基于介电电泳的粒子分离微流控芯片的研究

文中制备了一种用于粒子分离的介电电泳微流控芯片,利用粒子介电性质不同实现粒子批量、高效分离。采用MEMS工艺,由光刻有电极的ITO玻璃基底和PDMS微通道制备而成。在此基础上,测定了当缓冲溶液的电导率为1μS/cm、交流信号电压为10 V时聚苯乙烯小球和酵母菌的正负介电泳响应,确定了两种微粒的分离条件:酵母菌细胞在1~50 k Hz时表现负介电泳响应,50 k Hz~5 MHz时表现正介电泳响应,50 k Hz为交叉频率;聚苯乙烯小球在1 k Hz~5 MHz始终表现负介电泳响应。选取10 V、5 MHz交流电压信号作为分离条件,对直径均为5μm的聚苯乙烯小球和酵母菌进行了分离,分离效率达到92.4%。     

集成阻抗识别的介电泳芯片设计及其关键工艺

以微粒的阻抗识别为目的,设计出一种三维网格阵列微电极传感器.传感器将介电泳分离与阻抗识别集成在同一芯片上.首先通过介电泳将微粒中的一种分离至测试区域,再通过阻抗信号描述微粒特性.针对芯片关键区域,提出了调节SU8曝光时间以提高阻抗测试有效信号的工艺解决方案.实验表明,SU8最佳曝光时间为70 s.对芯片性能的相关实验表明,芯片可对不同直径的乳胶微粒进行介电泳分离与阻抗识别.     

交流电热流场对微纳粒子介电泳行为的影响

以叉指电极阵列为例,分别建立对称物理场、非对称物理场和行波物理场的有限元模型,求解三种情况物理场下微通道中的电场、流场、温度场和介电泳力的分布,分析交流电热流场的对流与传质过程对流场中微纳粒子介电泳的影响规律和干预方式。结果表明,对称物理场和非对称物理场内部均产生漩涡式扰动,增强了流场的对流与传质,可将处于介电泳有效作用范围之外的微纳粒子输送至电极附近区域,扩展了介电泳的实际有效作用区域。行波叉指电极阵列构建的流场则无明显漩涡,但行波物理场中介电泳力的衰减较慢,电极厚度60倍高度处衰减为10%,显著提高了对微纳粒子的操控和输送能力。     

低电压驱动毛细管电泳芯片电势分布的数值计算

低电压驱动阵列电极式毛细管电泳芯片是针对毛细管电泳芯片分离电压高、系统体积庞大的缺点,在原有芯片的结构上进行改进的电泳芯片.通过建立数学模型,计算了设置阵列电极后毛细管电泳微沟道内的电势分布,并与常规进样条件下微沟道内的电势分布进行比较,结果表明该方法可以使分离电压大幅度下降.     

介电电泳细胞分析芯片结构设计及富集效率优化

为了研制高富集效率的介电电泳细胞分析芯片,首先从介电电泳力出发,推导了悬浮细胞所受的介电电泳力公式。通过对比常规微电极的电场强度分布,选择叉指式阵列微电极构建介电电泳芯片;通过模拟不同结构参数下微通道中的电场分布对芯片结构参数进行优化设计。针对Hep G2肝癌细胞,分别分析了细胞受介电电泳力、流体力以及重力作用下的运动情况,获得了Hep G2肝癌细胞富集的初步优化条件。为了对模拟结果进行验证,采用微加工技术制作了介电电泳细胞分析芯片。以Hep G2肝癌细胞为待测样品,当芯片所施加正弦交流电压为5 V,频率为4 MHz时,获得了88.89%的富集效率。     

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.     

基于介电泳的细胞介电参数测试芯片机理的数值分析

设计一种集成四极式微电极组和螺旋微电极组的介电泳(Dielectrophoresis, DEP)细胞介电参数测试芯片,在芯片上集成了细胞的常规介电泳(Conventional DEP, CDEP)、行波介电泳(Travelling-wave DEP, TWDEP)和电旋转介电泳(Electrorotation, EROT)测试功能。运用相量法建立交流电场中细胞所受的常规介电泳力、行波介电泳力和介电泳旋转转矩的计算模型,推导出细胞水平速度和自旋角速度的表达式,并对本芯片的CDEP因子、TWDEP因子及EROT因子的大小和方向及细胞运动速度进行数值模拟并结合文献中的试验数据进行对比论证。结果表明：在高度大于20 m的区域,细胞沿螺旋电极径向的行进速度与细胞有效极化率的实部和虚部都相关,而细胞悬浮高度仅与有效极化率的实部相关;另一方面,电旋转最佳测试区域为近似正方形区域且每条边的中点均处于邻近的电极顶尖与电极腔中心连线的中点之上,此区域内的介电泳转矩变化量小于5%且介电泳力最小,利于电旋转测量。因此,本测试芯片能够通过多种介电泳模式更为全面、准确地获取细胞的介电特性信息。     

介电泳辅助的药物洗脱支架载药机理

针对微探针型药物洗脱支架局部载药的特殊要求,提出基于介电泳自组织的载药新方法。首先根据介电泳装配原理,建立介电泳辅助的药物洗脱支架载药模型,并结合量纲一介电泳力及粒子运动控制方程,对解空间内介电泳力分布及粒子运动轨迹进行有限元模拟,讨论粒子相对电极位置及布朗运动对其装配效率的影响,在理论上证明基于介电泳装配的载药方案完全可行。最后在数值模拟的基础上,通过支架表面尖端载药测试平台,对理论预测进行了试验验证。试验结果表明：在去离子水中,当电压峰—峰值为10 V,频率处于0.1～1.0 MHz范围内时,直径4.4 mm的乳胶颗粒在正介电泳力作用下向尖端聚集,且当频率约为500 kHz时,其粒子运动速度达到最大。     

微全分析系统中的介电泳技术发展

近年来,在微全分析系统成为环境监测、生物、医学、药学等学者孜孜以求的目标的背景下,由电泳技术发展起来的介电泳技术作为微全分析系统的组成部分,成为微粒分离、捕捉和操纵的热门技术之一,吸引着学者们的关注.通过介绍介电泳技术的研究内容、发展现状和应用,旨在剖析介电泳芯片的发展趋势.     

低电压驱动阵列电极式毛细管电泳芯片的研究

本文介绍了一种低电压驱动阵列电极式毛细管电泳芯片.在玻璃基片上溅射铂电极,在盖片上刻蚀毛细管电泳微沟道,以热键合的方法封接基片和盖片,并利用电极电压控制进行了电动进样实验.结果表明,本文设计制作的低电压驱动阵列电极式毛细管电泳芯片,可较大幅度地降低进样电压.     

棱镜转镜Q开关的驱动设计及稳定性分析

在转镜Q开关的设计中,除要求转镜具有高转速与连续可调性外,还要求具有非常高的稳定性,因此高速电机及其驱动控制系统的设计至关重要。实验中设计了三相变频控制的高速电机,并设计了控制高速电机的变频驱动系统。分析和测试表明：所设计的高速电机驱动系统性能优良且工作稳定,电机在转速达到60.8KRPM之前,无抖动现象,可平稳转动,能实现转镜Q开关的快速关断。采用所设计的棱镜转镜Q开关应用于DPSSL中,在转速为43KRPM时,实现了14 KHz高重复频率大功率快速关断能力的Q开关技术,获得百纳秒以下的脉宽输出,这是目前转镜技术得到的最佳结果。     

敞开式离子源和微型气泵集成的微型针-柱放电结构芯片设计与实验分析

采用LIGA(Lithographie,Galvanoformung,Abformung)工艺设计加工了一种微型针-柱放电结构芯片,可实现敞开式离子源和微型气泵的系统集成。此微型放电结构由采用电镀铜加工而成的针电极、上圆柱电极和下圆柱电极组成,针-柱间距有1mm、2mm两种规格。在室温、大气压环境、无外界通入气流的条件下,通过在针-柱电极上加载负直流高压,可产生稳定的气体放电。利用风速计testo 405-V1测量芯片气体放电产生的离子风风速,结果表明针-柱间距为2mm时产生的离子风流速最大,可达0.79m/s。对针-柱间距2mm规格的微型芯片进行乙酸进样电离实验,当针-柱之间产生稳定的电晕放电后,可发现位于芯片出口处已被去离子水润湿的PH试纸变红。此时利用微弱电流检测系统采集电离产生的离子,当放电电压为-3300V时,通过微弱电流采集系统检测到的电流信号可达120pA。采用LTQ XL离子阱质谱仪,对芯片电离丙酮、无水乙醇和乙酸乙酯的离子产物进行检测,所得到的主要物质为质子化单体离子和二聚物离子。放电产生离子风风速以及乙酸的进样和电离实验表明,基于LIGA的微型针-柱结构芯片可实现大气压环境下敞开式离子源和微型气泵的双重功能。     

嵌入式多机协调吊装控制系统设计与研究

在考虑A／D检测精度、电机驱动和集成度等因素基础上，设计了以ADuC812为主控芯片，8253为PWM产生芯片，L298为驱动芯片，EPMT128为接口芯片并具有吊装物体姿态检测、吊索拉力检测、电机伺服驱动和机器人控制功能的嵌入式控制系统。同时，给出了系统硬件框图、部分软件代码和上住机控制界面。进行的机器人协调吊装和直升机升力测试实验表明，本嵌入式控制系统具有运行稳定，功能定制，可靠性高和通用性强等特点。     

快递分拣机器人控制系统的设计

为提高快递分拣效率,设计了一种基于OpenMV机器视觉模块的快递分拣机器人控制系统。在这一控制系统中,通过机器视觉技术实现快递件的轮廓识别、定位、扫码及分类,将STM32单片机作为运动控制核心,外接传感器感知机器人的状态,基于串口与机器视觉模块双向通信,实现对放置在地面的快递件进行自动分拣。通过制作样机验证了设计的合理性与可行性。     

基于单片机的步进电机驱动

介绍基于AT89C51单片机的步进电机软件环分驱动,其控制电路新颖、简洁、组合方便,能够帮助学生理解单片机和步进电机的原理、特点和驱动方法。     

缸盖垫片分选的单片机控制

介绍了单片机在缸盖垫片分选中的应用，分析了电气控制系统的构成，工作原理及其软硬件的设计。以单片机为核心开发的该控制系统能对缸盖垫片的厚度进行自动分选，从而保证了缸盖垫片的分选精度，提高了分选效率。     

基于蚁群算法的LED分拣路径优化

提出基于蚁群算法对LED芯片分拣路径进行优化。对分拣工作芯片块间移动策略进行分析,降低盘片变形。在此基础上采用蚁群算法,建立分拣路径的全连接无向图并对分拣时间、分拣路径模型进行建模和优化。对蚂蚁数量、蚁群算法的时间复杂度、信息素挥发因子等参数进行优化。试验表明,该方法与传统方法相比能够缩短分拣时间,提高效率,为LED芯片分拣路径规划提供了一种有效的方法。     

缸盖垫片厚度非接触测量系统的研究

缸盖垫片是冰箱压缩机的一个密封件,对其厚度尺寸的测量和分选是装配前的一道关键工序。由于缸盖垫片质软轻薄,若采用接触式测量,则垫片易受测力的影响,测量精度无法保证。为此采用一种集光电测量技术、单片机应用技术于一体的非接触式测量系统对缸盖垫片的厚度进行自动检测和分选。本文介绍了激光扫描测量原理和单片机控制的测量系统及其软硬件的设计。以单片机为核心开发的该控制系统能对缸盖垫片的厚度进行自动测量,从而保证了缸盖垫片厚度的测量精度。     

某机新型供氧设备试验器测控软件设计

基于C语言设计了某供氧设备试验器的测控软件。设计分为主、从单片机两大模块,主单片机控制程序主要完成与触摸屏间通信的串口中断处理以及对从单片机发来的检测数据的处理与转换;从单片机主要驱动A/D芯片完成氧气流量、压力等多个传感器信号的模数转换,并通过并口将检测数据发送到主单片机。采用串口中断方式保证了软件系统对触摸屏控制指令和检测数据处理的适时性,将两个软件模块分别交付主、从单片机分别协同完成,显著提高了系统的测控速度和效率。     

差动往复式微型电火花加工装置的研究

针对电火花加工技术的特点及超声波电动机驱动技术的特性,研制了基于线性步进式超声波电动机的差动往复式微型电火花加工装置,分析了该装置的工作原理,提出了电极差动往复式移动的驱动控制方法,实现了电极的差动往复式进给.该装置的外形尺寸为45mm×20mm×40mm.试验结果表明,该装置适合小孔电火花加工.