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本課題以平面型結(jié)構(gòu)的微型無(wú)閥泵和集成微型無(wú)閥泵式微流控芯片為研究對(duì)象,研究了高刻蝕速率與高表面質(zhì)量兼具的玻璃濕法刻蝕工藝,創(chuàng)新性的建立了非超凈環(huán)境下玻璃高效鍵合的工藝路線,同時(shí),系統(tǒng)地研究了Micro—DPIV微流場(chǎng)可視化檢測(cè)技術(shù)中的顯微拍攝、激光照明方式、納米級(jí)示蹤粒子布朗運(yùn)動(dòng)誤差消除、跨幀技術(shù)以及高精度互相關(guān)圖像處理算法等關(guān)鍵技術(shù),研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)Micro—DPIV微流體流場(chǎng)可視化測(cè)試儀器。并集成地應(yīng)用這兩項(xiàng)微流控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù),完成了平面型微型無(wú)閥泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、樣機(jī)制造及性能優(yōu)化,并以芯片型實(shí)驗(yàn)室(Lab on Chip)為應(yīng)用目標(biāo),將微型無(wú)閥泵作為自動(dòng)換樣與清洗裝置與電泳芯片實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)及工藝的一體化集成。 本課題針對(duì)玻璃濕法刻蝕的刻蝕劑成份及配比、刻蝕環(huán)境、刻蝕溫度以及清洗周期等關(guān)鍵因素進(jìn)行了大量工藝實(shí)驗(yàn),以兼具高刻蝕速率與高刻蝕表面質(zhì)量為工藝指標(biāo),通過(guò)大量工藝實(shí)驗(yàn)總結(jié)出多種適合不同刻蝕要求的工藝路線,系統(tǒng)地解決了微流控器件刻蝕深度大及刻蝕表面質(zhì)量要求高的關(guān)鍵工藝問(wèn)題。與此同時(shí),在玻璃熱鍵合工藝問(wèn)題上采用超純水下玻璃捏合以及真空預(yù)鍵合相結(jié)合的方法,有效避免了空氣中雜質(zhì)對(duì)鍵合質(zhì)量的影響,在無(wú)超凈環(huán)境下實(shí)現(xiàn)玻璃/玻璃的高效熱鍵合,極大地提高了鍵合成品率。這兩項(xiàng)基本工藝的研究為基于玻璃材質(zhì)微流控器件的加工提供了多種工藝方案和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)曲線。 Micro—DPIV技術(shù)是國(guó)際上公認(rèn)的微流場(chǎng)檢測(cè)的最有效手段之一,但相關(guān)設(shè)備昂貴,軟硬件技術(shù)復(fù)雜,目前還未有成熟的商業(yè)化產(chǎn)品。本課題通過(guò)對(duì)顯微拍攝、納米級(jí)示蹤粒子選型、激光入射方式、納米粒子布朗運(yùn)動(dòng)誤差等關(guān)鍵問(wèn)題的研究,研制出適用于微流控器件流場(chǎng)可視化檢測(cè)儀器,采用激光整體照明方式與高NA數(shù)顯微物鏡相結(jié)合的方式解決了微觀流場(chǎng)圖像拍攝問(wèn)題,通過(guò)跨幀技術(shù)與快速傅立葉互相關(guān)圖像處理算法解決了高速拍攝和檢測(cè)精度問(wèn)題,并采用局部加權(quán)平均算法解決了瞬變流場(chǎng)中納米級(jí)示蹤粒子布朗運(yùn)動(dòng)引起的圖像測(cè)量誤差。研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)Micro—DPIV微流場(chǎng)可視化測(cè)試裝置,性能指標(biāo)達(dá)到************水平。 在微型無(wú)閥泵設(shè)計(jì)與樣機(jī)研制過(guò)程中,通過(guò)系統(tǒng)仿真與液固耦合流場(chǎng)仿真相結(jié)合的方法對(duì)微型無(wú)閥泵進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模與計(jì)算,尤其針對(duì)進(jìn)出口錐管錐角大小對(duì)微泵效率的影響進(jìn)行了Micro—DPIV測(cè)試,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析確定了了******錐角角度。采用高驅(qū)動(dòng)力的形狀記憶合金/硅復(fù)合振動(dòng)膜作為微泵驅(qū)動(dòng)裝置,參考玻璃濕法刻蝕工藝和玻璃熱鍵合工藝的研究結(jié)果確定了微型無(wú)閥泵泵體的加工工藝路線,在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用所建立的Micro—DPIV可視化檢測(cè)平臺(tái) 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文 確定了微型無(wú)閥泵的******工作狀態(tài)與控制參數(shù),并優(yōu)化了微泵流道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 所研制的微泵尺寸為5 x 5 X3~,******流量達(dá)到10.5閃/s,******輸出壓力為 1027 Pa。最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果表明兩者相當(dāng)吻合,從實(shí) 驗(yàn)的角度驗(yàn)證了平面型微型無(wú)閥泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。 為了實(shí)現(xiàn)微流控器件的應(yīng)用,同時(shí)探索Lab on Chip的集成化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 與工藝路線的優(yōu)化,將微型無(wú)閥泵作為功能模塊實(shí)現(xiàn)與電泳芯片的一體化集成, 使微泵在電泳過(guò)程中執(zhí)行自動(dòng)換樣與清洗功能。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中采用“丁” 字結(jié)構(gòu)聯(lián)接微型無(wú)閥泵與毛細(xì)管道,且毛細(xì)電泳管道與微型無(wú)閥泵進(jìn)樣通道的 截面尺寸相差較大,以減小微型無(wú)閥泵工作過(guò)程中壓力脈動(dòng)對(duì)毛細(xì)電泳管道內(nèi) 樣品產(chǎn)生影響。這一設(shè)計(jì)通過(guò)流場(chǎng)仿真進(jìn)行數(shù)值預(yù)測(cè),并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)的合理性。樣機(jī)加工采用了課題前期研究的玻璃濕法刻蝕工藝路線,所研 制的樣機(jī)尺寸與原有電泳芯片的大小一致。通過(guò)不同種類試劑的連續(xù)檢測(cè)驗(yàn)證 了微型無(wú)閥泵的連續(xù)自動(dòng)換樣功能、同一成份試劑不同濃度試樣的連續(xù)檢測(cè)驗(yàn) 證了微泵的清洗功能、同一試劑相同濃度的多次連續(xù)檢測(cè)驗(yàn)證了微泵在換樣過(guò) 程中的重復(fù)性與穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,集成微泵式電泳芯片多樣品連續(xù)檢測(cè) 時(shí)無(wú)需人工清洗及重復(fù)定位,換樣時(shí)間3 05,單樣品檢測(cè)時(shí)間905,連續(xù)換樣 檢測(cè)中樣品平均檢測(cè)時(shí)間1205,整體檢測(cè)時(shí)間縮短為原有檢測(cè)的1/8,提高了 檢測(cè)精度,且大幅簡(jiǎn)化了操作步驟,推動(dòng)了微流控器件的集成化應(yīng)用步伐。 本論文的主要內(nèi)容分為7章,現(xiàn)分述如下: ******章為微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀,主要介紹微機(jī)電系統(tǒng)的定義 與特征,作為一項(xiàng)與傳統(tǒng)工業(yè)存在較大差別的新興領(lǐng)域,微機(jī)電系統(tǒng)的加工工 藝決定了其本身的結(jié)構(gòu)特征及應(yīng)用范圍,且在材料選擇方面與工藝的關(guān)系更為 密切,因此本章就其加工工藝進(jìn)行了重點(diǎn)描述。同時(shí),對(duì)其在工業(yè)、信息和通 信、國(guó)防、航空航天、航海、醫(yī)療和生物工程、農(nóng)業(yè)、環(huán)境和家庭服務(wù)等領(lǐng)域 的應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹。其次,針對(duì)與本課題密切關(guān)聯(lián)的微流控系統(tǒng)進(jìn)行了重 點(diǎn)說(shuō)明,描述了微流控系統(tǒng)的特征、應(yīng)用及存在的問(wèn)題,提出了當(dāng)前最主要的 三個(gè)問(wèn)題,即加工工藝、檢測(cè)方法及系統(tǒng)集成。最后,結(jié)合微流控系統(tǒng)的研究 現(xiàn)狀及集成微泵式電泳芯片的研發(fā)需要,確定了先解決微流控系統(tǒng)加工與檢測(cè) 關(guān)鍵兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與集成技術(shù)的研究,最后實(shí)現(xiàn)樣機(jī)制造