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微尺度相变测试微流控芯片集成设计及应用

杨伦磊  
【摘要】: 本文研究了温控元件和光学元件与微流控芯片的集成方法,设计并制作了集成微型半导体制冷片、光纤和棱镜的微流控芯片,应用所设计的集成微流控芯片对微尺度下流体流动和相变进行了准三维光学观测。主要研究内容包括: 通过理论分析,建立了流体流动的数学模型,确定了流体中微小球体的受力状态,建立了相变原理方程。在此基础上,使用CFDRC流体计算软件进行数值模拟,分析了微通道内流体的相变分布,分析了流体相变对流体和混合在流体中的粒子流动的影响。 针对已有的微流控芯片,设计了分体式水平观测方法。使用该方法观测到微通道内流体深度方向流动状态,基于对观测结果的分析,提出了准三维光学观测方法。 设计了基于集成微流控芯片的集成式准三维光学观测方法。将微型半导体制冷片、光纤和直角棱镜集成在微流控芯片中:采用微型半导体制冷片冷却和加热微通道内液体,实现微流体相变控制;通过光纤将激光水平导入微通道内,作为荧光检测的激发光源;利用棱镜将流体在深度方向的流动和相变状态映射至水平像面,并通过显微镜成像。 完成了集成微流控芯片的制作:采用微加工(SU-8胶光刻、金属线切割)与微装配相结合的方法,制作了含多层结构的模具;采用浇注法制作了PDMS基片和PDMS盖片;采用微装配方法完成了基片与盖片的对准封接;借助所设计的辅助装置将集成元件装入芯片,实现了集成元件的可拆卸重复使用。 利用所设计的集成微流控芯片进行微流体流动和相变实验测试,成功实现了微通道内流体流动和相变的准三维光学观测。实验结果表明:在冷却固化和升温熔融过程中,微通道内流体存在由溶液体积变化引起的回流现象;固化过程回流发生在相变阀的上游,熔融过程回流发生在相变阀的下游;粒子在微通道深度方向存在沉积现象;芯片上微型制冷片冷端温度可达-20.7℃。


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