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玻璃-PDMS复合芯片微流控气动微阀的研制

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高等学校化学学报 2004年第Z1期25卷 35-36页

作者：李舟徐光明崔群方群浙江大学化学系微分析系统研究所杭州310028 浙江大学化学系微分析系统研究所杭州310028 浙江大学化学系微分析系统研究所杭州310028 浙江大学化学系微分析系统研究所杭州310028

　　报道了一种基于玻璃-PDMS复合芯片微流控气动微阀的制作方法,该方法较Unger等[1]的方法更为简单易行,并克服了PDMS芯片气动微阀刚性不足和与外流路连接困难的缺点,提高了微阀的可靠性.……

关键词：玻璃-PDMS复合芯片微流控气动微阀

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高聚物微流控芯片上集成化气动微阀的研制

传感器与微系统 2012年第8期31卷 137-140页

作者：黄山石胡贤巧何巧红陈恒武浙江大学微分析系统研究所浙江杭州310058

报道了一种新型的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合芯片。该芯片采用PMMA-PDMS…PDMS-PMMA的四层构型,以在芯片上集成气动微阀。具有液路和控制通道网路的PMMA基片与PDMS弹性膜间采用不可逆封接,分别形成液路半芯片和... 详细信息

报道了一种新型的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合芯片。该芯片采用PMMA-PDMS…PDMS-PMMA的四层构型,以在芯片上集成气动微阀。具有液路和控制通道网路的PMMA基片与PDMS弹性膜间采用不可逆封接,分别形成液路半芯片和控制半芯片,而2个半芯片则依靠PDMS膜间的粘性实现可逆封接,组成带有微阀的全芯片。这种制备方法解决了制备PMMA-PDMS-PMMA三层结构芯片的封接难题,封接过程简单可靠。其控制部分和液路部分可以单独更换,可进一步降低使用成本,尤其适合一次性应用场合。初步实验表明:该微阀具有良好的开关性能和耐用性。

关键词：气动微阀微流控芯片聚甲基丙烯酸甲酯聚二甲基硅氧烷

喷嘴挡板式压电气动微阀阀口密封宽度对流场特性影响的分析

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液压与气动 2021年第9期45卷 58-67页

作者：任建颖王金林闵为杨漫陈开窍兰州理工大学能源与动力工程学院甘肃兰州730050 甘肃省流体机械及系统重点实验室甘肃兰州730050 清华大学航天航空学院北京100084

为了探究喷嘴挡板式压电气动微阀阀口密封宽度对阀口流动特性的影响,应用CFD技术,采用SST k-ω湍流模型,对不同密封宽度下阀口的流动特性进行了数值模拟计算。结果发现,阀口端面密封宽度对压电气动微阀阀口的流动特性有显著的影响,选取... 详细信息

为了探究喷嘴挡板式压电气动微阀阀口密封宽度对阀口流动特性的影响,应用CFD技术,采用SST k-ω湍流模型,对不同密封宽度下阀口的流动特性进行了数值模拟计算。结果发现,阀口端面密封宽度对压电气动微阀阀口的流动特性有显著的影响,选取合理的阀口端面密封宽度,可降低阀口的压力损失,提升气动微阀阀口的过流能力;同时发现微阀流量-压力系数不受阀口端面密封宽度的影响。该研究为阀口设计提供了重要参考。

关键词：气动微阀压电密封宽度流场分析

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喷嘴挡板式压电气动微阀流量特性的研究

喷嘴挡板式压电气动微阀流量特性的研究

作者：任建颖兰州理工大学

学位级别：硕士

随着工业强基工程的实施,我国在信息技术、高端装备、新材料和生物医药等领域有了新的突破和发展。其中气动技术和产品在产业结构转型调整和创新能力提升进程中发挥了重要作用,同时也对其自身提出了更高的要求。新型气动元件的研发,低... 详细信息

随着工业强基工程的实施,我国在信息技术、高端装备、新材料和生物医药等领域有了新的突破和发展。其中气动技术和产品在产业结构转型调整和创新能力提升进程中发挥了重要作用,同时也对其自身提出了更高的要求。新型气动元件的研发,低碳气动技术的应用迫在眉睫,气与电的融合创新也是气动技术的发展方向所在。在智能制造的大背景下,基于气-电融合,气动元件智能化、微型化的趋势与需求,本论文利用压电晶体响应快、功耗低、出力大等优势,设计加工了一种喷嘴挡板式压电气动微阀样机。采用数值模拟和试验研究方法对该压电气动微阀在不同工况和不同结构参数下的流量特性进行了研究分析,为喷嘴挡板式压电气动微阀的研发制造提供了重要理论依据。本论文的主要研究内容如下:第一章,介绍了压电气动微阀的研究背景和意义;简述了压电驱动技术的研究概况和应用;阐述了压电微阀的国内外研究现状和喷嘴挡板阀口流动特性的研究概况。第二章,简述了空气动力学方面的知识;对压电原理做了简要概述;介绍了计算流体力学的基本概念和有关知识。第三章,对压电气动微阀进行了设计、制作和封装,并搭建了试验平台;初步探究了压电气动微阀的常闭功能特性;实际测试了压电气动微阀在不同入口压力、不同驱动电压和不同入口直径条件下的流量特性。第四章,对样机模型在特定工况下的阀口流场特性进行了仿真分析;基于阀口喷嘴结构参数、入口直径、驱动电压以及入口压力的变化,开展了压电气动微阀流量特性的研究和有关流场分析工作。

关键词：气动微阀压电流量特性试验数值计算

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微流控中气动微阀的工作机理研究及设计制造

微流控中气动微阀的工作机理研究及设计制造

作者：杨绍华昆明理工大学

学位级别：硕士

近年来,微流控芯片技术得到了迅速的发展,在生物、化学、医学、制造等领域得到了广泛的应用。微流体芯片的核心是对微流体操控。微流控芯片中的微阀能够微通道中流体的换向和开关功能,气动微阀将压缩气体作为动力源,因具有动态响应快、... 详细信息

近年来,微流控芯片技术得到了迅速的发展,在生物、化学、医学、制造等领域得到了广泛的应用。微流体芯片的核心是对微流体操控。微流控芯片中的微阀能够微通道中流体的换向和开关功能,气动微阀将压缩气体作为动力源,因具有动态响应快、结构简单、易于集成等优点得到了较广泛的应用。所以,气动微阀的研究在微流控系统的研究中具有十分重要重要的意义。本文以薄膜式气动微阀为研究对象,从工作机理、微流体流动特性分析、膜片变形的动力学分析、微阀的设计、制造、封装和微阀的性能测试实验等方面完成了一系列的研究。主要研究内容如下:首先,阐述了微流控技术在即时检测、聚合酶链式反应、聚合酶链式反应芯片产物的检测与分析及纳米材料合成中的应用。介绍了微流控芯片的常用加工制造方法及芯片的封装方法。并在此基础上,详细综述了微尺度流动理论和微流控芯片技术的国内外研究现状。其次,结合常开型微阀的结构特点及微通道中流体的层流特性,综合考虑控制通道的气体驱动力、PDMS膜片的变形和液体通道中流体之间的多物理场耦合,建立了薄膜式气动微阀膜片的数学模型耦合动力模型。提出了气阀作为微流控芯片中关键的执行器件的主要性能指标,利用以有限元法为基础的多物理场建模软件COMSOL Multiphysics进行数值分析,并对各个模型分别采用压力入口和速度入口驱动方式,分析了微流道内流体的流动特性和膜片的受力变形情况,在此基础上,设计了一种可以减小膜片变形过程的应力集中波形膜,并对膜片进行了动力学分析。再次,综合传统的微流控芯片的加工技术的优缺点,提出了一种以UV树脂(光敏树脂)为材料结合光固化3D打印技术。制作出能够满足实验要求的带有微通道结构的微流控芯片。综合了传统的微流控芯片封装技术的优缺点,设计了一种针对气动微阀结构特点的可逆封装方式,为后续的理论和实验研究提供基础。最后,搭建了一种气动微阀的压力流量特性及响应特性的测试实验系统,通过恒压泵与注射泵两种不同驱动设备完成了对气动微阀进行了压力流量测试,实现了在不同液体通道驱动方式下微阀的压力流量测试实验,并在此基础上设计了运用于气动微阀的动态响应测试实验方案,完成了对气动微阀的动态响应特性的测试。

关键词：微流控气动微阀流动特性封装工艺

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高聚物微流控芯片上集成化气动微阀的研制

高聚物微流控芯片上集成化气动微阀的研制

作者：黄山石浙江大学

学位级别：硕士

微流控芯片上的取样、反应、浓缩、分离和检测等基本操作都是在液体的流动过程中完成的,所以对微流体的操纵和控制是以微流控芯片为基础的芯片实验室的核心技术之一。微阀是微流控芯片的主要部件之一,它通过对微通道的闭合和开启实现对... 详细信息

微流控芯片上的取样、反应、浓缩、分离和检测等基本操作都是在液体的流动过程中完成的,所以对微流体的操纵和控制是以微流控芯片为基础的芯片实验室的核心技术之一。微阀是微流控芯片的主要部件之一,它通过对微通道的闭合和开启实现对微流体的操控。气动微阀是以压缩气体作为致动力的一种有源阀,具有结构简单、性能可靠、易于集成化、适用范围广等优点,已成为微流控芯片上应用最为广泛的微阀。本文旨在热塑型高聚物微流控芯片上研制集成化气动微阀。第一章,介绍了微流控芯片上的微阀种类,着重介绍了其中气动微阀的工作原理。按照结构的不同将现有的气动微阀分为常开阀和常闭阀两大类,并对这两类微阀进行了比较。在此基础上,综述了气动微阀的研究进展,主要从芯片材质及封接方法、含氟薄膜作为弹性膜、圆弧化液路通道加工技术三方面进行阐述。最后介绍了气动微阀在各种领域的应用。第二章,研发了一种在PMMA塑料芯片上制备具有双层PDMS弹性膜的常开型气动微阀的方法。本文首先用热压法制备了带有液路通道或控制通道的PMMA基片,然后将这两种基片进行表面硅烷化,等离子体处理后分别与一层PDMS不可逆封接,形成液路半芯片与控制半芯片;然后依靠PDMS之间的自然粘合力,将两个半芯片进行贴合,可逆封接形成具有PMMA-PDMS···PDMS-PMMA结构的全芯片。这种新颖的制备常开型气动微阀的方法的优势为：①封接过程简单可靠,设备要求低;②可以单独置换控制芯片或液路芯片,可进一步降低成本。对微阀的性能进行了系统的表征,测试了封合强度、流速与液压的关系、微阀关闭时能承受的最大液压及微阀的耐久性,实验结果表明本微阀具有很高的封接强度、良好的开关性能及很好的耐用性。采用本法研制了两种带有集成化气动微阀(阵列)的PMMA微流控芯片。一是以气动微阀控制两相液滴的生成PMMA微流控芯片,利用微阀开启时间的长短控制生成液滴的大小,实验结果表明两者之间存在良好的线性关系。二是具有微阀阵列的微流动注射化学发光检测芯片,通过4个气动微阀协调开闭,形成一个定体积采样-注入系统,成功实现了过氧化氢的微流动注射化学发光测定,同时通过实验证实了单独置换液路芯片的可行性。第三章,研发了一种在PMMA塑料芯片上制备以全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)薄膜为致动膜的常开型气动微阀的新方法。FEP薄膜具有不透气、化学惰性、低吸附的特性,以它替代PDMS弹性膜制备气动微阀,则微阀芯片具有低吸附性、强耐腐蚀性等特点。但是,FEP高弹性模量给微阀的制备造成困难。常开型气动微阀要求液路通道的截面呈圆弧形,在热塑性材料上压制液路通道需要圆弧形截面凸起的阳模,这样的圆弧形阳模通常采用光胶回软法来制备,但是光胶回软法难以形成高宽深比圆弧通道(适合FEP膜)所对应的阳模。本章发明了利用通气后向外凸出的FEP薄膜作为母模,经PDMS软光刻法制备带有圆弧形截面凸起的高温树脂阳模,成功地在PMMA片上压制出高宽深比的圆弧形截面液路通道。在此基础上,另取一片FEP膜,用等离子体处理使FEP膜双面均具有可粘性,先后用树脂将FEP膜夹粘在PMMA液流基片和PMMA控制基片之间,制得整个芯片。表征了所制备的微阀在开／关状态下的流速-液压关系,并将三个微阀串联形成一个气动蠕动微泵,应用于液流的驱动,微泵的致动频率(每个阀每分钟开闭的次数)在1-20Hz之间流量与频率成线性关系。本论文的主要创新点为： 1.研发了一种在PMMA芯片上制备常开型气动微阀的新方法,即将控制通道和液路通道分别与一片PDMS弹性薄膜不可逆封合成控制半芯片和液路半芯片,两半芯片再依靠PDMS间的自然粘合力,可逆封合成具有PMMA-PDMS···PDMS-PMMA四层结构的集成化气动微阀全芯片,解决了两层刚性PMMA基片分别不可逆封合于一层PDMS薄膜两面的技术难题,且两个半芯片可以单独更换,进一步降低了使用成本。 2.发明了一种加工制备圆弧通道的新方法,即将FEP薄膜封合在通道基片上,利用气压使通道区域的FEP薄膜向上圆弧形凸起,以此为作为母模,成功制作出高宽深比的圆弧通道,从而在PMMA芯片上集成以FEP膜作为弹性膜的常开型气动微阀。该制备方法解决了制作高宽深比通道时,采用光胶回软法难以形成具有完美圆弧型阳模的难题。

关键词：微流控芯片气动微阀聚甲基丙烯酸甲酯

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薄膜式气动微阀的流动特性研究

昆明理工大学学报（自然科学版） 2017年第5期42卷 39-45页

作者：龙威杨绍华巨少华田时泓昆明理工大学机电工程学院云南昆明650500

通过分析薄膜式气动微阀的内部流动特性,研究控制通道的驱动方式以及阀膜片结构对微阀耐压性和有效性的影响.建立不同微流道内控制方程和阀膜片的受力方程;计算压力驱动和速度驱动下微阀内部的流场特性,分析平展膜和波形膜的变形规律.... 详细信息

通过分析薄膜式气动微阀的内部流动特性,研究控制通道的驱动方式以及阀膜片结构对微阀耐压性和有效性的影响.建立不同微流道内控制方程和阀膜片的受力方程;计算压力驱动和速度驱动下微阀内部的流场特性,分析平展膜和波形膜的变形规律.搭建实验测试系统,测试不同入口速度下微阀的关闭性能.研究表明:压力驱动较速度驱动具有更好的控制性能,但容易造成阀膜片变形失效.波形膜较平展膜具有更好耐压性,并且可以增强控制的灵敏度和有效性.

关键词：气动微阀压力驱动流波形膜流动特性

玻璃-PDMS复合芯片微流控气动微阀的研制

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玻璃-PDMS复合芯片微流控气动微阀的研制

基于定量分流及混合检测功能的微流控芯片系统研究

第二届全国微全分析系统学术会议

作者：李舟徐光明崔群方群浙江大学化学系微分析系统研究所浙江大学化学系微分析系统研究所浙江大学化学系微分析系统研究所浙江大学化学系微分析系统研究所

＜正＞报道了一种基于玻璃-PDMS复合芯片微流控气动微阀的制作方法,该方法较Unger等的方法更为简单易行,并克服了PDMS芯片气动微阀刚性不足和与外流路连接困难的缺点,提高了微阀的可靠性.

关键词：玻璃-PDMS复合芯片微流控气动微阀

来源： cnki会议评论

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基于定量分流及混合检测功能的微流控芯片系统研究

作者：王诗元哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

微流控芯片是在长度仅有几十毫米的芯片上,向内注射微升或纳升容量的待测液体完成一系列的分离、混合、反应及检测等基本步骤。微流控技术涉及多学科领域的交叉,包括化学、材料、自动化、机械、物理、流体等专业。可以应用于生物化学分... 详细信息

微流控芯片是在长度仅有几十毫米的芯片上,向内注射微升或纳升容量的待测液体完成一系列的分离、混合、反应及检测等基本步骤。微流控技术涉及多学科领域的交叉,包括化学、材料、自动化、机械、物理、流体等专业。可以应用于生物化学分析、即时诊断、材料的筛选与合成、组织与器官仿生等不同领域。微流控芯片不仅可以提高分析的速度,大大的减低分析的费用,减少样品的消耗,对微量元素的分析具有广阔的应用前景。本文根据微流控芯片内的微流体驱动系统和微混合的工作原理及研究项目需求,确定了微流控芯片的整体结构方案及加工工艺流程。方案为首先实现样本及试剂的定量分流,然后采用无阀微泵驱动微流体在微混合器内进行混合,最终利用阻抗传感器检测血液颗粒的体积,利用吸光度测试对血细胞进行分类和计数。微流控芯片内部流体的定量分流可以通过两种不同的技术方案来实现。基于毛细管电泳驱动技术,利用十字夹流进样法对微流控芯片的进样进行定量分流,具体方案为采用双十字通道,通过控制电压的大小和切换方向来实现流体的定量进样过程和分离分析过程。在数学模型控制方程的基础上,采用有限元仿真软件COMSOL建立十字通道模型、设置流体的边界条件、施加耦合的多物理场,模拟仿真了微流体的定量分流过程,通过两组不同数据对比分析了电势差与分离效率和分离速度的关系,得到不同时刻下十字分离通道不同位置和试样浓度关系的曲线图。另一种方案是通过气动微阀实现微流控芯片内部流体的定量分流。由于待混合的两种溶液体积相差悬殊,因此利用气动无阀微泵驱动对定量分流后的流体在微混合器内进行混合,混匀后进行阻抗测试和吸光度测试,据此完成了微流控芯片内部的微通道结构设计。微流控芯片的整体结构主要分为三层,包括上层盖片、中间层和下层基片。根据设计需求和材料特性,盖片和基片选用硼硅酸玻璃材料,中间层选用有机聚合物PDMS,采用光刻法进行芯片结构加工,通过热键合方法对三层结构进行封合。利用COMSOL软件仿真分析了无阀微泵结构参数对微流体瞬时流量的影响。基于无阀微泵的结构和驱动原理,对微尺度下流体的尺寸效应、流速和流阻进行理论分析,并根据无阀微泵左右两端的扩散管/收缩管结构,推导流量、压力和阻力系数的计算公式。同时对无阀微泵内的流场进行仿真模拟分析,得出不同的角度、长度及宽度在不同的压强下对瞬时流量的影响。最后,分析了本文所设计的内肋式被动微混合器的混合效果。通过流体的扩散控制方程、强化混合和混合性能的评价方法,利用COMSOL软件建立内肋式微混合器的有限元分析模型,在模型上截取了等距离的10个截面,仿真分析不同的入口速度、扩散系数以及动力粘度对混合效率的影响,得到了各个截面和浓度的关系曲线。

关键词：微流控芯片毛细管电泳定量分流气动微阀微混合器