圆截面微通道微流控芯片制作方法及液滴生成机理

发布时间：2020-06-08 03:34

【摘要】：微流控芯片是建立在微纳米尺寸空间内对流体流动进行操控的研究,是近年来微流控领域的新分支,广泛应用于化学、生物、军事等领域。随着芯片制备技术的成熟,已发展了诸如光刻法、注塑法、模塑法、热成型法等多种工艺,然而受制备工艺和手段的限制芯片微流道多以矩形截面为主,存在加工小尺度困难,加工费用昂贵等缺点。在微液滴的生成方面,生成方法有主动法和被动法等多种,包括T型通道法、气动法等,目前类似方法的研究主要建立在矩形截面微通道内,其可控性、流体流动性以及高通量性等都有待提高。本文提出一种基于热变形原理制作的玻璃圆截面微通道和PDMS基底及上盖集成的夹心式T型微流控芯片的结构及制备工艺,并对该芯片中液滴的生成机理研究。该方法改变了传统的加工工艺,加工简单,成本低,并且流体流动性好,减小了液滴尺寸,提高了液滴通量。主要工作为:1、分析了常见的无量纲参数,液滴动力学中微通道的湿润性、接触角和Marangoni效应对液滴生成的影响;建立了各个主要影响参数之间的相互关系,为仿真模型里影响液滴大小因素的分析奠定了理论基础。2、以两相流基本理论为基础,建立液滴生成的数值模型。以T型微通道为基础,分别通过微通道的湿润性、界面张力、连续相粘度、连续相流速以及毛细数等对形成液滴大小的影响进行仿真分析,验证了圆截面微通道内液滴的可控性;以等截面面积为基准,相同物性流体为载体,得出圆截面相比矩形截面微通道内生成液滴直径减小约10μm,验证了圆形截面微通道芯片的优越性。为液滴制备实验中液滴大小的操控提供了参数依据。3、提出一种夹心式圆截面微通道微流控芯片的结构及其制备方法。芯片结构主要包括底板层、通道层、盖板层,其中通道层是通过石蜡微球作为牺牲材料将毛细管连接。搭建了毛细管的拉制平台、石蜡微球的制备平台以及最终制备芯片的实验平台,实现了拉制毛细管直径在10-300μm可控;对实验过程以及涉及的控制参数进行分析,完成了芯片的加工,为后续的液滴制备实验及结果分析提供实验平台基础。4、以自制微流控芯片(R1/R2=250/100μm)开展液滴制备实验。以硅油、去离子水分别作为连续相和分散相进行液滴制备,通过改变连续相粘度和流速等参数,实验获得了不同大小的液滴,尺寸随粘度或流速的增加呈指数型或对数型函数线性变化,液滴直经与理想的仿真结果相比较误差小于10μm,有效的验证了圆截面微通道内生成液滴的可控性以及稳定性,也进一步显现了本文提出的芯片结构的优越性。
【图文】：

多重乳液

杭州电子科技大学硕士学位论文用时应格外注意。比如说，微流控芯片对于具有易发生化学反应和腐蚀性等性质的改变一般比较敏感，所以，应及时注意由于性质的变化给检测能力、电渗性能及后期使用等带来的影响。又如，通道尺寸比较微小，在实验时试剂容易造成微通道的堵塞，，操作时要格外注意。同时，在设计和加工方面也会存在一些流程复杂、周期较长等难题[21]。

三维形状,微液滴

图 1.1 多重乳液的制备图 1.2 微液滴的应用简图1.2 微流控芯片制备技术的研究现状在微全分析系统的概念被提出以后，陆续得到研究者在不同领域的大量研究，其中就包括微流控芯片的制备技术。在常见微流控芯片制备中，不同加工材料对应的加工方法也有很大的差别，目前使用最多的材料是玻璃、硅以及高分子材料，下面对相应的重要加工方法进行介绍。1.2.1 玻璃和硅材料芯片加工方法玻璃和硅是微电子加工中常见的加工材料之一，目前，常见的加工技术方法众多，在微流控芯片制备过程中最常用的有光刻法、刻蚀法和薄膜的制备等方法。光刻主要是在掩模上设计图形，应用曝光原理将图形转移到光胶上的一种工艺[22, 23]。刻蚀工艺主要是对以上描述的光刻技术完成后进行腐蚀，让上述光刻所得到的图形复制到各种薄膜材料上，然后再进行加工，获得满足要求的三维形状结构[24]。刻蚀工艺按照制备流程归类为两类，分别湿法刻蚀与干法刻蚀。湿法刻蚀几乎全部是应用化学刻蚀，即应用化学反应加工[25]。干法刻蚀主要通过在低气压下，气体形成的等离子体进行刻蚀[26]。Simpson 等人[27]在选用的 SchottBorofloat 玻璃上镀上一层保护层，能够加工深度在15μm 的通道；汤扬华等人[28]在蚀刻法加工微通道结束后的玻璃上镀 Cr 等材料，但是这一过程对加工环境要求较高，加工成本也高。在微?
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN492

【参考文献】