制备及实验应用

介绍了一种基于数字化石蜡液滴微喷射技术制作微流控芯片的方法及其应用,制作的聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流控芯片可用于微液滴的生成和两相流的微混合。实验所需玻璃微喷嘴制备简单、成本低廉。石蜡阳模的形状可自主设计,通过调节驱动电压、驱动频率和加热温度可控制石蜡液滴尺寸及石蜡线宽。利用此方法在石英玻璃基底上打印出石蜡阳模,通过PDMS溶液浇注、固化、倒模、清洗再与石英玻璃基板键合等一系列工艺,最终可实现不同内径、不同流道形状的PDMS芯片,制作过程方便快捷,成品质量较好,设计自由度较高。最终通过调整系统各项参量制作出流道内径约为235μm的PDMS微流控芯片,并利用所制作的十字型流道PDMS微流控芯片生成了微液滴,用螺旋形流道的PDMS微流控芯片完成了亮蓝、柠檬黄两种颜色水溶液的微混合。     

基于直线超声电机的微液滴制造设计与研究

为了制造出在生物化学领域中更高精度的微液滴,该文提出了一种新型的微液滴制造系统,该系统由驱动部件(直线超声电机和控制器)、微液滴生成部件(注射器、硅胶软管与玻璃基微米孔)、信号发生器和放大器及微液滴分离部件(弯振振动块和单边固支梁)组成。利用控制器驱动直线超声电机移动,由电机推动注射器,以便在微米孔尖端产生微小液滴。再利用振动块的振动与固支梁的位移放大作用使生成的微小液滴克服粘性力,从微米孔的尖端分离。该系统采用位移精度高的直线超声电机作为驱动元件,并研究微小液滴制造生成的设计方法。实验研究表明,该系统能生成直径小于Φ2μm的微液滴。     

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。     

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.     

基于共面斜叉指状电极的微流控芯片内液滴检测技术

为了监测微流控芯片内的反应过程及反应程度,对液滴在反应中的状态及内容物含量变化进行实时检测变得至关重要。利用T型微流路通道生成微液滴,通过对氧化铟锡(ITO)玻璃进行腐蚀获得共面斜叉指状电极,在电极表面旋涂钝化层避免电极污染。微流路通道中的液滴进入共面电极感应区域可有效引起其电容量变化,进而可以检测芯片内液滴的数量、平均长度、流速和内容物含量等。实验结果表明,设计的共面斜叉指状电极检测灵敏度优于传统的单对并列电极的24%以上。借助光学检测方法得到液滴长度检测的误差在6%以内。利用本检测装置对不同质量分数的甲醇、乙醇和异丙醇液滴进行了检测。实验结果的变化规律与电容检测理论相一致,验证了本液滴检测装置的有效性和可靠性。     

基于ARM7控制的声光可调滤波器的射频电路

声光可调滤波器(AOTF)是未来全光网络中实现波长路由选择的首选器件,为制作该器件必须首先完成驱动模块射频电路的设计.文章介绍了一种声光可调谐滤波器驱动系统的实现,该系统基于ARM7控制的用于中心波长为1500的波分复用光网络;基于频率合成芯片ADF4360-8以及ATMEL公司的AMR7芯片AT91SAM7S256.利用仿真软件ADIsimPLL配合设计芯片外围电路.以这种方式设计的射频电路覆盖了1500～1600 nm的光谱范围,能实现lnm的波长调谐,具有结构简单、操作方便、稳定性高等特点.     

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。     

基于锆钛酸铅的低电压驱动MEMS电场传感器研究

该文提出一种基于锆钛酸铅(PZT)的低电压驱动微机电系统(MEMS)电场传感器。该传感器基于电荷感应原理,其敏感单元由固定电极和可动电极构成。固定电极与可动电极均为感应电极,同时两者又是屏蔽电极。在PZT压电材料的驱动下,可动电极产生垂直于敏感芯片基底的振动并且与固定电极形成交互屏蔽,当存在待测电场时,分别在可动电极和固定电极上产生相位差为180°的感应电流信号。该文进行了传感器的设计和有限元仿真,提出敏感微结构的加工工艺流程,突破了基于PZT压电材料的可动电极MEMS工艺兼容制备技术,完成了敏感芯片制备,对传感器进行了性能测试。该传感器具有工作电压低的突出优点。实验测试表明,在0～50 kV/m电场强度范围内,采用1 V交流驱动电压,电场传感器的灵敏度为0.292 mV/(kV/m),线性度为2.89%。     

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。     

介质上电润湿液滴输运、合并及振荡实验研究

利用MEMS技术制作了平板电润湿芯片,建立了可视化实验研究平台,运用高速CCD对分裂式电极施加交流电压后的液滴传输和合并过程以及相邻电极接地式芯片上液滴的交流振荡过程进行了可视化实验研究。除了对液滴形状的观测外,还重点关注了接触线的运动规律。研究发现,接触角滞后现象将导致接触线在液滴输运、合并以及振荡过程中出现停顿现象,在液滴振荡过程中,只有施加电压足够大时,才能克服这种迟滞现象。当液滴初始位置偏离电极对中心时,在一定条件下交流电作用将造成液滴形态左右摇摆、接触线非对称运动的非对称振荡现象。     

数字微流控生物芯片的电极管脚控制信号处理

随着对数字微流控生物芯片的深入研究,直接寻址DMFB需要大量独立控制引脚,显著增加了产品的制造成本。文中根据液滴路由路径,产生液滴路由所经过电极的驱动序列,利用芯片中一个引脚最多所能驱动的电极数量值,对产生的电极驱动序列进行分区,对每个分区中的电极驱动序列进行比对,找出相互兼容的以此来减少控制引脚的数量。实验结果表明,该方案与交叉引用等方法相比,减少了控制引脚的数量,实现了对电极管脚控制信号的处理。     

高效率原边反馈隔离式LED驱动电路设计

设计了一种高效率原边反馈隔离式发光二极管(LED)驱动电路。驱动电路由误差放大器电路、脉宽调制电路、过温保护电路、欠压锁定电路以及前沿消隐电路等构成。利用这个驱动电路设计了原边反馈驱动电路系统,采用恒压恒流环路控制使整个系统有高稳定性,采用该驱动电路组成的系统结构简单,只需要通过原边反馈的方式就可以使环路稳定,不需要次级反馈以及环路补偿。设计基于1.5μm双极-CMOS-DMOS(BCD)工艺实现,芯片面积为4.08 mm2。测试结果表明:利用该驱动电路组成的系统在输入电压为85~265 V时,系统的效率都能达到80%以上,达到了预期要求。     

基于热测试芯片的2.5D封装热阻测试技术研究

2.5D多芯片高密度封装中,多热源复杂热流边界、相邻热源热耦合增强,高精准的热阻测试与仿真模拟验证是封装热设计的关键。设计开发了基于百微米级发热模拟单元的热测试验证芯片（TTC）,并基于多热点功率驱动电路系统和多通道高速采集温度标测系统,实现了2.5D多芯片实际热生成的等效模拟与芯片温度的多点原位监测。通过将实际热测试结构函数导入热仿真软件,实现了仿真模型参数的拟合校准,采用热阻矩阵法表征多芯片封装热耦合叠加效应,实现了多热源封装热阻等效表征。结果表明,多芯片封装自热阻和耦合热阻均随着芯片功率密度的增加而提高,芯片的热点分布对封装热阻值的影响更为显著,因此模拟实际芯片发热状态、建立等效热仿真模型是实现高精准封装热仿真和散热结构设计的关键。     

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。