生物微喷阵列芯片的设计与优化

论文摘要

微阵列分析（Microarray Analysis）技术是近年来快速发展的一种新兴的分析方法，涉及微机电系统（MEMS）、生物化学、分析化学和计算机科学等学科。作为中低密度微阵列分析中的研究热点，微喷阵列系统的发展迅速，该系统利用MEMS技术在硅片或聚合物上制作出阵列式喷孔，将贮存在喷孔中的微量生物样品直接喷在玻璃片或尼龙膜上形成微阵列，然后与样品进行生化反应检测，并利用分析软件进行信号数据的读取和分析，在临床医学、生命科学、药物化学、医药诊断等领域有广泛的应用前景。本论文进一步优化了已有的硅微喷阵列芯片，根据气压驱动的不足，提出了基于PZT驱动的微喷阵列芯片，利用CFDRC模拟软件模拟了该设计的可行性，在此基础上完成了PZT薄膜的制备。本论文的主要工作有：1．总结了微喷阵列系统的研究现状，并提出了自己的设计方案；2．设计并改进了基于三层结构和间隙环结构的硅微喷阵列芯片，利用PDMS聚合物对其进行了封装，有效地抑制了样品点间可能的交叉污染，得到了均一性、重复性都比较好的微阵列，初步验证了基于PZT驱动的微喷阵列芯片的可行性；3．设计并模拟了基于PZT压电材料驱动的微喷阵列芯片，创新性地提出了双PZT驱动器结构的微喷阵列芯片，结构中利用副PZT驱动器控制了液体回流现象，有效地改善了微喷阵列的喷样效率；4．采用溶胶凝胶法，在SiO2／Si基底上成功制备了ZrO2，在Pt／Ti／SiO2／Si基底上成功制备了PZT，为制作PZT驱动器打下了基础。本论文研究表明，微喷阵列系统具有体积小，成本低，分析速度快，样品消耗少，设计灵活，制成的微阵列样品点可靠性、重复性、均一性和一致性好等优点，下一步亟需解决的问题是驱动单元的集成化和进一步提高微阵列制作的稳定性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微喷阵列系统的概念与特点
• 1.2.1 微喷阵列系统的概念
• 1.2.2 微喷阵列系统的特点
• 1.3 微喷阵列系统的发展现状
• 1.3.1 微喷阵列芯片的分类
• 1.3.2 微喷阵列系统的研究进展
• 1.4 微喷阵列系统的应用与展望
• 1.5 本工作的研究思路
• 1.6 本章小结
• 第二章 硅基微喷阵列芯片的实现与优化
• 2.1 基于三层结构和间隙环结构的微喷阵列芯片的制作
• 2.1.1 硅材料和硅工艺简介
• 2.1.2 基于三层结构和间隙环结构的硅微喷阵列芯片
• 2.2 基于三层结构和间隙环结构的微喷阵列芯片的优化
• 2.2.1 PDMS聚合物简介
• 2.2.2 PDMS-硅微喷阵列芯片的制作流程
• 2.2.3 PDMS薄膜测试
• 2.2.4 PDMS-硅微喷阵列芯片的喷样测试
• 2.3 本章小结
• 第三章 基于PZT驱动的微喷阵列芯片的设计
• 3.1 CFDRC软件包简介
• 3.2 单PZT驱动的微喷阵列芯片的设计
• 3.2.1 单PZT驱动的微喷阵列芯片的结构设计
• 3.2.2 单PZT驱动的微喷阵列芯片的工作原理
• 3.3 单PZT驱动的微喷阵列芯片的数值模拟
• 3.3.1 控制方程
• 3.3.2 边界条件设置
• 3.3.3 模拟结果讨论
• 3.4 双PZT驱动的微喷阵列芯片的数值模拟
• 3.4.1 双PZT驱动微喷阵列芯片的结构设计
• 3.4.2 双PZT驱动微喷阵列芯片的优化效果
• 3.5 本章小结
• 第四章 溶胶凝胶法制备PZT压电膜
• 4.1 PZT压电驱动装置的研究现状与进展
• 4.2 PZT膜的常规制备方法
• 2'>4.3 溶胶凝胶法制备ZrO₂
• 2制作流程'>4.3.1 溶胶凝胶法ZrO₂制作流程
• 4.3.2 影响因素
• 4.4 溶胶凝胶法制备PZT
• 4.4.1 溶胶凝胶法PZT制作流程
• 4.4.2 性能测试
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 发表文章
• 致谢
• 作者简历