基于面板工艺的数字微流控芯片 .txt

摘要：针对传统数字微流控芯片电极数量少和制造成本高的问题,对基于面板工艺的数字微流控芯片进行了设计、制备和验证。引入现有成熟的液晶面板设计与制造技术,在玻璃基板上完成金属、绝缘层、有机膜、ITO等膜层的图形化加工。结合常规半导体旋涂工艺,完成疏水层的制备。实验成功地制备出一种集成有480个电极的单基板数字微流控芯片样品。通过合理的驱动电极排布与驱动信号时序设计,实现了低成本化的微流控芯片的设计与制造。对于所设计的微流控芯片进行了功能验证,实现了液滴的连续移动,最低驱动电压可达到25 V,可驱动液滴的体积范围为8～50 μL。还通过系统化的实验对芯片的有效工作条件进行了验证。 .txt     

悬空零电极介电湿润芯片的设计

针对目前单极板数字微流控芯片驱动液滴的效果多通过数值仿真方法验证而缺乏实验支持,本文提出将单极板结构中的零电极进行悬空设计,并通过实验对比分析了设计的悬空零电极单极板结构的芯片和传统双极板结构的芯片对液滴的驱动效果。首先,基于介电湿润原理,推导出传统双极板结构中液滴所受到的介电驱动力以及每个阻力,接着,对文中设计的悬空零电极结构的单极板数字微流控芯片中液滴的受力情况进行分析。然后,对比分析两种结构的数字微流控芯片中液滴的受力情况。最后,对两种结构的数字微流控芯片驱动去离子水微液滴的效果进行试验验证。实验结果显示:驱动同等体积大小的微液滴时,本文设计制作的悬空零电极单极板芯片比双极板结构的芯片所需的电压更低,液滴的运动速度更快;当有效驱动电压达到44V时,液滴的速度可以达到15cm/s。得到的实验结果证明了在单极板悬空零电极结构的数字微流控芯片上液滴驱动速度更高,驱动电压更低。     

半月形电极微液滴驱动的微流控芯片

针对目前数字微流控芯片驱动电压比较高的问题,本文对比传统的驱动电极结构,研制了一种可以降低驱动电压的半月形驱动电极数字微流控芯片.首先,基于介电湿润原理,分析微液滴所受介电湿润力和微液滴接触圆上有效三相接触线所对应弦长的关系.接着,对比分析了传统的方形、叉齿形驱动电极与提出的半月形驱动电极上液滴有效三相接触线所形成的弦长大小;分析得出3种驱动电极结构中半月形驱动电极所形成的有效弦长最大,从而表明半月形驱动电极的数字微流控芯片上介电驱动力最大.最后,利用设计制作的3种驱动电极介电湿润芯片分别实验验证驱动液滴的效果.结果表明,所研制的半月形驱动电极数字微流控芯片的最小驱动电压分别比方形和叉齿形驱动电极芯片降低了约37％和67％.另外,当有效驱动电压为60 V时,半月形驱动电极芯片上2μL去离子水微液滴的速度约为10 cm/s,分别是方形与叉齿形驱动电极芯片上液滴速度的3倍和2倍.得到的实验数据证明了半月形驱动电极数字微流控芯片实现了降低芯片驱动电压的目的.     

数字微流控芯片半月形驱动电极的设计

为了降低数字微流控芯片的驱动电压,将传统的方形驱动电极结构设计为半月形,并研究了不同参数的半月形驱动电极降低驱动电压的效果。首先,根据介电湿润的基本原理分析了不同驱动电极形状对降低驱动电压的影响。然后,通过流体体积法(VOF)对液滴的运动过程进行建模和数值仿真;根据数值仿真结果对比分析了不同结构参数的半月形驱动电极随驱动时间的运动过程。最后,设计了4种不同结构参数的半月形驱动电极芯片,并对其驱动液滴的效果进行了试验验证。结果表明:研制的4种半月形驱动电极微流控芯片中,电极圆弧直径等于电极长度结构的芯片其驱动电压比其他3种电极结构的芯片的驱动电压至少降低了15.6%,而且可以在16V的驱动电压下使1μL去离子水液滴的运动速度达到1.6cm/s,是设计为半月形驱动电极中的最优设计。实验数据证明了电极圆弧直径等于电极长度的半月形驱动电极结构可有效降低微流控芯片的驱动电压。     

扇形电极微液滴分离的数字微流控芯片

针对目前液滴在方形电极上分离存在的成功率低,分离后的子液滴体积误差大等问题,本文提出了一种扇形电极结构的数字微流控芯片。在分析液滴在方形电极上分离的影响因素后,结合半月形电极、哑铃状电极和弓形电极的优点设计了扇形电极。与传统分离方式相比,新型芯片在分离前能够调整液滴的初始位置,分离过程中能保证液滴平稳收缩,从而提高分离的成功率和精度。最后使用去离子水作为实验对象,对扇形芯片的分离效果进行了实验验证。结果表明:使用扇形电极在不同极板间距下分离液滴的成功率均高于传统电极,并且分离后的子液滴平均误差在±2%以内,变异系数低至1.83%,通过减少分离电极的尺寸还能进一步提高分离精度。实验数据证明了扇形分离电极数字微流控芯片能够提高分离的成功率和精度。     

嵌入式数字微流控荧光液滴分选平台EI北大核心CSCD

搭建了基于嵌入式系统的数字微流控芯片操纵平台,实现对片上液滴的自动化配发、检测和分选。将特定电极阵列结构的介电润湿(EWOD)芯片通过特制电路和基于STM32的控制电路结合,并利用荧光显微镜提供的光路,完成分选平台的硬件搭建。移植嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅲ到STM32芯片中,根据分选功能需求,划分功能任务,设计各任务程序及任务间通信方式,实现在芯片上按一定频率从包含荧光与非荧光微粒的混合液体中生成小液滴,并将小液滴运输至检测区,根据其荧光强度对其进行分选。本系统实现了对数字微流控芯片的自动化操控,为将数字微流控技术应用于细胞、蛋白质、微生物等领域的分选提供了便利。     

嵌入式数字微流控荧光液滴分选平台

搭建了基于嵌入式系统的数字微流控芯片操纵平台,实现对片上液滴的自动化配发、检测和分选。将特定电极阵列结构的介电润湿(EWOD)芯片通过特制电路和基于STM32的控制电路结合,并利用荧光显微镜提供的光路,完成分选平台的硬件搭建。移植嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅲ到STM32芯片中,根据分选功能需求,划分功能任务,设计各任务程序及任务间通信方式,实现在芯片上按一定频率从包含荧光与非荧光微粒的混合液体中生成小液滴,并将小液滴运输至检测区,根据其荧光强度对其进行分选。本系统实现了对数字微流控芯片的自动化操控,为将数字微流控技术应用于细胞、蛋白质、微生物等领域的分选提供了便利。     

低电压下静电力驱动的数字微流控芯片

设计并制作了一种基于静电力驱动的数字微流控芯片,用于构建芯片实验室.介绍了静电力驱动原理和芯片制作工艺流程,搭建了驱动检测实验平台.该芯片采用硅作衬底,氧化硅作绝缘层,TiW/Au为驱动电极阵列,氮化硅作介质层,碳氟聚合物为疏水层.由于采用开放式的结构,只需单层共平面控制电极,简化了工艺流程,优化了器件结构;而驱动电极...     

基于数字微流控生化检验操作调度的混合遗传算法研究

在生化检验中,多种因素影响生物样本使其难以在数字微流控芯片上保持长时间的最佳实验环境。因此,最小化生化检验完成时间是确保检验结果完整性的关键措施之一。将数字微流控生化检验液滴操作调度问题按多模式资源源约束项目调度问题来处理,提出了利用双层混合遗传算法来优化液滴操作的时序调度;将关键链技术引入遗传算法中,以第一层算法确定液滴调度次序为基础,将关键链技术与第二层遗传算法相结合,对芯片资源进行优化配置。以多元体液体外检验为例,完成了算法的实现。仿真结果表明:双层混合遗传算法提高了解的质量,缩短了生化检验的完成时间,而且减少了计算时间。     

一种PMMA-聚酯材料的微流控芯片加工工艺研究

本文论述了一种以聚酯材料为通道层、以PMMA(polymethyl methacrylate)为盖板和底板的微流控芯片的制作工艺,以30mm(直径)×2.2mm(厚)的液滴分离微流控芯片为例,详述PMMA-聚酯芯片的设计和制作流程。实验表明,采用该工艺加工微流控芯片,表面质量高,方法简单,加工效率高。     

声表面波微流控液滴生成技术研究进展

微液滴是一种十分优秀的微反应器,在化学合成、生物检测及细胞研究等领域应用广泛。近年来,声表面波微流控技术发展迅速,在微液滴制备中具有重要应用前景。首先简单回顾了微液滴和声表面波微流控的研究发展历程,然后重点介绍了声表面波微流控液滴生成的工作原理、器件结构、液滴生成过程及工艺参数等;同时介绍了声表面波微流控核壳微液滴的可控生成机理及其制造过程。最后总结并展望了该技术在生化检测、生物3D打印等领域的应用前景。     

微流控技术在机械工程-生命科学交叉领域的应用

以微流控技术为研究对象,介绍了微流控芯片的制备材料及工艺,阐述了微流控技术在生命科学交叉领域的应用,主要从生物检测、体外结构仿生制造及可控释放的药物载体制备三方面展开介绍;从芯片结构设计及制备、功能模块集成、过程调控等方面入手,探讨了所涉及的关键技术;展望了微流控技术在机械工程-生命科学交叉领域的应用前景。     

一种用于核酸即时检测的全集成微流控芯片

针对病原体的核酸即时检测需求，设计了一种集核酸提取和扩增功能于一体的微流控芯片，利用一次性注射器驱动芯片上的液体流动，借助紫外线验钞笔便可用肉眼直接读出核酸检测结果。芯片分为提取区、混合区和扩增区，在提取区设计了裂解池和清洗池，利用磁珠法完成核酸提取；在混合区设计了洗脱池、扩增试剂池和方波型混合器，用于核酸的洗脱以及与扩增试剂的混合；在扩增区，为了实现多靶标检测，一共设计了16个扩增反应池，采用一种滑动式芯片结构，实现各反应池之间的物理隔离。采用模拟仿真和实验，对方波混合器的混合性能进行了验证，表明其可以实现核酸洗脱液与扩增试剂的均匀混合。在微流控芯片上，利用荧光素钠溶液模拟了环介导等温扩增反应过程，证明了滑动式扩增反应池结构能够满足多靶标检测的物理隔离要求。     

集成Pt电极电化学微流控芯片制作工艺研究

研究了一种集成Pt电极的安培型电化学微流控芯片的制备方法.在清洗后的SODA-LIME玻璃上涂敷正性光刻胶光刻,显影后开窗于微电极图形部分,利用射频溅射台溅射Pt后,采用剥离的方法得到Pt微电极.在另一玻璃基片上采用湿法腐蚀的方法得到微通道.微电极与微通道出口的对准工艺在自行研制的立体显微镜下完成,对准后的芯片在马弗妒中热键合,获得集成Pt电极的玻璃电化学微流控芯片.     

基于单电动机驱动的微流控芯片及其控制系统的设计

为解决在低聚焦流速下实现微流控芯片的高效聚焦和快速筛选功能及微流驱动控制系统小型化、低成本等技术问题,设计了一种微流控芯片及其微流驱动控制系统。该微流控芯片由控制层、PDMS薄膜层、流体通道层和玻璃基底等4层组成,流体通道层设置有1个主通道和3个分选通道,微流驱动控制系统中的液流控制装置采用单电动机时序驱动3个柱塞泵工作,控制层的热膨胀微阀门控制3个分选通道的开关。该微流控芯片及驱动系统实现了不同检测物的自动检测、聚焦、前进、静止、归类和筛选等功能。     

微压印聚合物微流控芯片的传热分析研究

微压印是制造聚合物微流控芯片的主要技术之一,其加工过程中的工艺参数对聚合物微流控芯片成型质量具有重要影响。在聚合物微流控芯片压印成型机理研究基础上,对其压印过程中的热传导进行分析,建立了多层材料一维热传导的模型,并用有限元法进行温度响应求解,进而可获得压印加热时间等工艺参数。     

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。     

发光二极管诱导荧光微芯片分析检测器的研制

以高功率发光二极管(LED)为激发光源,研制了一种小型LED诱导荧光检测器,用于微流控芯片分析检测.利用MOS管压控恒流原理,设计恒流驱动电路,使高功率LED发光稳定.通过设计和制造光学结构,成功地将LED发散光聚焦成约3.5 mm×0.3 mm的线状光束,实现了与微流控芯片中的微通道对准,简化了复杂的机械校准结构,且大大减少了光学系统体积(约为9.5 cm×4 cm×17 cm).用荧光染料NBD和高密度脂蛋白评价该体系的性能,结果表明,LED激发光源稳定,检测器重复性好,可用于微流控芯片毛细管电泳分析检测,基本实现了LED诱导荧光检测器的微型化.     

基于Ag-PDMS复合导电材料的微流控芯片3D电极的制备

提出一种利用Ag粉和聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)制成的复合材料加工微流控芯片3D电极的方法。选取导电性良好的银粉作为填料物,透明性良好和生物兼容的PDMS作为基体。将Ag颗粒表面改性后,用超声法、机械共混法相结合的方法与PDMS混合加工形成一种新型Ag-PDMS复合导电材料。分析了Ag粉的形貌、粒径、填料比例与复合材料电阻率的关系,结果表明当选取粒径为1μm片状Ag颗粒作为填料物,填料质量分数为86%时,Ag-PDMS复合导电材料的导电性能最好。最后利用软光刻方法,经过曝光、显影、填充、固化和剥离等过程,制备了3D电极。实验证明,该方法可以成功制备Ag-PDMS复合导电材料微流控芯片3D电极,对微流控芯片电极的制备有重要意义。     

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.