复合导电材料三维微流控芯片电极的研究

发布时间：2017-05-06 01:01

  本文关键词：复合导电材料三维微流控芯片电极的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：电场广泛应用于微流控系统中用以实现如流体混合,控制细胞或微粒等各种功能。这些电操作大多数是由薄膜金属电极实现的,在传统的IC工艺中,薄膜电极通常是由蒸发或溅射加工而成,电极的厚度被限制在几百个纳米左右。而尺度和微流控芯片相当的三维微电极结构不仅可以在沿沟道高度方向产生均匀电场,还具有鲁棒性好,可承受的电流密度大,加电产生的焦耳热少等优点,特别适用于如细胞介电泳,电融合,细胞裂解,捕获等微流控芯片研究。但加工三维电极技术难度大,成本高,与玻璃等基片键合时存在困难,常有芯片漏液现象发生。本论文选用了一种基于导电颗粒和PDMS混合制成的新型复合导电材料用来加工三维微电极,这种材料保留了PDMS本身的加工特性,主要具有以下两个方面的优势:1.可以加工各种厚度和形状,2.可利用软光刻技术模塑成型,代替传统的电极加工方法,节约成本,缩短时间。首先,利用Comsol Multiphysics有限元仿真软件,对平板电极对产生的电场分布进行了分析,并得到了芯片内部介电泳力强度和方向的分布情况。相较于左右对称的电极结构来说,平板电极对形成的电场强度更大,细胞更容易聚集到中间均匀电场区域,形成“珍珠串”结构。另外,对填料在基体聚合物中是如何形成导电通路及形成后载流子传输方式进行了初步讨论和分析。其次,在PDMS常规加工手段的基础上,总结出了一套完整的制作流程,分别选用银粉和石墨粉两种不同类型的填料,制成了Ag-PDMS和C-PDMS。材料电阻率与填料含量的关系满足渗流理论,改变溶剂、固化剂、填料粒径等制备因素也会对电阻率产生影响。借助阻抗分析仪测试了材料的交流特性,发现阻抗受频率影响较大,且填料比例越小受频率的影响越大,激励幅值大小对各种比例的样本几乎都不产生影响。借助扫描电镜对内部结构观察可知,填料主要以团聚体和链状结构稳定存在。采用邵氏A型硬度计检测了材料硬度,测试表明填料比例增大在提升导电性能的同时,材料的物理性能也会发生急剧变化,可加工性变差,应结合具体应用,在导电性和可加工性之间选取一个平衡点。最后,在对材料的微观结构和性质充分了解的基础上,结合软光刻完成了集成有平板电极对的芯片的加工,并用于红细胞和乳腺癌细胞的排队实验。实验中细胞排队效果明显,在介电泳力作用下形成了细胞珠串,排队率高。实验验证了这种基于PDMS的复合导电材料作为三维微电极的可行性,为后续研究打下基础。
【关键词】：复合导电材料 三维微电极 软光刻 细胞排队
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R318.08;TN492
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-8
• 1 绪论8-20
• 1.1 研究背景及意义8-10
• 1.1.1 常规微流控芯片电极加工方法及问题8-9
• 1.1.2 复合导电材料概述9-10
• 1.2 微流控芯片方面的应用现状10-17
• 1.3 论文主要研究工作17-20
• 2 复合材料导电理论及电极特性仿料导电理论及电极特性仿真真20-32
• 2.1 复合材料导电机理20-24
• 2.1.1 导电通路的形成机制20-22
• 2.1.2 通路形成后载流子的传输方式22-24
• 2.2 三维电极特性仿真24-31
• 2.2.1 电流场有限元分析24-25
• 2.2.2 仿真过程25-28
• 2.2.3 介电泳力仿真结果28-31
• 2.3 本章小结31-32
• 3 复合导电材料制备及性能检测32-48
• 3.1 材料制备32-34
• 3.1.1 常规制备方法32
• 3.1.2 填料及基体的选择32-33
• 3.1.3 制备工艺33-34
• 3.2 导电性测试34-41
• 3.2.1 电阻测试34-36
• 3.2.2 不同因素对材料电阻率的影响36-37
• 3.2.3 材料交流特性37-41
• 3.3 微观结构41-43
• 3.4 硬度检测43-45
• 3.5 本章小结45-48
• 4 复合导电材料三维微电极芯片的制作48-58
• 4.1 光刻48-49
• 4.2 电极定型方法49-53
• 4.3 芯片制作53-56
• 4.3.1 芯片结构53-54
• 4.3.2 制作流程54-56
• 4.4 本章小结56-58
• 5 细胞排队实验58-68
• 5.1 实验仪器和材料58
• 5.2 实验方法58-61
• 5.2.1 细胞悬液制备58-60
• 5.2.2 排队实验过程60-61
• 5.3 实验结果与分析61-67
• 5.3.1 细胞排队机理61-62
• 5.3.2 乳腺癌细胞排队实验62-64
• 5.3.3 红细胞排队实验64-66
• 5.3.4 结果讨论66-67
• 5.4 本章小结67-68
• 6 总结与展望68-70
• 6.1 课题取得的进展68
• 6.2 课题存在的不足及展望68-70
• 致谢70-72
• 参考文献72-78
• 附录78
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录78

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 薛兵;朱长军;张一心;;增强防静电改性聚丙烯的研究[J];中国包装;2009年07期

2 辛毅;杨庆雨;郑浩田;蒋琪;;PVDF触滑觉传感器结构及其调理电路设计[J];压电与声光;2014年01期

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本文编号：347390