面向微流控系統(tǒng)的PDMS平面微閥微泵研究及應用.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、自動完成生化分析全過程的微型分析系統(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，是實現微流控技術的前提和基礎，是微流控系統(tǒng)發(fā)展水平的重要標志。它們在微型燃料電池、微量藥物注射和配給系統(tǒng)、微型計算機CPU冷卻、微小衛(wèi)星推進系統(tǒng)和生物化學分析等領域都有著廣泛的應用前景，已成為微流控系統(tǒng)研究的重要分支。
　　 目前，機械

2、式微閥和微泵發(fā)展迅速，是當前應用的主流。然而現有機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，采用硅微細加工技術制作而成，工藝繁瑣復雜，制作周期長，成本高；(2)通常采用非平面的多層立體結構，不僅結構復雜，增加了加工和封裝難度，而且不利于系統(tǒng)集成。鑒于此，本文提出和實現了一種以聚二甲基硅氧烷(PDMS)為主體材料的平面微閥、微泵，以簡化微閥和微泵結構，降低加工難度和成本，提高其系統(tǒng)集成性

3、和可靠性。
　　 本文主要研究內容和成果如下：
　　 1.研制了一種零間隙接觸式閥片.閥塞結構的PDMS平面微閥，簡化微閥結構、降低微閥反向泄漏、提高其正/反向流量比、有效地實現微閥流向控制要求。對制作微閥所涉及的SU-8光刻工藝和PDMS脫模工藝進行了研究和分析，并采用夾層模塑法獲得設計所要求的零間隙接觸式閥片-閥塞結構。構建了微閥測試實驗裝置，進行了微閥正反向流量特性地測試，其中微閥反向泄漏量僅為0.9 nL/min

4、、正反向流量比達到2.0×105的測試結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.提出并實現了零間隙接觸式平面微調與微泵的集成，所研究的PDMS平面微泵，突破了常規(guī)有閥型機械微泵的多層三維立體結構，實現微閥、泵腔及微通道等微結構在微泵單層PDMS片上的集成，不僅簡化了微泵結構及其制作工藝，而且能夠有效防止微泵工作過程中的倒流現象，保證微泵驅動流體的連續(xù)性和單向

5、性。通過對泵腔內流體運動規(guī)律、泵膜.流體運動耦合關系的研究，揭示了平面微泵的動態(tài)運動特性，結合平面微泵的結構特征，構建了平面微泵動態(tài)運動模型，并進行了相關實驗驗證，相關研究可以為微泵動態(tài)性能分析和優(yōu)化設計提供科學依據。
　　 3.針對微流控流動注射分析系統(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)對微泵驅動性能的要求，分別研制了氣動和電磁驅動PDMS平面微泵

6、。對所研制微泵的工作原理、結構設計、制作工藝及其性能進行了分析，并構建了微泵的測試實驗裝置，對微泵在不同的驅動參數(驅動氣壓和驅動電流)、微泵結構和背壓等條件下的流量動態(tài)輸出特性進行了系統(tǒng)的測試和分析。氣動微泵測試結果表明：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，性能達到國際先進水平(目前同類型微泵文獻報道最大輸出背壓為20 kPa)。電磁驅動PDMS平面微泵的試驗結果表明：微泵的

7、輸出流量可精確至0.15μL/min，流量分辨率達到1 nL/沖程，有效地滿足了微納生化系統(tǒng)納升級的流量控制精度要求。
　　 4.為滿足腦給藥系統(tǒng)納升毫秒級地給藥要求，基于零間隙接觸式PDMS平面微閥，開發(fā)了由平面微閥、進藥通道和給藥通道組成的大腦神經微流控給藥原型系統(tǒng)，完成了老鼠動物離體試驗。構建了微流控給藥系統(tǒng)測試平臺，分別測試了給藥系統(tǒng)在不同驅動脈沖寬度和驅動壓力下的進藥和給藥性能。試驗結果表明：該微流控給藥原型系統(tǒng)可在5