基于MEMS的微流体机械研究进展

介绍了近十年特别是近三年以来微流动系统研究的最新成果，具体介绍了新型微加速度计、微泵、微喷、微阀、微通道及微系统的结构、原理及应用情况，并对微流动系统研究中存在的问题和发展方向作了简述。     

微流体控制系统研究及其应用前景

微流体控制系统是随着微机电系统的发展而迅速发展起来的研究领域。详细介绍了微流体控制系统的组成及其各元件的种类、研究发展历程,描述了系统的应用前景以及国内外在该领域的研究状况,提出了重视该领域的研究与应用已迫在眉睫。     

微胶囊流体微通道传热研究进展

相变微胶囊流体因相变潜热大和粒子之间的微对流效应,具有载热密度大,传热温差小的特点,在传热方面具有独特的优势。但其低导热率和高粘度限制了其应用范围。基于微胶囊流体在微通道内不同流动状态下的传热性能及强化微胶囊流体传热方面进行研究进展介绍,并分析总结微胶囊流体在暖通空调及相关领域的应用进展。     

微流体系统中微通道网络成形工艺研究进展

微通道作为微流体系统的重要组成部分,是提高微流动性能的关键因素。现有微通道制作材料包括硅、石英和玻璃等无机材料,以及PDMS、PMMA、PC和环氧树脂等有机材料,而加工工艺主要有湿/干法刻蚀、热压成型、微/纳光刻技术、激光微加工和模塑法等类型。根据不同应用领域中微通道的功能需求和空间布置情况,可将微通道网络分为线性、平面和立体三种类型,综述了不同类型微通道网络成形工艺的国内外研究现状,其中线性和平面微通道网络的制作与成形一般是同时完成的,工艺较成熟,而立体微通道网络需分步实现,难度较大。探讨了现有微通道网络成形工艺的不足和发展趋势。简要介绍了玻璃基仿生微通道及其网络成形工艺研究进展。     

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。     

行波电渗微流体驱动理论模型与实验

为了研究行波电渗(TWEO)微流体驱动,在封闭的微通道内建立了TWEO微流体驱动模型,并进行了仿真和实验研究.根据TWEO驱动原理,分别建立了封闭通道内TWEO微流体驱动电场及流场的数学模型,并对电场及流场问题进行了求解,流场的仿真结果说明了实验测量通道高度2/3处速度的合理性.最后,分析了实验和仿真结果并确定了容抗比例系数.实验及仿真结果表明:电导率分别为1.5 mS/m、7.7 mS/m、16.9 S/m的KCl溶液的容抗比例系数分别为0.05、0.035、0.025,而且电导率与容抗比例系数呈线性关系.结果为进一步研究TWEO及其应用提供了理论基础及实验方法.     

TWEO微流体驱动理论模型与实验研究

为研究行波电渗(TWEO)微流体驱动,在封闭微通道内TWEO微流体驱动进行了仿真和实验分析。根据双电层电荷分布规律,建立了行波电渗微流体驱动理论模型;通过对行波电渗电场和流场问题的求解,获得了封闭通道内流场仿真结果,并与实验结果相比较,验证了相关理论的正确性;对微通道内2/3高度处微流体流速进行仿真与实验结果分析,结果显示电渗流流速与频率的关系满足正态分布,为进一步展开对行波电渗微流体驱动及其在芯片实验室中的应用奠定了基础。     

行波微泵驱动参数对驱动效果的影响

提出一种新型的无阀机械微泵,它依靠微泵管道顶部铺设的压电薄膜阵列产生的超声行波来驱动微管道中的流体。根据超声行波驱动微流体的原理对微泵进行ANSYS有限元建模和CFX流固耦合计算,得到了选定模态下内边长为200μm的方形微泵管道中流体的动力黏度与微泵驱动能力的关系,以及驱动电压幅值和频率对管口流速的影响曲线。结果表明：驱动电压的幅值大小与管口流速成正比,且当驱动频率等于共振频率时驱动效果最明显;当流体动力黏度小于0.001Pa·s时微流体流速随黏度增大而线性增大,之后则缓慢减小。此外,通过CFX后处理得到了微管道中的截面流速矢量图,由矢量图可以看出,在行波驱动作用显著的部分流速分布呈现自微管顶部向下逐渐减慢的特点,而在行波驱动作用极微弱的部分则流速分布近似呈抛物线形状。     

微泵驱动方式比较研究

介绍了国内外微流体系统中微泵的致动原理和结构，分析了各种致动方法的优缺点，对微泵的发展方向做出了展望。     

毛细管基微流体放大系统流体流量分配的研究

微流体在平行通道中的均匀分配是实现微流体控制放量制备粒径单分散性功能微球的重要技术。本研究设计了毛细管基微流体控制放大装置,详细研究了毛细管尺寸、毛细管长度、流体流量以及流体粘度对微流体流量均分的影响。研究结果表明,随着毛细管内径的减小、毛细管长度的增加、流体流量的增大、流体粘度的增加,流体流量分配均匀性更好,即流体流量变异系数(CV)变小。研究获得了描述CV与其影响参数之间关系的经验公式。     

便携式PCR-CE微流体芯片分析仪控制系统设计

本文设计并开发出用于DNA聚合酶链式反应（PCR）和毛细管电泳（CE）分离的微流体芯片分析仪控制系统.本系统采用32位嵌入式微控制器ARM实现PCR扩增所需的3条恒温区的闭环温度控制和毛细管电泳分离功能所需的高压电场自动控制.由于对恒温区温度的精确控制是影响PCR反应的关键因素,因此温度控制系统采用模糊免疫PID算法实现对温度的精确控制,其控制性能优于常规PID控制器.本仪器还包括矩阵式键盘、小型液晶显示屏、串行通信模块和毛细管电泳分离模块.实验结果表明本系统不但完全满足设计要求,而且PCR温度控制更加精确,分析软件功能全面,系统体积小,便于室外使用.     

微能源研究进展述评北大核心

随着微机械加工技术水平和微电子技术水平的提高,微机电系统得到了长足发展,能源供电装置是微机电系统中重要的组成部分,普通能源供电装置存在尺寸大、能量密度低、寿命短等缺点,许多学者都致力于研究新型微能源供电装置。通过分析国内外参考文献,对微能源领域当前研究热点进行介绍,包括:微型锌镍电池、微型锂电池、微型燃料电池、微型太阳能电池、微型同位素电池、微型内燃机、振动驱动微能源、摩擦发电机。多种微能源装置各有特点,重点阐述了每种微能源装置的工作原理、研究现状以及当前研究需要克服的难题,最后概括了微能源装置的未来发展趋势。     

微流体实验技术研究

微流体实验技术的研究是微流体器件发展的迫切需要，它不仅可以提供测量微流体器件性能必备的工具，而且对于探索微观尺度流体的传输机制具有极为重要的意义。文章对微流体实验技术的难点进行了概括，并对几种主要的微流体实验技术进行了讨论，指出流动显示技术由于对流动本身的干扰非常小，而且在一些研究人员的努力下精度得到不断提高，已经成为一种最有潜力的微流体实验技术。     

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。     

负压驱动蠕动微型泵的研究进展

基于负压驱动原理研制了一种结构简单的蠕动微型泵。微型泵由3层聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料,构成气路层、驱动薄膜层和流路层,其全部结构均采用激光器加工制作而成,并通过表面等离子体氧化处理技术实现了各PDMS层之间的键合封装。该微型泵具有流速高、回流低、气泡耐受能力强,以及不伤害传送介质的特点。尤为重要的是,连接负压源的气路层通过PDMS薄膜能有效去除流路中的气泡,这是处理复杂流体样品时所期望的。通过对比前期微型泵的气路通道的流阻、常闭微阀的个数、负压压力和驱动频率等各项参数,获得了其性能参数。在50kPa负压和30Hz驱动频率的条件下,获得的最佳流速为600μL/min,这一流速参数可与正压气动型蠕动泵的流动性能相媲美。     

驱动电压波形修圆对微流体脉冲惯性力和驱动效果的影响

介绍了微流体脉冲驱动-控制技术,分析了微流体脉冲驱动-控制过程,指出在这一过程中影响微流体流动的主要因素是微流道固壁加速度和流体内部的黏性力。采用"椭圆修圆法"对方波驱动电压进行修圆,针对修圆点的位置决定微流体的驱动方向,获得了不同修圆位置和修圆系数的驱动电压修圆波形。通过实验探索了波形修圆对微流道固壁运动加速度、微流体脉冲惯性力和流体驱动效果的影响规律并进行了机理分析。所得流体体积流量可在0～15.4pl/min连续变化,远小于现有的微流体驱动技术。本文的研究成果可为微流体脉冲驱动-控制技术在微流体系统中的进一步应用提供参考。     

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。     

基于液晶引流效应的全新微流体驱动方式

对现有微流体驱动技术中普遍存在的微型化难、驱动力小等缺点,提出液晶引流驱动方式。作为开发该驱动方式的第一步,采用理论计算模拟与辅助试验验证相结合的研究方法,以小分子液晶Leslie-Ericksen理论为基础,对上板处于浮动状态下液晶盒的驱动效果及影响因素进行研究。结果表明,连续方波电场作用下引起的液晶引流效应可以驱动液晶盒上板运动,方波电场频率为1 Hz、有效率为5%时驱动速度最大。液晶分子指向矢倾斜角的旋转范围对驱动效果影响较大,所施加电压对于倾斜角的旋转范围没明显影响,两板间的距离却影响很大。通过选择合适的驱动条件已成功得到90μm/s的高驱动速度。采用显微镜下直接观察液晶盒上板运动情况的方法进行试验验证,结果与理论计算结果定性上十分吻合,定量上试验结果偏小,最大差距出现在电场施加后的第三周期,主要原因是液晶盒制作时初始配向误差,可通过改变配向膜的种类及摩擦条件来改善。     

驱动方式对微流体陀螺仪输出信号的影响

目的：针对微型热对流陀螺仪敏感输出信号非常微弱、不易测量的特点,本文给出了不同驱动方式下输出信号的检测及其对输出信号产生的影响。方法：首先,分析了微流体陀螺仪传感器的工作原理,接着,给出了直流电压驱动和交流电压驱动时的信号检测方案。直流电压驱动时,敏感到直流流速,经过差动电桥放大后,可得到输出电压。交流电压驱动时,可敏感到交流流速,用相干检测方法提取出有用信号,通过低通滤波器、放大器,最终得到直流电压,该电压信号正比于外界输入角速度。结果：实验数据分析可得：直流电压驱动时输出信号线性度为1.62％,零位电压不断升高,交流电压驱动时输出信号的线性度达0.113％,零位电压较稳定。结论：在零位电压稳定性、线性度两方面交流电压驱动方式性能更优。     

数字化无阀微泵内微流体泵送运动的理论解析

对研制出的新型基于微流体数字化技术的数字化无阀微泵的泵送实验现象进行理论分析研究。提出数字化无阀微泵内的微流体概念,该微流体受外加周期性扰动,其边界流和中间流间产生速度差异,由于粘性力、惯性力交替作用,使微流体运动,中间流克服表面张力的作用得以喷射出去,实现数字化无阀微泵泵送。推导了中间流的运动公式,分析认为中间流与边界流存在着滞后效应,调整扰动周期长短,可实现离散流、连续流。