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本課題以平面型結構的微型無閥泵和集成微型無閥泵式微流控芯片為研究對象，研究了高刻蝕速率與高表面質量兼具的玻璃濕法刻蝕工藝，創新性的建立了非超凈環境下玻璃高效鍵合的工藝路線，同時，系統地研究了Micro—DPIV微流場可視化檢測技術中的顯微拍攝、激光照明方式、納米級示蹤粒子布朗運動誤差消除、跨幀技術以及高精度互相關圖像處理算法等關鍵技術，研制出國內首臺Micro—DPIV微流體流場可視化測試儀器。并集成地應用這兩項微流控系統關鍵技術，完成了平面型微型無閥泵的結構設計、樣機制造及性能優化，并以芯片型實驗室(Lab on Chip)為應用目標，將微型無閥泵作為自動換樣與清洗裝置與電泳芯片實現結構及工藝的一體化集成。 本課題針對玻璃濕法刻蝕的刻蝕劑成份及配比、刻蝕環境、刻蝕溫度以及清洗周期等關鍵因素進行了大量工藝實驗，以兼具高刻蝕速率與高刻蝕表面質量為工藝指標，通過大量工藝實驗總結出多種適合不同刻蝕要求的工藝路線，系統地解決了微流控器件刻蝕深度大及刻蝕表面質量要求高的關鍵工藝問題。與此同時，在玻璃熱鍵合工藝問題上采用超純水下玻璃捏合以及真空預鍵合相結合的方法，有效避免了空氣中雜質對鍵合質量的影響，在無超凈環境下實現玻璃／玻璃的高效熱鍵合，極大地提高了鍵合成品率。這兩項基本工藝的研究為基于玻璃材質微流控器件的加工提供了多種工藝方案和實際經驗曲線。 Micro—DPIV技術是國際上公認的微流場檢測的最有效手段之一，但相關設備昂貴，軟硬件技術復雜，目前還未有成熟的商業化產品。本課題通過對顯微拍攝、納米級示蹤粒子選型、激光入射方式、納米粒子布朗運動誤差等關鍵問題的研究，研制出適用于微流控器件流場可視化檢測儀器，采用激光整體照明方式與高NA數顯微物鏡相結合的方式解決了微觀流場圖像拍攝問題，通過跨幀技術與快速傅立葉互相關圖像處理算法解決了高速拍攝和檢測精度問題，并采用局部加權平均算法解決了瞬變流場中納米級示蹤粒子布朗運動引起的圖像測量誤差。研制出國內首臺Micro—DPIV微流場可視化測試裝置，性能指標達到************水平。 在微型無閥泵設計與樣機研制過程中，通過系統仿真與液固耦合流場仿真相結合的方法對微型無閥泵進行了數學建模與計算，尤其針對進出口錐管錐角大小對微泵效率的影響進行了Micro—DPIV測試，并通過實驗數據分析確定了了******錐角角度。采用高驅動力的形狀記憶合金／硅復合振動膜作為微泵驅動裝置，參考玻璃濕法刻蝕工藝和玻璃熱鍵合工藝的研究結果確定了微型無閥泵泵體的加工工藝路線，在此基礎上，應用所建立的Micro—DPIV可視化檢測平臺 浙江大學博士學位論文 確定了微型無閥泵的******工作狀態與控制參數，并優化了微泵流道的結構設計。 所研制的微泵尺寸為5 x 5 X3~，******流量達到10.5閃/s，******輸出壓力為 1027 Pa。最終實驗結果與仿真結果進行了對比，結果表明兩者相當吻合，從實 驗的角度驗證了平面型微型無閥泵結構設計的合理性。 為了實現微流控器件的應用，同時探索Lab on Chip的集成化結構設計方法 與工藝路線的優化，將微型無閥泵作為功能模塊實現與電泳芯片的一體化集成， 使微泵在電泳過程中執行自動換樣與清洗功能。在結構設計過程中采用“丁” 字結構聯接微型無閥泵與毛細管道，且毛細電泳管道與微型無閥泵進樣通道的 截面尺寸相差較大，以減小微型無閥泵工作過程中壓力脈動對毛細電泳管道內 樣品產生影響。這一設計通過流場仿真進行數值預測，并通過實驗驗證了結構 設計的合理性。樣機加工采用了課題前期研究的玻璃濕法刻蝕工藝路線，所研 制的樣機尺寸與原有電泳芯片的大小一致。通過不同種類試劑的連續檢測驗證 了微型無閥泵的連續自動換樣功能、同一成份試劑不同濃度試樣的連續檢測驗 證了微泵的清洗功能、同一試劑相同濃度的多次連續檢測驗證了微泵在換樣過 程中的重復性與穩定性。實驗結果表明，集成微泵式電泳芯片多樣品連續檢測 時無需人工清洗及重復定位，換樣時間3 05，單樣品檢測時間905，連續換樣 檢測中樣品平均檢測時間1205，整體檢測時間縮短為原有檢測的1/8，提高了 檢測精度，且大幅簡化了操作步驟，推動了微流控器件的集成化應用步伐。 本論文的主要內容分為7章，現分述如下: ******章為微機電系統的發展歷程及研究現狀，主要介紹微機電系統的定義 與特征，作為一項與傳統工業存在較大差別的新興領域，微機電系統的加工工 藝決定了其本身的結構特征及應用范圍，且在材料選擇方面與工藝的關系更為 密切，因此本章就其加工工藝進行了重點描述。同時，對其在工業、信息和通 信、國防、航空航天、航海、醫療和生物工程、農業、環境和家庭服務等領域 的應用情況進行了介紹。其次，針對與本課題密切關聯的微流控系統進行了重 點說明，描述了微流控系統的特征、應用及存在的問題，提出了當前最主要的 三個問題，即加工工藝、檢測方法及系統集成。最后，結合微流控系統的研究 現狀及集成微泵式電泳芯片的研發需要，確定了先解決微流控系統加工與檢測 關鍵兩項關鍵技術，然后進行結構設計與集成技術的研究，最后實現樣機制造
