硅橡胶气动微阀的制作及其混合功能的研究

论文摘要

微流控芯片系统操作的核心是对微流体的控制,微阀在微通道中起控制性限流的作用,离开微阀将无法完成对微流体的有效控制,因此对微阀的研究具有重要意义。微系统中流体雷诺数低限制了涡流以及体扩散的发生,分子扩散成为实现混合的主导因素。而分子扩散过程极其缓慢,加速微流体混合对提高微系统中化学反应效率极其重要。本文基于聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）材料本身优势和气动微阀易于设计加工与集成化的特点,以PDMS及载玻片作为芯片加工材料,制作了多层PDMS气动微阀和单层PDMS气动微阀,实现微流体的混合。第一章,综述了PDMS气动微阀的分类以及研究现状,介绍了多层常开阀、单层常开阀、常闭阀、基于PDMS气动微阀原理的微混合器以及PDMS气动微阀的集成化等研究进展,最后提出本论文的工作目的及设计思想。第二章,利用多层PDMS气动微阀的工作原理,以PDMS及载玻片作为芯片加工材料,制作了多层PDMS气动喷射微混合器。考察了影响流体混合的因素,如PDMS阀膜厚度、致动压力、致动频率等。当阀膜厚度为30μm,致动压力为0.24MPa,致动频率为62.5Hz时,利用本混合器可以实现流量范围1-700μL/mi;n之间流体的有效混合,而750-3500μL/min范围内的流体在不加气体扰动的情况下亦实现了有效混合。实验又发展了该混合器的被动混合功能,考察了影响流体混合的因素,如混合单元数量、流体阻碍坝,具有5个流体混合单元和2个流体阻碍坝的芯片实现了流量500-3500μL/min之间流体的有效混合。第三章,以PDMS及载玻片作为加工材料,制作了单层PDMS气动微阀,考察了影响PDMS阀膜形变的一系列因素,包括微结构尺寸和构型、PDMS弹性、致动压力、致动频率等。采用流体通道宽度为100μμm,气体控制通道宽度为1.0-2.0mm, PDMS阀膜厚度为130μm,致动压力为0.18MPa,选择PDMS二组分配比为20：1时,实现了单层PDMS气动微阀对流体通道的有效封闭。第四章对本论文建立的PDMS气动微阀进行了总结和展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 PDMS气动微阀的研究进展
• 1.2.1 多层PDMS气动微阀
• 1.2.2 单层PDMS气动微阀
• 1.3 基于PDMS气动微阀的混合器
• 1.4 PDMS气动微阀的集成化
• 1.5 本论文工作目的及设计思想
• 第2章 多层PDMS气动喷射微混合芯片的制作及其混合功能研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试剂和材料
• 2.2.2 仪器与装置
• 2.2.3 气动喷射微混合芯片的构型及制作
• 2.2.4 气动喷射微混合芯片的被动混合功能芯片构型及制作
• 2.2.5 气动喷射微混合系统装置
• 2.2.6 实验操作过程
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 气动喷射微混合芯片的设计思路
• 2.3.2 微混合芯片工作参数的优化
• 2.3.3 混合性能
• 2.3.4 气动喷射微混合芯片的被动混合功能
• 2.3.5 相关数值模拟
• 2.4 小结
• 第3章 单层PDMS气动微阀的制作
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂和材料
• 3.2.2 仪器与装置
• 3.2.3 单层PDMS气动微阀的制作
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 单层PDMS气动微阀的工作原理
• 3.3.2 单层PDMS气动微阀的制作工艺
• 3.3.3 单层PDMS气动微阀的影响因素
• 3.3.4 芯片使用寿命
• 3.4 小结
• 第4章 结论
• 参考文献
• 致谢