数字微流控芯片关键技术及实验地研究

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1、DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofInstrumentandMeterEngineeringKEYTECHNOLOGYANDEXPERIMENTALRESEARCHFORDIGITALMICROFLUIDICCHIPbyQuYuhongSupervisor:Prof.ZhangSiXiangMarch2014ThisworksupportedbyHeBeiUniversityofTechnologyInnovationFu

2、ndforOutstandingYouth(ProjectID:2012008)"laser-guidedsortingmethodsande-xperimentalstudyofcells."万方数据万方数据原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承

3、担。学位论文作者签名：日期：关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：日期：导师签名：日期：万方数据万方数据摘要目前，数字微流控芯片已在生物、化学和医学领域有一定的应用，尤其是基于介电润湿的数字微

4、流控芯片，有着结构简单、控制方便、体积小、试剂使用量小、反应快、易携带、可并行处理和易实现自动化等优势，在各领域实验中有巨大的应用前景。本论文分别从介电润湿技术的理论基础、计算机仿真和实验对比分析等方面对基于介电润湿的数字微流控系统进行研究。主要内容有：（1）通过对改变表面张力的方法的比较，得出介电润湿法在驱动液滴中的优越性，进而介绍了介电润湿法的理论基础，对相关公式进行推导及改进，最后对液滴的四种基本操作进行了阐述与分析。（2）使用Comsol软件对数字微流控芯片进行建模仿真，讨论电压分布情况，介质层厚度对电压分布的影响，接

5、触角随外加电压的变化情况。建立液滴移动和分裂的模型，仿真得出各自的运动过程，讨论电极样式、电极大小及上下板间距对液滴运动的影响，根据仿真结果得出液滴运动效果最好的芯片参数为：电极边长为1mm，上下板间距为0.1mm-0.3mm、介质层厚度为1μm。（3）设计芯片整体结构和电极阵列，介绍芯片各部分的制作工艺，电极层使用激光雕刻技术，介质层使用气相沉积技术，疏水层使用等离子表面处理技术，零电极选用ITO导电玻璃。开发基于89C51单片机的外围控制电路，由光电耦合开关控制各电极上直流电压的通断。（4）搭建实验平台研究芯片各参数对液滴

6、运动的影响，完成液滴移动的实验，对比分析实验结果，得到以下结论：液滴接触角随外加电压的增加而减小，并在一定电压下达到了饱和接触角；随着介质层厚度的增加，液滴接触角的减小速度变慢；不同的电极样式对液滴移动过程的影响不大，叉齿形电极上液滴移动的效果稍好；介质层厚度越大液滴所需的最小外加电压越大。（5）由于芯片加工技术与实验条件的限制，对液滴接触角的测量还不准确，还不能完成液滴的生成、分裂及合并的实验，实验还有很多不足及需要改进的地方。关键词：介电润湿数字微流控芯片接触角液滴运动形态I万方数据II万方数据ABSTRACTAtpres

7、ent,thedigitalmicrofluidicchiphashadacertainapplicationinthefieldofbiology,chemistryandmedicine,especiallyelectrowettingondielectricbaseddigitalmicrofluidics,ithastheatvantageofsimplestructure,convenientcontrol,smallvolume,lessreagentconsumption,configurable,paralle

8、lprocessingandeasytoautomate.Soithasgreatapplicationprospectineveryfieldexperiment.Thispapermainresearchtheelectrowettingondielectricbased