微流控中气动微阀的工作机理研究及设计制造
发布时间：2020-08-18 10:36
【摘要】：近年来,微流控芯片技术得到了迅速的发展,在生物、化学、医学、制造等领域得到了广泛的应用。微流体芯片的核心是对微流体操控。微流控芯片中的微阀能够微通道中流体的换向和开关功能,气动微阀将压缩气体作为动力源,因具有动态响应快、结构简单、易于集成等优点得到了较广泛的应用。所以,气动微阀的研究在微流控系统的研究中具有十分重要重要的意义。本文以薄膜式气动微阀为研究对象,从工作机理、微流体流动特性分析、膜片变形的动力学分析、微阀的设计、制造、封装和微阀的性能测试实验等方面完成了一系列的研究。主要研究内容如下:首先,阐述了微流控技术在即时检测、聚合酶链式反应、聚合酶链式反应芯片产物的检测与分析及纳米材料合成中的应用。介绍了微流控芯片的常用加工制造方法及芯片的封装方法。并在此基础上,详细综述了微尺度流动理论和微流控芯片技术的国内外研究现状。其次,结合常开型微阀的结构特点及微通道中流体的层流特性,综合考虑控制通道的气体驱动力、PDMS膜片的变形和液体通道中流体之间的多物理场耦合,建立了薄膜式气动微阀膜片的数学模型耦合动力模型。提出了气阀作为微流控芯片中关键的执行器件的主要性能指标,利用以有限元法为基础的多物理场建模软件COMSOL Multiphysics进行数值分析,并对各个模型分别采用压力入口和速度入口驱动方式,分析了微流道内流体的流动特性和膜片的受力变形情况,在此基础上,设计了一种可以减小膜片变形过程的应力集中波形膜,并对膜片进行了动力学分析。再次,综合传统的微流控芯片的加工技术的优缺点,提出了一种以UV树脂(光敏树脂)为材料结合光固化3D打印技术。制作出能够满足实验要求的带有微通道结构的微流控芯片。综合了传统的微流控芯片封装技术的优缺点,设计了一种针对气动微阀结构特点的可逆封装方式,为后续的理论和实验研究提供基础。最后,搭建了一种气动微阀的压力流量特性及响应特性的测试实验系统,通过恒压泵与注射泵两种不同驱动设备完成了对气动微阀进行了压力流量测试,实现了在不同液体通道驱动方式下微阀的压力流量测试实验,并在此基础上设计了运用于气动微阀的动态响应测试实验方案,完成了对气动微阀的动态响应特性的测试。
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN492
【图文】：
图 1.1 芯片实验室示意图Fig.1.1 Chip Lab schematic，微流控芯片技术以微机电加工的方式将中，从而实现传统的生物或者化学实验室、分离和检测等。微流控芯片将众多的单分析数百个样品，工作效率极高。同时，和分析功能。进而减少污染、降低干扰和处理和即用即弃的特点，近几年来已经逐、材料、电子、机械等学科交叉结合的研片技术在若干领域得到了越来越广泛的应单元的尺寸的减小，如何对微尺度下的流术。在微流控芯片中，各个微单元之间的，有效地解决微尺度下微流控芯片中流体芯片的难点。在微尺度表面力的影响下，
图 1.2 薄膜式气动微阀工作原理图Fig.1.2 Working principle of thin film pneumatic micro valve本文的研究对象薄膜式气动微阀作为有源微阀的一种，具有易于集成、可靠性高、结果简单、动力清洁无污染的优点，已经在微流控芯片中得到了广泛的应用。如图 1.2 所示，集成于微流控芯片的薄膜式气动微阀，利用外接压缩气体（或负压）作为致动力驱动微阀对微流体进行控制，在气体通道中通入一定压力（或流量）的气体，弹性 PDMS 膜片在气体压力驱动下发生变形，膜片弯向液体通道随着供气压力的增大，膜片的变形逐渐增大直至微阀关闭。从而液体通道截至，起到开关或者换向作用。薄膜式气动微阀内部的微流动是典型的压差流动，在微流控芯片设计中，压力梯度、流体流量和能量损失之间的联系是微流芯片设计中重要的问题。气动微阀中控制气道是宽浅型狭缝通道，狭缝微通道流动可以近似为压力梯度作用下的Poiseuille 流动；而本文被控液体微通道为半椭圆形等截面长直管，其流动特征只有沿流向的速度，由于流道特征尺度非常小导致雷诺数 Re 趋于零，当气道流动
节约检测费用。微流控芯片小型化、一体化的特点，以及自动化的特点是非常适合的 POC检测技术的发展。对临床检测技术的优化具有重要意义。近年来，它已成为 POC技术领域的研究热点。Easley 等采用了蠕动泵和 PDMS 阀来制备集核酸提取、PCR 扩增和毛细管电泳整个过程的检测芯片[4]，如图 1.3(a)所示。Zenhausern 等人用电化学泵和石蜡型热力阀制作了一种 DNA 微流体检测系统[5,6]。Lee 使用真空泵和硅胶薄膜检测芯片来实现线粒体 DNA 变异和 HIV-1 病毒的检测[7,8]。如图 1.3(b)所示。Zhou 采用聚苯乙烯取代传统的 PDMS 作为微流控芯片的材料，设计了一种利用分层技术并行检测四种传染病病原体的检测芯片[9,10]。Oblath 采用嵌入式氧化铝膜提供 PCR 扩增过程所需要的温度条件，实现了对唾液中致病菌的检测[11]Liu 在样品前处理阶段使用生物素标记和特殊修饰磁珠捕捉 DNA，大大提高了PCR 扩增效率[12-14]。Chen 等人将样品前处理，PCR 分析和免疫层析试纸条检测相结合，检测唾液 HIV RNA 含量[15]，如图 1.4 所示。
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN492
【图文】：
图 1.1 芯片实验室示意图Fig.1.1 Chip Lab schematic，微流控芯片技术以微机电加工的方式将中，从而实现传统的生物或者化学实验室、分离和检测等。微流控芯片将众多的单分析数百个样品，工作效率极高。同时，和分析功能。进而减少污染、降低干扰和处理和即用即弃的特点，近几年来已经逐、材料、电子、机械等学科交叉结合的研片技术在若干领域得到了越来越广泛的应单元的尺寸的减小，如何对微尺度下的流术。在微流控芯片中，各个微单元之间的，有效地解决微尺度下微流控芯片中流体芯片的难点。在微尺度表面力的影响下，
图 1.2 薄膜式气动微阀工作原理图Fig.1.2 Working principle of thin film pneumatic micro valve本文的研究对象薄膜式气动微阀作为有源微阀的一种，具有易于集成、可靠性高、结果简单、动力清洁无污染的优点，已经在微流控芯片中得到了广泛的应用。如图 1.2 所示，集成于微流控芯片的薄膜式气动微阀，利用外接压缩气体（或负压）作为致动力驱动微阀对微流体进行控制，在气体通道中通入一定压力（或流量）的气体，弹性 PDMS 膜片在气体压力驱动下发生变形，膜片弯向液体通道随着供气压力的增大，膜片的变形逐渐增大直至微阀关闭。从而液体通道截至，起到开关或者换向作用。薄膜式气动微阀内部的微流动是典型的压差流动，在微流控芯片设计中，压力梯度、流体流量和能量损失之间的联系是微流芯片设计中重要的问题。气动微阀中控制气道是宽浅型狭缝通道，狭缝微通道流动可以近似为压力梯度作用下的Poiseuille 流动；而本文被控液体微通道为半椭圆形等截面长直管，其流动特征只有沿流向的速度，由于流道特征尺度非常小导致雷诺数 Re 趋于零，当气道流动
节约检测费用。微流控芯片小型化、一体化的特点，以及自动化的特点是非常适合的 POC检测技术的发展。对临床检测技术的优化具有重要意义。近年来，它已成为 POC技术领域的研究热点。Easley 等采用了蠕动泵和 PDMS 阀来制备集核酸提取、PCR 扩增和毛细管电泳整个过程的检测芯片[4]，如图 1.3(a)所示。Zenhausern 等人用电化学泵和石蜡型热力阀制作了一种 DNA 微流体检测系统[5,6]。Lee 使用真空泵和硅胶薄膜检测芯片来实现线粒体 DNA 变异和 HIV-1 病毒的检测[7,8]。如图 1.3(b)所示。Zhou 采用聚苯乙烯取代传统的 PDMS 作为微流控芯片的材料，设计了一种利用分层技术并行检测四种传染病病原体的检测芯片[9,10]。Oblath 采用嵌入式氧化铝膜提供 PCR 扩增过程所需要的温度条件，实现了对唾液中致病菌的检测[11]Liu 在样品前处理阶段使用生物素标记和特殊修饰磁珠捕捉 DNA，大大提高了PCR 扩增效率[12-14]。Chen 等人将样品前处理，PCR 分析和免疫层析试纸条检测相结合，检测唾液 HIV RNA 含量[15]，如图 1.4 所示。
【参考文献】
相关期刊论文 前10条
1 王成法;刘嘉夫;宋永欣;潘新祥;;一种基于诱导电渗流的微型换向阀[J];机械设计与研究;2015年02期
2 曹剑;唐建忠;朱笑丛;;热致动微型阀膜片的仿真分析及工艺设计[J];液压与气动;2014年01期
3 林晓梅;张铭;;PDMS微流控芯片加工技术研究[J];长春工业大学学报(自然科学版);2013年02期
4 杨博淙;王伯雄;秦W
本文编号：2796117
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