多通道微流控芯片及其快速定位与探测

论文摘要

CD-like微流体芯片是一种简单实用的微流体控制平台，在临床诊断、药物合成等需要进行生化分析的领域有着重要的应用。本文对微流控芯片结构和微通道内液体的流动情况进行分析，设计了微流控芯片实验探测平台。微流控芯片内的台阶阀是利用接触角滞后现象来截止液体的流动，在由PDMS和玻璃键和制作的微通道内，毛细流动是否发生与通道的深宽比有关。本文研究了在台阶阀截止过程中，毛细流动动态效应与台阶阀前微通道长度的关系，对于深度为40μm，宽度为200～400μm的系列微通道，通过数值仿真得到台阶阀处毛细流动有效截止时，台阶阀前微通道的长度为4.5316～10.081μm。根据微通道的仿真数据制作了一系列台阶阀，在台阶阀前微通道实际长度为10～2000μm的微流控芯片内进行水的截止实验。结果表明，台阶阀均能有效截止毛细流动。根据芯片实验要求，设计并制作了微流控芯片模具。微流控芯片系统以毛细力和离心力作为驱动力，毛细力是通过合理设计根据微通道的深宽比实现的，离心力是通过DSP控制无刷直流电机高速（2000～4000rpm）旋转产生的，电机的速度精度约为±1rpm，离心力主要是实现芯片内试剂的分离和混合。对混合后的试剂，通过电机控制使微流控芯片达到指定位置（定位精度为±0.27°），最后通过光学系统对芯片进行检测。本文对多通道微流控芯片探测系统的可行性进行了分析，根据芯片探测要求设计了芯片的快速定位与探测实验平台，该实验平台能够达到较高的检测精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源、意义
• 1.2 微流控芯片概述
• 1.2.1 发展简史
• 1.2.2 微流控芯片的基本特征
• 1.2.3 微流控芯片的探测
• 1.3 无刷直流电机的发展
• 1.4 DSP 电机控制技术综述
• 1.4.1 电机控制技术发展
• 1.4.2 用于电机控制的 DSP 的特点
• 1.5 论文主要内容
• 第2章 毛细台阶阀和毛细流动动态效益
• 2.1 引言
• 2.2 基本原理
• 2.2.1 弯曲液面的附加压力
• 2.2.2 接触角滞后现象
• 2.2.3 毛细被动阀原理和临界压力
• 2.2.4 台阶阀工作原理
• 2.3 微通道内液体动能
• 2.4 数值分析
• 2.5 实验结果分析
• 2.6 结论
• 第3章 微流控芯片模具制作与变形分析
• 3.1 引言
• 3.2 微流控芯片模具制作
• 3.3 微流控芯片阴模变形测量
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于微流控芯片探测的电机控制
• 4.1 电机控制方案简述
• 4.2 电机控制策略
• 4.2.1 无刷直流电机的工作原理
• 4.2.2 无刷直流电机的数学模型
• 4.2.3 PWM 信号调制
• 4.2.4 电流和电压采样
• 4.2.5 速度测量
• 4.2.6 速度控制
• 4.2.7 位置控制
• 4.3 调试结果与分析
• 4.3.1 加速度测试
• 4.3.2 速度实验
• 4.3.3 定位实验
• 4.4 本章小结
• 第5章 芯片实验平台的整体设计
• 5.1 引言
• 5.2 实验平台设计
• 5.3 光路探测
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 在学期间学术成果情况
• 指导教师及作者简介
• 致谢