谢海波博士论文摘要.DOCVIP

摘 要 本课题以平面型结构的微型无阀泵和集成微型无阀泵式微流控芯片为研究对象，研究了高刻蚀速率与高表面质量兼具的玻璃湿法刻蚀工艺，创新性的建立了非超净环境下玻璃高效键合的工艺路线，同时，系统地研究了Micro－DPIV微流场可视化检测技术中的显微拍摄、激光照明方式、纳米级示踪粒子布朗运动误差消除、跨帧技术以及高精度互相关图像处理算法等关键技术，研制出国内首台Micro－DPIV微流体流场可视化测试仪器。并集成地应用这两项微流控系统关键技术，完成了平面型微型无阀泵的结构设计、样机制造及性能优化，并以芯片型实验室（Lab on Chip）为应用目标，将微型无阀泵作为自动换样与清洗装置与电泳芯片实现结构及工艺的一体化集成。 本课题针对玻璃湿法刻蚀的刻蚀剂成份及配比、刻蚀环境、刻蚀温度以及清洗周期等关键因素进行了大量工艺实验，以兼具高刻蚀速率与高刻蚀表面质量为工艺指标，通过大量工艺实验总结出多种适合不同刻蚀要求的工艺路线，系统地解决了微流控器件刻蚀深度大及刻蚀表面质量要求高的关键工艺问题。与此同时，在玻璃热键合工艺问题上采用超纯水下玻璃捏合以及真空预键合相结合的方法，有效避免了空气中杂质对键合质量的影响，在无超净环境下实现玻璃/玻璃的高效热键合，极大地提高了键合成品率。这两项基本工艺的研究为基于玻璃材质微流控器件的加工提供了多种工艺方案和实际经验曲线。 Micro－DPIV技术是国际上公认的微流场检测的最有效手段之一，但相关设备昂贵，软硬件技术复杂，目前还未有成熟的商业化产品。本课题通过对显微拍摄、纳米级示踪粒子选型、激光入射方式、纳米粒子布朗运动误差等关键问题的研究，研制出适用于微流控器件流场可视化检测仪器，采用激光整体照明方式与高NA数显微物镜相结合的方式解决了微观流场图像拍摄问题，通过跨帧技术与快速傅立叶互相关图像处理算法解决了高速拍摄和检测精度问题，并采用局部加权平均算法解决了瞬变流场中纳米级示踪粒子布朗运动引起的图像测量误差。研制出国内首台Micro－DPIV微流场可视化测试装置，性能指标达到国际先进水平。 在微型无阀泵设计与样机研制过程中，通过系统仿真与液固耦合流场仿真相结合的方法对微型无阀泵进行了数学建模与计算，尤其针对进出口锥管锥角大小对微泵效率的影响进行了Micro－DPIV测试，并通过实验数据分析确定了了最佳锥角角度。采用高驱动力的形状记忆合金/硅复合振动膜作为微泵驱动装置，参考玻璃湿法刻蚀工艺和玻璃热键合工艺的研究结果确定了微型无阀泵泵体的加工工艺路线，在此基础上，应用所建立的Micro－DPIV可视化检测平台确定了微型无阀泵的最佳工作状态与控制参数，并优化了微泵流道的结构设计。所研制的微泵尺寸为5×5×3 mm，最大流量达到10.5 μl/s，最大输出压力为1027 Pa。最终实验结果与仿真结果进行了对比，结果表明两者相当吻合，从实验的角度验证了平面型微型无阀泵结构设计的合理性。 为了实现微流控器件的应用，同时探索Lab on Chip的集成化结构设计方法与工艺路线的优化，将微型无阀泵作为功能模块实现与电泳芯片的一体化集成，使微泵在电泳过程中执行自动换样与清洗功能。在结构设计过程中采用 “丁”字结构联接微型无阀泵与毛细管道，且毛细电泳管道与微型无阀泵进样通道的截面尺寸相差较大，以减小微型无阀泵工作过程中压力脉动对毛细电泳管道内样品产生影响。这一设计通过流场仿真进行数值预测，并通过实验验证了结构设计的合理性。样机加工采用了课题前期研究的玻璃湿法刻蚀工艺路线，所研制的样机尺寸与原有电泳芯片的大小一致。通过不同种类试剂的连续检测验证了微型无阀泵的连续自动换样功能、同一成份试剂不同浓度试样的连续检测验证了微泵的清洗功能、同一试剂相同浓度的多次连续检测验证了微泵在换样过程中的重复性与稳定性。实验结果表明，集成微泵式电泳芯片多样品连续检测时无需人工清洗及重复定位，换样时间30 s，单样品检测时间90 s，连续换样检测中样品平均检测时间120 s第二章重点介绍了微流控系统的关键技术——玻璃微加工工艺的研究。首先阐述了目前国内外在这一工艺方面的研究现状，指明这一工艺体系中的两项瓶颈技术：玻璃各向同性湿法刻蚀工艺及玻璃/玻璃键合工艺。然后分别针对这两项工艺进行理论研究与系统的工艺试验，通过大量试验数据的统计与优化，提出了适合不同刻蚀深度及表面质量需求的工艺路线，并解决了高刻蚀速率与高刻蚀表面质量并存的工艺难题，同时在玻璃键合工艺方面，研究出普通环境下玻璃/玻璃高效热键合工艺路线，为微流控系统的加工提供了技术保障。 第三章 详细描述了微流场可视化数字图像测速技术另一项技术难点目前最有效手段第六章主要论述了集成微泵式毛细管电泳芯片的加工与性能测试。首先介绍了集成微型无阀泵式电泳芯片的工作原理、技术优势及结构设计，重点描述了微型