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面向产业化的微流控芯片微阀的优化与实现

面向产业化的微流控芯片微阀的优化与实现

作者：王琦琛厦门大学

学位级别：硕士

自上世纪八十年代,为解决如何高度自动化、小空间内完成生物化学实验的问题,微流控技术以及微流控芯片的理念被提出。对比传统的生物化学实验,微流控芯片具有高度集成性,因此可以在几平方厘米的平面内完成一系列的实验,大大提高了实验效... 详细信息

自上世纪八十年代,为解决如何高度自动化、小空间内完成生物化学实验的问题,微流控技术以及微流控芯片的理念被提出。对比传统的生物化学实验,微流控芯片具有高度集成性,因此可以在几平方厘米的平面内完成一系列的实验,大大提高了实验效率,减少了生物试剂被污染的可能性,同时还可以降低试剂需求量和实验成本。随着越来越多的科研人员投入到微流控技术以及微流控芯片的研发中,微流控芯片的难关逐渐被攻克,面向不同应用场合的微流控芯片也出现在市场上。作为微流控芯片的控制中枢,微阀在其中也扮演着举足轻重的角色。微阀在微流控芯片中主要功能是控制微流控芯片内部微型流道的开合,通过结构设计和驱动方式的设定,微阀还可以将流道内部液体导向或运输到特定位置。微流控芯片的试剂混匀、试剂抽排以及不同试剂之间的反应均需要微阀的参与,因此微阀功能的完善程度对微流控芯片的功能实现起到了决定作用。本文针对课题组自主设计的微阀从样件到批量使用的过程中出现的各种问题,面向产品需求进行优化改造,并针对各项优化进行了理论建模和实验验证,实验结果证明各项优化均促进微阀达到产品设计要求。目前已经批量生产并使用六万余个,性能良好。具体研究内容包括:1)优化微阀的结构设计。微流控芯片以核酸检测为应用场景进行微阀应用时,虽然全流程运转顺利,但是出现了核酸扩增抑制的现象。为解决该问题,优化了微阀阀底的结构,并设计对照试验验证优化方案的可行性和有效性。实验结果表明:对比没有优化的微阀,优化后的微阀可使核酸检测循环阈值的变异系数(Coefficient of Variation,Cv)值由0.107下降为0.057,表明该优化方案可以强化微流控芯片的提取功能。2)优化微阀的装配工艺。针对微阀需要较大的压力才能止漏的问题,通过分析,认为原因在于微阀的装配工艺。一方面,微阀垫片的硬度太高,无法有效填补流道开启时转子排液孔与阀底排液孔之间的空隙;另一方面,垫片和转子的固定方式不合理,垫片无法有效跟随转子转动。为解决以上问题,首先通过对比工程应用中常见的几种密封材料,推导出硬度在65-80之间的橡胶材料适用于做微阀垫片。然后,通过Ansys仿真计算垫片厚度与安装时需要的力的关系,结合标准,推算出合理的微阀垫片厚度为1 mm。最后,对比了几种常用的转子与垫片贴合的方式,以避免抑制物进入反应体系为标准,选用二次注塑法固定转子与垫片,达到了优良的跟随性和生物相容性。3)建立微阀静态和动态工况下的公差模型。为了提高微阀各部件的流道排液孔配合时的精准度。将微阀分为静态和动态两种工况,在静态工况主要考虑微阀PC材料制成的零件的尺寸公差和几何公差,使用实效边界法建立公差模型,计算求得微阀的静态公差值,实验验证当tG=td=0.02mm,tE=tF=0.10mm,ΔG=Δd=0.07mm,ΔE=ΔF=0.16mm时可以满足微阀在静态工况条件下的实验要求;在动态工况要考虑微阀在运动过程中出现在变形情况以及垫片的制造误差,使用小位移旋量法(Small displacement torsor,SDT)建立公差模型,计算求得微阀的动态公差值,实验验证当ΔZ=0.07mm、tG=0.04mm时可以满足设计要求。4)建立微阀老化测试方法并进行疲劳测试,给出疲劳函数。为符合市场化生产要求,对微阀进行了人工老化试验测试,首先根据材料特性,选用老化箱老化的方式对微阀进行试验。然后将微阀的止漏能力作为微阀寿命的检测标准,建立老化时间与止漏能力的关系。通过对比各老化温度条件下微阀的寿命时长,推算出室温条件下的微阀寿命,并建立老化寿命函数。

关键词：微流控技术微阀结构与工艺优化公差设计人工老化

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基于实效边界模型的微阀关键特征公差设计

组合机床与自动化加工技术 2022年第4期 43-47页

作者：王琦琛高润鑫曾俊添张东旭葛胜祥夏宁邵厦门大学公共卫生学院厦门361102 厦门大学国家传染病诊断试剂与疫苗工程技术研究中心厦门361102

为减少微流控芯片流道中的试剂残留,避免因微阀转动将残留试剂带入到其他生物化学反应中,对影响微阀流道端口对准精度的关键特征进行公差设计。首先,利用实效边界法,建立微阀流道端口重合面积与微阀各关键特征公差值之间的数学模型;然后... 详细信息

为减少微流控芯片流道中的试剂残留,避免因微阀转动将残留试剂带入到其他生物化学反应中,对影响微阀流道端口对准精度的关键特征进行公差设计。首先,利用实效边界法,建立微阀流道端口重合面积与微阀各关键特征公差值之间的数学模型;然后,利用COMSOL仿真软件,得到满足实验要求的最小流道端口重合面积,进而求得公差值;最后,通过实验验证,该公差设计下的微阀可以减少试剂残留,实效边界法的可行性得到证明,提出一种不依赖人工经验的公差设计方法,对通用性微阀的公差设计提供了一种参考。

关键词：微阀公差设计实效边界模型 COMSOL仿真

微阀进样和固定化试剂化学发光微流动注射芯片的研究

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分析化学 2005年第6期33卷 811-813页

作者：刘海生刘伟章竹君陕西师范大学化学与材料科学学院陕西师范大学化学与材料科学学院西安710062

设计了一种将微注样阀和发光试剂均集成化的微流动注射化学发光芯片。利用luminolK3Fe(CN)6H2O2化学发光体系,研究了这种芯片的分析特性。该芯片测定H2O2的线性范围为2×10-5～8×10-9mol/L;检出限为3.6×10-9mol/L;相对标准偏差RSD=4.4... 详细信息

设计了一种将微注样阀和发光试剂均集成化的微流动注射化学发光芯片。利用luminolK3Fe(CN)6H2O2化学发光体系,研究了这种芯片的分析特性。该芯片测定H2O2的线性范围为2×10-5～8×10-9mol/L;检出限为3.6×10-9mol/L;相对标准偏差RSD=4.4%(c=1×10-6mol/L,n=11)。与常规的流动注射化学发光分析法相比,该芯片具有简单、快速、灵敏度高、耗样量少等特点,并结合酶促反应成功地用于人体血清中葡萄糖的测定。

关键词：微阀微流动注射芯片化学发光葡萄糖

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基于声表面波热膨胀微阀研究

压电与声光 2014年第6期36卷 880-882,887页

作者：章安良王新彪付相庭查燕常州工学院电气学院江苏常州213002 宁波大学微纳电子系统研究所浙江宁波315211

研制了一种新的声表面波控制开关的微阀。在128°YX-LiNbO3基片上光刻叉指换能器,其激发的声表面波加热微槽内石蜡油,熔融其上方微腔内固体石蜡,石蜡由于相变化而体积膨胀,使得微腔顶部的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜发生形变,微阀由开态... 详细信息

研制了一种新的声表面波控制开关的微阀。在128°YX-LiNbO3基片上光刻叉指换能器,其激发的声表面波加热微槽内石蜡油,熔融其上方微腔内固体石蜡,石蜡由于相变化而体积膨胀,使得微腔顶部的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜发生形变,微阀由开态转变为关态。红色染料溶液微流体为实验对象进行微阀操作实验,结果表明,声表面波可有效实现微阀的控制,且微阀开关时间随所加电信号功率增加而减少,在32dBm电信号功率作用下,微阀关闭时间为3min。

关键词：微阀热膨胀声表面波微通道微流器件

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热膨胀驱动型微阀的设计与制备

传感器与微系统 2012年第10期31卷 100-102页

作者：吴元庆姚素英天津大学电子信息工程学院天津300072

利用IntelliSuite软件对热膨胀驱动微阀进行结构分析设计,讨论了微加热器结构等因素对于微阀的影响。利用SU—8胶成型工艺制备了聚二甲基硅氧烷(PDMS)微阀所需要的模具。热膨胀驱动微阀的制备过程分为:薄膜微加热器的金属淀积、阀腔的... 详细信息

利用IntelliSuite软件对热膨胀驱动微阀进行结构分析设计,讨论了微加热器结构等因素对于微阀的影响。利用SU—8胶成型工艺制备了聚二甲基硅氧烷(PDMS)微阀所需要的模具。热膨胀驱动微阀的制备过程分为:薄膜微加热器的金属淀积、阀腔的制备、弹性薄膜的制备和流体通道的制备四部分,详细阐述了各部分的制备工艺流程和各层之间的改性键合工艺等。通过微加工工艺提高了微阀的性能。利用蠕动泵作为流体驱动源,对微阀的性能进行验证,当阀腔驱动电压达到9 V时,实现了微阀关闭。

关键词：微阀键合微电子机械系统

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一种新型高效率微阀的设计与实验研究

机械科学与技术 2008年第10期27卷 1163-1168页

作者：王鑫廖文和黄国平郭宇南京航空航天大学机电学院南京210016 南京航空航天大学高新技术研究院南京210016 南京航空航天大学能源与动力学院南京210016

提出三肋式微型气动阀这一可用于流场主动控制领域的新型微阀，通过增大妙正向气流的损失系数比来大幅提高效率。阐述了气动阀的设计原理，对其效率高的原因进行了解释；对三肋式气动阀的流场进行数值模拟以验证设计原理，并对三角阀、... 详细信息

提出三肋式微型气动阀这一可用于流场主动控制领域的新型微阀，通过增大妙正向气流的损失系数比来大幅提高效率。阐述了气动阀的设计原理，对其效率高的原因进行了解释；对三肋式气动阀的流场进行数值模拟以验证设计原理，并对三角阀、气动阀的流量与效率进行计算与分析。结果表明：三肋式气动阀的效率提高到三角阀的4倍。加工了3种微阀实验件，在不可压与可压两种状态下分别进行对比实验。结果表明：在不可压状态下，三角阀的效率为3％-4％，三肋式气动阀为17％-18％；在可压状态下，三角阀的效率接近2％，三肋式气动阀约为16％。

关键词：流场主动控制三肋式气动阀微阀微型无阀射流器

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基于微流控技术的新型PDMS平面微阀

仪表技术与传感器 2011年第3期 85-87页

作者：倪君辉李蓓智杨建国 LIN Qiao 东华大学机械工程学院上海201620 哥伦比亚大学机械学院纽约10027

针对常规微阀结构较为复杂,存在着制作成本较高、难于加工和不易系统集成等问题,提出了一种设计简单的柔性阀片-阀塞结构的PDMS平面微阀的研究。微阀的制作采用了标准PDMS模塑法微细加工工艺。测试结果表明微阀工作性能良好,反向泄漏量... 详细信息

针对常规微阀结构较为复杂,存在着制作成本较高、难于加工和不易系统集成等问题,提出了一种设计简单的柔性阀片-阀塞结构的PDMS平面微阀的研究。微阀的制作采用了标准PDMS模塑法微细加工工艺。测试结果表明微阀工作性能良好,反向泄漏量可以减少到0.1 mL/min,而微阀的正/反向流量比可以达到41∶1,满足了微流体控制系统对流量调节的要求,可广泛应用于各种微流控系统中。

关键词： PDMS 微阀微流控芯片微机电系统

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采用步进电机驱动的微阀智能浇灌系统的研究

采用步进电机驱动的微阀智能浇灌系统的研究

作者： Memon Maria Muzamil（美萌）哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

种植树木或小型植物有助于降低全球变暖效应,并且它们对生物非常有利,因为它们是自然界的第一个空气净化器。但由于时间关系,人们往往忘记给植物浇水导致其死亡。本硕士论文提出了一种基于微阀的智能浇灌系统,目标是实现浇灌系统自动化... 详细信息

种植树木或小型植物有助于降低全球变暖效应,并且它们对生物非常有利,因为它们是自然界的第一个空气净化器。但由于时间关系,人们往往忘记给植物浇水导致其死亡。本硕士论文提出了一种基于微阀的智能浇灌系统,目标是实现浇灌系统自动化,设计的系统是基于微流体阀来提供精确的水量和控制流量,介绍了以单片机为控制单元的“智能浇灌系统”。本系统基于传感单元的土壤水分测量数据来提示最佳的浇灌时间。智能浇灌系统将报告植物的当前状态,并允许通过移动Wi Fi监测和控制植物浇灌系统,较好地克服了人工浇灌造成的水资源浪费问题。该浇灌系统的微阀是由带滑块的二相双极步进电机驱动的,并被集成在微流控芯片上。本文对所设计的微阀结构进行了数学建模。利用Fluent软件模拟了不同开度下的微阀流场结构,分析了不同阀口开度下微通道内流体流动的差异,探讨了微阀流量、压力与阀开度之间的关系,模拟了不同阀口开度对微流控芯片流量的影响以及流量与压力的关系。详细介绍了系统部件的含水量响应实验以及系统在不同阀口开度下的流量实验。实验结果验证了所建立的数学模型的准确性,同时模拟仿真也为其提供了支持,探索了不同阀口开度下土壤含水量随时间变化的规律。由于利用智能手机实现远程控制单元对系统进行监控,实现了自动浇灌系统的智能化。

关键词：微阀植物浇灌系统远程控制

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Tesla型不可动微阀拓扑优化设计研究

计算机仿真 2014年第3期31卷 367-370页

作者：徐一凡林森邓永波刘震宇中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院大学约翰霍普金斯大学土木工程系

在不可动微阀性能优化问题的研究中,系统压差比越大,不可动阀的阻断性能越好。为提高不可动微阀的压差比,采用拓扑优化方法进行Tesla型不可动微阀的设计。针对直接采用不可压NS-Darcy方法优化易导致的渗透和数值不稳定问题,采用固相介... 详细信息

在不可动微阀性能优化问题的研究中,系统压差比越大,不可动阀的阻断性能越好。为提高不可动微阀的压差比,采用拓扑优化方法进行Tesla型不可动微阀的设计。针对直接采用不可压NS-Darcy方法优化易导致的渗透和数值不稳定问题,采用固相介质弱可压的松弛条件来获得固相低渗透效果的优化迭代解,建立了以正向能量耗散极小为目标函数,以表述阀效应的压差比为约束条件的优化模型。优化后Tesla阀在雷诺数为100时压差比提高到2.23,相较原始阀和其它已发表的优化结果,性能提高了56.5%。仿真结果表明,建立的优化模型可以得到高性能的阀体结构。

关键词：拓扑优化渗透性微阀特斯拉阀压差比