本文選題：PDMS氣壓驅(qū)動(dòng)微閥　切入點(diǎn)：電磁微閥　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：近年來,微流控芯片實(shí)現(xiàn)了由簡單的操作單元組成到超大規(guī)模集成的飛躍,在生物和化學(xué)分析中得到了越來越多的成功應(yīng)用。但是,氣動(dòng)微流控芯片外部氣壓控制系統(tǒng)中常規(guī)尺寸電磁閥組的體積遠(yuǎn)大于微流控芯片本身,且所需的數(shù)量多,價(jià)格高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其所使用的硬質(zhì)材料與氣動(dòng)微流控芯片連接困難,使得微流控芯片沒有實(shí)現(xiàn)真正意義上的微型化和集成化。因此,設(shè)計(jì)體積小、便于攜帶且能作為微流控芯片外部控制模塊的電磁微閥是十分必要的。此外,由電磁微閥所控制的片上膜閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及流量特性等研究仍不完善。因此本文提出一種聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)氣壓驅(qū)動(dòng)微閥,對(duì)于縮小芯片外部氣壓控制閥尺寸和提高膜閥閥控精度是十分必要的。本文提出一種采用高速電磁驅(qū)動(dòng)方式和PDMS閥體材料的片外電磁微閥,與片上膜閥組成PDMS氣壓驅(qū)動(dòng)微閥。通過建立PDMS氣壓驅(qū)動(dòng)微閥閥芯驅(qū)動(dòng)力、閥膜彈性變形力及微流道內(nèi)氣、液流體動(dòng)力之間的多物理場耦合數(shù)學(xué)模型,研究了單個(gè)電磁微閥的閥芯位移動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、動(dòng)態(tài)流量特性、流量-占空比特性和流量-壓差特性以及三通微閥PWM占空比-負(fù)載壓力特性,得出了電磁微閥流量與激勵(lì)脈寬占空比、閥芯位移、閥口壓差之間的關(guān)系。對(duì)氣動(dòng)微驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)腔充、排氣過程中體積、壓力變化過程進(jìn)行了仿真分析,研究了PDMS驅(qū)動(dòng)薄膜變形特性、氣動(dòng)微驅(qū)動(dòng)器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,得出電磁微閥脈寬調(diào)制占空比、驅(qū)動(dòng)腔壓力與膜閥流量之間的關(guān)系。在微結(jié)構(gòu)模具制備技術(shù)和PDMS表面特性研究基礎(chǔ)上,提出了負(fù)性感光干膜光刻膠模具制備方法、PDMS軟刻蝕復(fù)膜技術(shù)、不同PDMS配比與表面空氣等離子體處理相結(jié)合的閥體封裝方法。對(duì)電磁微閥進(jìn)行了性能試驗(yàn)研究,包括閥體封接強(qiáng)度、閥膜疲勞、閥芯驅(qū)動(dòng)力、閥芯動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間以及靜、動(dòng)態(tài)流量特性,驗(yàn)證了電磁微閥滿足體積、工作壓力、流量和響應(yīng)速度等多個(gè)性能指標(biāo)。對(duì)PDMS驅(qū)動(dòng)薄膜變形特性、驅(qū)動(dòng)腔壓力動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、流量特性進(jìn)行試驗(yàn)研究和分析,并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)膜閥流量模型進(jìn)行修正,利用體式顯微鏡對(duì)膜閥的液流流量特性進(jìn)行了觀測并驗(yàn)證其工作可靠性。針對(duì)驅(qū)動(dòng)腔體積可變特性和電磁微閥響應(yīng)特性,提出了采用BangBang+k+PWM復(fù)合控制方法對(duì)驅(qū)動(dòng)腔壓力進(jìn)行控制。對(duì)驅(qū)動(dòng)腔壓力采用Bang-Bang、k+PWM控制方法進(jìn)行試驗(yàn)研究,分析了不同上、下閾設(shè)定值和PWM載波頻率、載波幅值對(duì)階躍響應(yīng)時(shí)間、壓力穩(wěn)態(tài)精度和壓力脈動(dòng)的影響。在對(duì)兩種控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)研究和分析的基礎(chǔ)上,研究采用復(fù)合控制方法對(duì)驅(qū)動(dòng)腔壓力進(jìn)行控制。通過試驗(yàn)結(jié)果比較,驗(yàn)證了復(fù)合控制方法的有效性。提出了一種結(jié)構(gòu)簡單的片上氣動(dòng)微混合芯片和其弧形橫截面液體流道模具高溫回流制備方法。對(duì)三層氣動(dòng)微混合芯片的封裝進(jìn)行了研究,利用表面輪廓儀對(duì)弧形橫截面液體流道陽模的表面型貌進(jìn)行了檢測,研究了回流溫度、烘烤時(shí)間和微結(jié)構(gòu)寬度對(duì)正性光刻膠AZ50-XT陽模的弧化程度。給出了利用RGB(Red,green,blue)色彩模型、灰度轉(zhuǎn)換模型和方差方程對(duì)微混合腔內(nèi)不同試劑的混合程度分析方法,利用氣動(dòng)微閥對(duì)驅(qū)動(dòng)腔壓力大小和振動(dòng)頻率進(jìn)行控制,使微混合腔內(nèi)兩種試劑充分混合,并與自然對(duì)流混合效率進(jìn)行對(duì)比,研究了PDMS氣壓驅(qū)動(dòng)微閥驅(qū)動(dòng)氣壓和不同振動(dòng)頻率對(duì)混合效率的影響。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TH138.52

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本文編號(hào)：1701205