电磁驱动微流体芯片阀门设计

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微流控操作平台(芯片实验室)为生物化学检测应用的微型化、集成化、自动化和高度并行化提供了一系列流体操作单元,实现了不同领域的各种特殊的生物化学处理过程应用的简捷、快速、高效和低成本化。阻碍完全集成化的微流控系统平台向小型化和商业化方向发展的一个重要因素在于稳定的微型阀门的制备和应用。微阀的种类包含有主动非机械式、主动机械式、被动非机械式、被动机械式和外部系统驱动式等。尽管已经有近30年的发展历程,现有的微阀仍然具有相当的发展空间和发展潜力。水辅助飞秒激光刻蚀加工作为一种无掩膜的加工技术,利用激光诱导水击穿产生的激光空泡高和速冲击波,实现在透明玻璃等材料中进行复杂二维或三维结构的刻蚀加工。论文首次介绍、设计制备了在普通玻璃基底中以螺线管形式的三维微流通道为核心的微型电磁驱动器。首先利用水辅助飞秒激光刻蚀加工技术和100nm精度的三维操作平台,在玻璃基底中制备了单螺旋通道、双螺旋通道、三螺旋通道、四螺旋通道和嵌套螺旋阵列等多种不同的螺线管阵列结构。螺旋微流通道的直径在40μm-100μm范围内。接着结合超声振荡等技术将超精细石墨粉以较高的填充比例灌入复杂的三维螺旋通道结构中,并进行了简单而细致的封装后接入外部电压或电流源。最后,实际测试了简单封装之后的螺旋电磁铁的电学特性,利用有限元分析软件ANSYS模拟分析了不同阵列结构的微型电磁驱动器的驱动性能。并证明了我们所设计制备的微型电磁驱动器能够有效实现对磁性微纳米粒子或合适的微型功能元件等的操控。以普通玻璃为基底制备的微型螺旋电磁驱动器能够方便地集成到微流控芯片中,并能够实现诸如阀门开关、流体计量、流体混合、流体转移和流体分离等的流体操作功能,应用前景广泛。
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