面向微流控系統(tǒng)的PDMS平面微閥微泵研究及應(yīng)用.pdf

1、微流控系統(tǒng)是一種在微觀尺度(1μm～1 mm)下精確操控流體、自動(dòng)完成生化分析全過(guò)程的微型分析系統(tǒng)，是分析儀器向微型化、集成化、便攜化發(fā)展的重要標(biāo)志。其中，微閥和微泵作為微流體控制系統(tǒng)的核心部件，是實(shí)現(xiàn)微流控技術(shù)的前提和基礎(chǔ)，是微流控系統(tǒng)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。它們?cè)谖⑿腿剂想姵?、微量藥物注射和配給系統(tǒng)、微型計(jì)算機(jī)CPU冷卻、微小衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)和生物化學(xué)分析等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景，已成為微流控系統(tǒng)研究的重要分支。
　　 目前，機(jī)械

2、式微閥和微泵發(fā)展迅速，是當(dāng)前應(yīng)用的主流。然而現(xiàn)有機(jī)械式微閥和微泵由于以下兩方面的原因，而限制了其在微流控系統(tǒng)的廣泛使用：(1)多以硅材料為基底，采用硅微細(xì)加工技術(shù)制作而成，工藝繁瑣復(fù)雜，制作周期長(zhǎng)，成本高；(2)通常采用非平面的多層立體結(jié)構(gòu)，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了加工和封裝難度，而且不利于系統(tǒng)集成。鑒于此，本文提出和實(shí)現(xiàn)了一種以聚二甲基硅氧烷(PDMS)為主體材料的平面微閥、微泵，以簡(jiǎn)化微閥和微泵結(jié)構(gòu)，降低加工難度和成本，提高其系統(tǒng)集成性

3、和可靠性。
　　 本文主要研究?jī)?nèi)容和成果如下：
　　 1.研制了一種零間隙接觸式閥片.閥塞結(jié)構(gòu)的PDMS平面微閥，簡(jiǎn)化微閥結(jié)構(gòu)、降低微閥反向泄漏、提高其正/反向流量比、有效地實(shí)現(xiàn)微閥流向控制要求。對(duì)制作微閥所涉及的SU-8光刻工藝和PDMS脫模工藝進(jìn)行了研究和分析，并采用夾層模塑法獲得設(shè)計(jì)所要求的零間隙接觸式閥片-閥塞結(jié)構(gòu)。構(gòu)建了微閥測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行了微閥正反向流量特性地測(cè)試，其中微閥反向泄漏量?jī)H為0.9 nL/min

4、、正反向流量比達(dá)到2.0×105的測(cè)試結(jié)果表明了微閥具有良好的反向截止性能，從而可以有效地降低微閥的反向泄漏，保證微閥工作的穩(wěn)定性和可靠性。
　　 2.提出并實(shí)現(xiàn)了零間隙接觸式平面微調(diào)與微泵的集成，所研究的PDMS平面微泵，突破了常規(guī)有閥型機(jī)械微泵的多層三維立體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)微閥、泵腔及微通道等微結(jié)構(gòu)在微泵單層PDMS片上的集成，不僅簡(jiǎn)化了微泵結(jié)構(gòu)及其制作工藝，而且能夠有效防止微泵工作過(guò)程中的倒流現(xiàn)象，保證微泵驅(qū)動(dòng)流體的連續(xù)性和單向

5、性。通過(guò)對(duì)泵腔內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律、泵膜.流體運(yùn)動(dòng)耦合關(guān)系的研究，揭示了平面微泵的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)特性，結(jié)合平面微泵的結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建了平面微泵動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)模型，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，相關(guān)研究可以為微泵動(dòng)態(tài)性能分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。
　　 3.針對(duì)微流控流動(dòng)注射分析系統(tǒng)(輸出背壓>10 kPa，流量>1μL/min)和微納生化分析系統(tǒng)(流量<1μL/min，流量分辨率1～10nL)對(duì)微泵驅(qū)動(dòng)性能的要求，分別研制了氣動(dòng)和電磁驅(qū)動(dòng)PDMS平面微泵

6、。對(duì)所研制微泵的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制作工藝及其性能進(jìn)行了分析，并構(gòu)建了微泵的測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)微泵在不同的驅(qū)動(dòng)參數(shù)(驅(qū)動(dòng)氣壓和驅(qū)動(dòng)電流)、微泵結(jié)構(gòu)和背壓等條件下的流量動(dòng)態(tài)輸出特性進(jìn)行了系統(tǒng)的測(cè)試和分析。氣動(dòng)微泵測(cè)試結(jié)果表明：微泵最大輸出流量為41μL/min，最大輸出背壓為25 kPa，滿足了微流控注射分析系統(tǒng)的要求，性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平(目前同類型微泵文獻(xiàn)報(bào)道最大輸出背壓為20 kPa)。電磁驅(qū)動(dòng)PDMS平面微泵的試驗(yàn)結(jié)果表明：微泵的

7、輸出流量可精確至0.15μL/min，流量分辨率達(dá)到1 nL/沖程，有效地滿足了微納生化系統(tǒng)納升級(jí)的流量控制精度要求。
　　 4.為滿足腦給藥系統(tǒng)納升毫秒級(jí)地給藥要求，基于零間隙接觸式PDMS平面微閥，開(kāi)發(fā)了由平面微閥、進(jìn)藥通道和給藥通道組成的大腦神經(jīng)微流控給藥原型系統(tǒng)，完成了老鼠動(dòng)物離體試驗(yàn)。構(gòu)建了微流控給藥系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，分別測(cè)試了給藥系統(tǒng)在不同驅(qū)動(dòng)脈沖寬度和驅(qū)動(dòng)壓力下的進(jìn)藥和給藥性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：該微流控給藥原型系統(tǒng)可在5