基于特异构型微结构的即时检测芯片流动控制

发布时间：2017-04-12 23:02

  本文关键词：基于特异构型微结构的即时检测芯片流动控制，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：微流体控制是即时检测(POCT)芯片的操作核心,芯片内流动控制的精准性直接决定其最终检测的精度。本文基于特异构型微结构设计了波浪形微缓冲器和“锯齿”状微通道,分别实现了POCT芯片中流体进样流速、流型均一化控制,以及微通道内流动前沿弯液面形状、曲率的控制。主要完成了以下研究：(1)基于接触线运动理论,设计了基于特异性波浪构型的微缓冲器。在以毛细力为驱动力的即时检测微流控芯片中,手动注液的不稳定性引起进样流速不一,进而严重影响后续流体控制(如样品流动时间、混合效率),导致最终定量检测精确度低、重现性差。因此设计了波浪形微缓冲器,使通道截面积突然减小,增加样品流出微缓冲器时的出口背压,从而减缓样品流动冲击,起到缓冲作用；共设计了16种不同构型的波浪形微缓冲器,每种构型有3组关键结构参数：波峰高度h,波形个数n、波形深度H。以曝光、干法刻蚀等MEMS加工工艺制作硅模具,并以模板浇筑法和热压法分别制作出PDMS和PMMA微缓冲器实验芯片,对比发现PDMS芯片的结构精度及封合质量均优于PMMA芯片；通过控制h、n、Ⅳ三种关键实验变量,开展了一系列流体进样实验,总结发现通过设计一种简单的波浪形微缓冲器能有效消除微流控POCT芯片的进样冲击；流入缓冲器的样品由纵向流动转变为横向流动,消除了样品注入时的流动紊乱,使液面稳定、流速均一；且当波峰高度h越小、波形个数n越少时,缓冲时间T越长；波形深度H对缓冲效果影响不明显。当波峰高度减少到0.91mrn,波峰高度减小到190¨m时,缓冲时间达到5s-7s；当波形数量减少到5个,缓冲时间增加到8s-10s。(2)基于微尺度流体控制理论,设计了边缘“锯齿状”的微通道,有效消除微通道内流体流动边缘效应。样品在亲水通道内流动时,接触线包裹的弯液面呈凹状,很容易将气泡引入通道,导致通道堵塞或样品混合不均,影响最终定量分析精度。因此设计了边缘“锯齿状”微通道,延长样品在通道边缘的流动路径,同时规律性扩张一收缩的“锯齿”通道可有效控制液面形状和曲率k。共设计了3种三角形、4种半圆及1种梯形构型的“锯齿”。定义路径比r、波长w、扩张角α及相位p用于描述通道边缘结构。以软光刻工艺制作出实验用PDMS芯片。开展流体实验,研究发现作为对照组的直通道内弯液面呈凹状,而其他“锯齿状”通道的流动前沿弯液面为凸状；由于“锯齿的存在,通道内的流动前沿弯液面的形状周期性变化；r、w及a显著影响流动弯液面曲率,相位p影响液面分布的对称性。
【关键词】：微流控 接触角 构型 弯液面
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN492
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 即时检测概述10-11
• 1.2 微流控即时检测芯片11-15
• 1.3 微流控即时检测中流动控制研究现状15-19
• 1.4 本文主要研究内容19-20
• 2 微尺度下的流动控制基本理论20-28
• 2.1 润湿现象21-24
• 2.1.1 Young方程与接触角21-22
• 2.1.2 接触角滞后现象和动态接触角22-24
• 2.2 微通道内的接触线运动理论24-28
• 2.2.1 圆管微通道中的接触线运动24-26
• 2.2.2 矩形微通道26-28
• 3 波浪形微缓冲器的设计、制造及实验28-44
• 3.1 波浪形微缓冲器的设计29-31
• 3.2 波浪形微缓冲器的制造31-37
• 3.2.1 波浪形微缓冲器硅模具的制造31-35
• 3.2.2 基片制造及芯片封合35-37
• 3.3 实验开展37-43
• 3.3.1 实验现象37-38
• 3.3.2 波峰高度-h对缓冲效果的影响38-39
• 3.3.3 波数n对微缓冲器缓冲效果的影响39-40
• 3.3.4 波形深度-H对缓冲时间的影响40
• 3.3.5 实验结论与分析40-43
• 3.4 本章小结43-44
• 4 “锯齿”边缘微通道对流体前沿液面控制研究44-58
• 4.1 通道设计及制造45-48
• 4.2 实验开展48-55
• 4.2.1 实验平台48-49
• 4.2.2 实验现象49-52
• 4.2.3 直通道内的凹状弯液面52
• 4.2.4 波长和路径比对弯液面的影响52-55
• 4.3 实验结论与分析55-57
• 4.4 本章小结57-58
• 5 结论58-59
• 5.1 全文总结58
• 5.2 下一步工作展望58-59
• 参考文献59-62
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况62-63
• 致谢63-64

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本文编号：302234