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《东华大学》 2011年
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面向微流控系统的PDMS平面微阀微泵研究及应用

倪君辉  
【摘要】:微流控系统是一种在微观尺度(1μm~1 mm)下精确操控流体、自动完成生化分析全过程的微型分析系统,是分析仪器向微型化、集成化、便携化发展的重要标志。其中,微阀和微泵作为微流体控制系统的核心部件,是实现微流控技术的前提和基础,是微流控系统发展水平的重要标志。它们在微型燃料电池、微量药物注射和配给系统、微型计算机CPU冷却、微小卫星推进系统和生物化学分析等领域都有着广泛的应用前景,已成为微流控系统研究的重要分支。 目前,机械式微阀和微泵发展迅速,是当前应用的主流。然而现有机械式微阀和微泵由于以下两方面的原因,而限制了其在微流控系统的广泛使用:(1)多以硅材料为基底,采用硅微细加工技术制作而成,工艺繁琐复杂,制作周期长,成本高;(2)通常采用非平面的多层立体结构,不仅结构复杂,增加了加工和封装难度,而且不利于系统集成。鉴于此,本文提出和实现了一种以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为主体材料的平面微阀、微泵,以简化微阀和微泵结构,降低加工难度和成本,提高其系统集成性和可靠性。 本文主要研究内容和成果如下: 1.研制了一种零间隙接触式阀片-阀塞结构的PDMS平面微阀,简化微阀结构、降低微阀反向泄漏、提高其正/反向流量比、有效地实现微阀流向控制要求。对制作微阀所涉及的SU-8光刻工艺和PDMS脱模工艺进行了研究和分析,并采用夹层模塑法获得设计所要求的零间隙接触式阀片-阀塞结构。构建了微阀测试实验装置,进行了微阀正反向流量特性地测试,其中微阀反向泄漏量仅为0.9 nL/min、正反向流量比达到2.0×105的测试结果表明了微阀具有良好的反向截止性能,从而可以有效地降低微阀的反向泄漏,保证微阀工作的稳定性和可靠性。 2.提出并实现了零间隙接触式平面微阀与微泵的集成,所研究的PDMS平面微泵,突破了常规有阀型机械微泵的多层三维立体结构,实现微阀、泵腔及微通道等微结构在微泵单层PDMS片上的集成,不仅简化了微泵结构及其制作工艺,而且能够有效防止微泵工作过程中的倒流现象,保证微泵驱动流体的连续性和单向性。通过对泵腔内流体运动规律、泵膜-流体运动耦合关系的研究,揭示了平面微泵的动态运动特性,结合平面微泵的结构特征,构建了平面微泵动态运动模型,并进行了相关实验验证,相关研究可以为微泵动态性能分析和优化设计提供科学依据。 3.针对微流控流动注射分析系统(输出背压10 kPa,流量1μL/min)和微纳生化分析系统(流量1μL/min,流量分辨率1~10nL)对微泵驱动性能的要求,分别研制了气动和电磁驱动PDMS平面微泵。对所研制微泵的工作原理、结构设计、制作工艺及其性能进行了分析,并构建了微泵的测试实验装置,对微泵在不同的驱动参数(驱动气压和驱动电流)、微泵结构和背压等条件下的流量动态输出特性进行了系统的测试和分析。气动微泵测试结果表明:微泵最大输出流量为41μL/min,最大输出背压为25 kPa,满足了微流控注射分析系统的要求,性能达到国际先进水平(目前同类型微泵文献报道最大输出背压为20 kPa)。电磁驱动PDMS平面微泵的试验结果表明:微泵的输出流量可精确至0.15μL/min,流量分辨率达到1 nL/冲程,有效地满足了微纳生化系统纳升级的流量控制精度要求。 4.为满足脑给药系统纳升毫秒级地给药要求,基于零间隙接触式PDMS平面微阀,开发了由平面微阀、进药通道和给药通道组成的大脑神经微流控给药原型系统,完成了老鼠动物离体试验。构建了微流控给药系统测试平台,分别测试了给药系统在不同驱动脉冲宽度和驱动压力下的进药和给药性能。试验结果表明:该微流控给药原型系统可在50 ms时间内完成10~30 nL微量药物试剂的给药。以老鼠为试验对象,进行了动物离体试验测试,验证了本微流控给药系统的生物适用性,这对促进脑疾病治疗仪器的发展具有重要的实践意义和使用价值。
【学位授予单位】:东华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TH38

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【引证文献】
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1 李萌;仿生微流控泵的微孔扩散机制研究[D];大连理工大学;2013年
2 夏俊超;激光冲击波驱动无阀微泵的研制[D];华中科技大学;2013年
【参考文献】
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【共引文献】
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8 薛向尧;张平;黎海文;刘永顺;吴一辉;;PDMS氧等离子体长效活性表面处理及与Si的键合研究[A];第十届全国敏感元件与传感器学术会议论文集[C];2007年
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10 韦鹤;王晓东;刘冲;廖俊峰;;塑料微流控芯片的超声波焊接键合的仿真[A];中国微米、纳米技术第七届学术会年会论文集(一)[C];2005年
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1 徐波;基于微流控芯片的二维电泳分离及蛋白质预富集研究[D];华中科技大学;2010年
2 曲平;分子印迹微流控手性分离研究[D];南京大学;2010年
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6 李志明;温敏聚N-异丙基丙烯酰胺整体柱操控微流体的研究[D];浙江大学;2010年
7 马丹;温度敏感性PNIPAAm-g-PDMS智能表面的制备、性能研究及在细胞培养中的应用[D];浙江大学;2010年
8 孙卫明;科学与工程计算中的Fourier级数多尺度方法[D];北京交通大学;2011年
9 晁侃;微流控系统调控电渗流和热效应数值研究[D];华中科技大学;2011年
10 孙丽波;微板多物理场耦合非线性动力学研究[D];燕山大学;2011年
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1 朱杰英;基于CCD的多通道毛细管电泳信号处理研究[D];大连理工大学;2010年
2 贾胜芳;MEMS引信保险装置的制作及铸层结合强度研究[D];大连理工大学;2010年
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6 徐亮;面向微流控芯片的压电无阀微泵的研究[D];浙江大学;2011年
7 赵子琴;高温高压先导式过热蒸汽疏水阀消声减振分析研究[D];兰州理工大学;2011年
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9 王进;APL白血病多元微球阵列的定量方法研究[D];山东轻工业学院;2011年
10 刘程程;基于微流控芯片免疫传感器的研究[D];复旦大学;2011年
【同被引文献】
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1 白重炎;马海梅;靳芬;侯仁浩;高尚峰;;核桃叶面气孔性状研究[J];安徽农业科学;2010年11期
2 袁明权;硅基微机械加工技术[J];半导体技术;2001年08期
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9 朱玉田;许溱;陈茂林;刘钊;俞燕蕾;;基于光致弯曲材料的微泵设计研究[J];功能材料;2011年11期
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1 李宏;微机电系统低温阳极键合用微晶玻璃的研究[D];武汉理工大学;2008年
2 蒋丹;存在气泡和气穴时无阀微泵动态特性研究[D];哈尔滨工业大学;2009年
【二级参考文献】
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2 沙菁;侯丽雅;章维一;朱丽;;微流体系统驱动技术的研究进展[J];微纳电子技术;2006年12期
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7 尤政,张高飞,林杨,任大海;MEMS固体化学推进器设计与建模研究[J];光学精密工程;2005年02期
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1 刘世杰;厚胶光刻技术研究[D];四川大学;2004年
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8 史惟;王素娟;徐秀娟;杨红;施炳培;;三种粗大运动评估方法在婴幼儿脑瘫中的应用研究[A];中国康复医学会首届儿童康复学术会议暨中国残疾人康复协会第八届小儿脑瘫学术会议论文汇编[C];2004年
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4 记者 束洪福;CIMS主题重大目标产品项目公开评测揭晓[N];科技日报;2000年
5 本报记者 王雨春 本报通讯员 李立群;激活一池春水[N];中国石油报;2003年
6 王燕宁 实习生 顾高菲 魏云飞;金陵梅又春———纵览南京市科技发展[N];科技日报;2004年
7 荆纪;事改企唤得春风来[N];中国建设报;2000年
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3 倪君辉;面向微流控系统的PDMS平面微阀微泵研究及应用[D];东华大学;2011年
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7 孙德;基于PTFE微粉和PDMS材料渗透汽化膜制备及其性能表征[D];华东理工大学;2014年
8 李健;平面被动式微混合器内混合特性研究及其在纳米颗粒制备中的应用[D];北京工业大学;2013年
9 林曦鹏;PDMS微槽道内微加热片表面流动沸腾特性研究[D];清华大学;2013年
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4 孟祥英;PDMS微芯片通道表面修饰方法及其在氨基酸分离分析中的应用研究[D];南昌大学;2012年
5 赵巳茹;PDMS改性及防污抗菌性研究[D];大连海洋大学;2013年
6 童屹;PDMS基多孔皱纹的制备及其应用[D];天津大学;2012年
7 王莉;纳米粒子功能化PDMS芯片在氨基酸分离中的应用[D];南昌大学;2010年
8 张宜文;基于PDMS通道内表面区域化学改性的表面张力微阀的研制[D];浙江大学;2011年
9 宗羽;3-D微纳结构蛋白质微阵列PDMS芯片的研制[D];浙江大学;2012年
10 刘畅;基于PDMS的红细胞变形性微通道芯片研究[D];重庆大学;2010年
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