集成微泵式微流控芯片关键技术的研究
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 浙江大学博士学位论文 确定了微型无阀泵的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 x 5 X3~，流量达到10.5闪/s，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3 05，单样品检测时间905，连续换样 检测中样品平均检测时间1205，整体检测时间缩短为原有检测的1/8，提高了 检测精度，且大幅简化了操作步骤，推动了微流控器件的集成化应用步伐。 本论文的主要内容分为7章，现分述如下: 微机电系统的发展历程及研究现状，主要介绍微机电系统的定义 与特征，作为一项与传统工业存在较大差别的新兴领域，微机电系统的加工工 艺决定了其本身的结构特征及应用范围，且在材料选择方面与工艺的关系更为 密切，因此本章就其加工工艺进行了重点描述。同时，对其在工业、信息和通 信、国防、航空航天、航海、医疗和生物工程、农业、环境和家庭服务等领域 的应用情况进行了介绍。其次，针对与本课题密切关联的微流控系统进行了重 点说明，描述了微流控系统的特征、应用及存在的问题，提出了当前最主要的 三个问题，即加工工艺、检测方法及系统集成。最后，结合微流控系统的研究 现状及集成微泵式电泳芯片的研发需要，确定了先解决微流控系统加工与检测 关键两项关键技术，然后进行结构设计与集成技术的研究，最后实现样机制造。
