【摘要】：近年來(lái),微流控芯片技術(shù)得到了迅速的發(fā)展,在生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、制造等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。微流體芯片的核心是對(duì)微流體操控。微流控芯片中的微閥能夠微通道中流體的換向和開關(guān)功能,氣動(dòng)微閥將壓縮氣體作為動(dòng)力源,因具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于集成等優(yōu)點(diǎn)得到了較廣泛的應(yīng)用。所以,氣動(dòng)微閥的研究在微流控系統(tǒng)的研究中具有十分重要重要的意義。本文以薄膜式氣動(dòng)微閥為研究對(duì)象,從工作機(jī)理、微流體流動(dòng)特性分析、膜片變形的動(dòng)力學(xué)分析、微閥的設(shè)計(jì)、制造、封裝和微閥的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)等方面完成了一系列的研究。主要研究?jī)?nèi)容如下:首先,闡述了微流控技術(shù)在即時(shí)檢測(cè)、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)芯片產(chǎn)物的檢測(cè)與分析及納米材料合成中的應(yīng)用。介紹了微流控芯片的常用加工制造方法及芯片的封裝方法。并在此基礎(chǔ)上,詳細(xì)綜述了微尺度流動(dòng)理論和微流控芯片技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。其次,結(jié)合常開型微閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及微通道中流體的層流特性,綜合考慮控制通道的氣體驅(qū)動(dòng)力、PDMS膜片的變形和液體通道中流體之間的多物理場(chǎng)耦合,建立了薄膜式氣動(dòng)微閥膜片的數(shù)學(xué)模型耦合動(dòng)力模型。提出了氣閥作為微流控芯片中關(guān)鍵的執(zhí)行器件的主要性能指標(biāo),利用以有限元法為基礎(chǔ)的多物理場(chǎng)建模軟件COMSOL Multiphysics進(jìn)行數(shù)值分析,并對(duì)各個(gè)模型分別采用壓力入口和速度入口驅(qū)動(dòng)方式,分析了微流道內(nèi)流體的流動(dòng)特性和膜片的受力變形情況,在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種可以減小膜片變形過程的應(yīng)力集中波形膜,并對(duì)膜片進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。再次,綜合傳統(tǒng)的微流控芯片的加工技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn),提出了一種以UV樹脂(光敏樹脂)為材料結(jié)合光固化3D打印技術(shù)。制作出能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求的帶有微通道結(jié)構(gòu)的微流控芯片。綜合了傳統(tǒng)的微流控芯片封裝技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種針對(duì)氣動(dòng)微閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的可逆封裝方式,為后續(xù)的理論和實(shí)驗(yàn)研究提供基礎(chǔ)。最后,搭建了一種氣動(dòng)微閥的壓力流量特性及響應(yīng)特性的測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),通過恒壓泵與注射泵兩種不同驅(qū)動(dòng)設(shè)備完成了對(duì)氣動(dòng)微閥進(jìn)行了壓力流量測(cè)試,實(shí)現(xiàn)了在不同液體通道驅(qū)動(dòng)方式下微閥的壓力流量測(cè)試實(shí)驗(yàn),并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了運(yùn)用于氣動(dòng)微閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)方案,完成了對(duì)氣動(dòng)微閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的測(cè)試。
【學(xué)位授予單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN492
【圖文】：

圖 1.1 芯片實(shí)驗(yàn)室示意圖Fig.1.1 Chip Lab schematic，微流控芯片技術(shù)以微機(jī)電加工的方式將中，從而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的生物或者化學(xué)實(shí)驗(yàn)室、分離和檢測(cè)等。微流控芯片將眾多的單分析數(shù)百個(gè)樣品，工作效率極高。同時(shí)，和分析功能。進(jìn)而減少污染、降低干擾和處理和即用即棄的特點(diǎn)，近幾年來(lái)已經(jīng)逐、材料、電子、機(jī)械等學(xué)科交叉結(jié)合的研片技術(shù)在若干領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)單元的尺寸的減小，如何對(duì)微尺度下的流術(shù)。在微流控芯片中，各個(gè)微單元之間的，有效地解決微尺度下微流控芯片中流體芯片的難點(diǎn)。在微尺度表面力的影響下，

圖 1.2 薄膜式氣動(dòng)微閥工作原理圖Fig.1.2 Working principle of thin film pneumatic micro valve本文的研究對(duì)象薄膜式氣動(dòng)微閥作為有源微閥的一種，具有易于集成、可靠性高、結(jié)果簡(jiǎn)單、動(dòng)力清潔無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在微流控芯片中得到了廣泛的應(yīng)用。如圖 1.2 所示，集成于微流控芯片的薄膜式氣動(dòng)微閥，利用外接壓縮氣體（或負(fù)壓）作為致動(dòng)力驅(qū)動(dòng)微閥對(duì)微流體進(jìn)行控制，在氣體通道中通入一定壓力（或流量）的氣體，彈性 PDMS 膜片在氣體壓力驅(qū)動(dòng)下發(fā)生變形，膜片彎向液體通道隨著供氣壓力的增大，膜片的變形逐漸增大直至微閥關(guān)閉。從而液體通道截至，起到開關(guān)或者換向作用。薄膜式氣動(dòng)微閥內(nèi)部的微流動(dòng)是典型的壓差流動(dòng)，在微流控芯片設(shè)計(jì)中，壓力梯度、流體流量和能量損失之間的聯(lián)系是微流芯片設(shè)計(jì)中重要的問題。氣動(dòng)微閥中控制氣道是寬淺型狹縫通道，狹縫微通道流動(dòng)可以近似為壓力梯度作用下的Poiseuille 流動(dòng)；而本文被控液體微通道為半橢圓形等截面長(zhǎng)直管，其流動(dòng)特征只有沿流向的速度，由于流道特征尺度非常小導(dǎo)致雷諾數(shù) Re 趨于零，當(dāng)氣道流動(dòng)

節(jié)約檢測(cè)費(fèi)用。微流控芯片小型化、一體化的特點(diǎn)，以及自動(dòng)化的特點(diǎn)是非常適合的 POC檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。對(duì)臨床檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)化具有重要意義。近年來(lái)，它已成為 POC技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。Easley 等采用了蠕動(dòng)泵和 PDMS 閥來(lái)制備集核酸提取、PCR 擴(kuò)增和毛細(xì)管電泳整個(gè)過程的檢測(cè)芯片[4]，如圖 1.3(a)所示。Zenhausern 等人用電化學(xué)泵和石蠟型熱力閥制作了一種 DNA 微流體檢測(cè)系統(tǒng)[5,6]。Lee 使用真空泵和硅膠薄膜檢測(cè)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)線粒體 DNA 變異和 HIV-1 病毒的檢測(cè)[7,8]。如圖 1.3(b)所示。Zhou 采用聚苯乙烯取代傳統(tǒng)的 PDMS 作為微流控芯片的材料，設(shè)計(jì)了一種利用分層技術(shù)并行檢測(cè)四種傳染病病原體的檢測(cè)芯片[9,10]。Oblath 采用嵌入式氧化鋁膜提供 PCR 擴(kuò)增過程所需要的溫度條件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)唾液中致病菌的檢測(cè)[11]Liu 在樣品前處理階段使用生物素標(biāo)記和特殊修飾磁珠捕捉 DNA，大大提高了PCR 擴(kuò)增效率[12-14]。Chen 等人將樣品前處理，PCR 分析和免疫層析試紙條檢測(cè)相結(jié)合，檢測(cè)唾液 HIV RNA 含量[15]，如圖 1.4 所示。

【參考文獻(xiàn)】

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1 王成法;劉嘉夫;宋永欣;潘新祥;;一種基于誘導(dǎo)電滲流的微型換向閥[J];機(jī)械設(shè)計(jì)與研究;2015年02期

2 曹劍;唐建忠;朱笑叢;;熱致動(dòng)微型閥膜片的仿真分析及工藝設(shè)計(jì)[J];液壓與氣動(dòng);2014年01期

3 林曉梅;張銘;;PDMS微流控芯片加工技術(shù)研究[J];長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2013年02期

4 楊博淙;王伯雄;秦W

本文編號(hào)：2796117