PDMS气压驱动微阀及其在气动微混合芯片中的应用研究

发布时间：2018-04-02 16:28

本文选题：PDMS气压驱动微阀　切入点：电磁微阀　出处：《哈尔滨工业大学》2017年博士论文

【摘要】：近年来,微流控芯片实现了由简单的操作单元组成到超大规模集成的飞跃,在生物和化学分析中得到了越来越多的成功应用。但是,气动微流控芯片外部气压控制系统中常规尺寸电磁阀组的体积远大于微流控芯片本身,且所需的数量多,价格高,结构复杂,其所使用的硬质材料与气动微流控芯片连接困难,使得微流控芯片没有实现真正意义上的微型化和集成化。因此,设计体积小、便于携带且能作为微流控芯片外部控制模块的电磁微阀是十分必要的。此外,由电磁微阀所控制的片上膜阀动态响应特性及流量特性等研究仍不完善。因此本文提出一种聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)气压驱动微阀,对于缩小芯片外部气压控制阀尺寸和提高膜阀阀控精度是十分必要的。本文提出一种采用高速电磁驱动方式和PDMS阀体材料的片外电磁微阀,与片上膜阀组成PDMS气压驱动微阀。通过建立PDMS气压驱动微阀阀芯驱动力、阀膜弹性变形力及微流道内气、液流体动力之间的多物理场耦合数学模型,研究了单个电磁微阀的阀芯位移动态响应特性、动态流量特性、流量-占空比特性和流量-压差特性以及三通微阀PWM占空比-负载压力特性,得出了电磁微阀流量与激励脉宽占空比、阀芯位移、阀口压差之间的关系。对气动微驱动器驱动腔充、排气过程中体积、压力变化过程进行了仿真分析,研究了PDMS驱动薄膜变形特性、气动微驱动器动态响应特性,得出电磁微阀脉宽调制占空比、驱动腔压力与膜阀流量之间的关系。在微结构模具制备技术和PDMS表面特性研究基础上,提出了负性感光干膜光刻胶模具制备方法、PDMS软刻蚀复膜技术、不同PDMS配比与表面空气等离子体处理相结合的阀体封装方法。对电磁微阀进行了性能试验研究,包括阀体封接强度、阀膜疲劳、阀芯驱动力、阀芯动态响应时间以及静、动态流量特性,验证了电磁微阀满足体积、工作压力、流量和响应速度等多个性能指标。对PDMS驱动薄膜变形特性、驱动腔压力动态响应特性、流量特性进行试验研究和分析,并根据试验结果对膜阀流量模型进行修正,利用体式显微镜对膜阀的液流流量特性进行了观测并验证其工作可靠性。针对驱动腔体积可变特性和电磁微阀响应特性,提出了采用BangBang+k+PWM复合控制方法对驱动腔压力进行控制。对驱动腔压力采用Bang-Bang、k+PWM控制方法进行试验研究,分析了不同上、下阈设定值和PWM载波频率、载波幅值对阶跃响应时间、压力稳态精度和压力脉动的影响。在对两种控制方法的优缺点进行试验研究和分析的基础上,研究采用复合控制方法对驱动腔压力进行控制。通过试验结果比较,验证了复合控制方法的有效性。提出了一种结构简单的片上气动微混合芯片和其弧形横截面液体流道模具高温回流制备方法。对三层气动微混合芯片的封装进行了研究,利用表面轮廓仪对弧形横截面液体流道阳模的表面型貌进行了检测,研究了回流温度、烘烤时间和微结构宽度对正性光刻胶AZ50-XT阳模的弧化程度。给出了利用RGB(Red,green,blue)色彩模型、灰度转换模型和方差方程对微混合腔内不同试剂的混合程度分析方法,利用气动微阀对驱动腔压力大小和振动频率进行控制,使微混合腔内两种试剂充分混合,并与自然对流混合效率进行对比,研究了PDMS气压驱动微阀驱动气压和不同振动频率对混合效率的影响。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH138.52

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