一种基于液滴控制的微流体处理器

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1、中图分类号：TB126论文编号：102870118-S083学科分类号：080104硕士学位论文一种基于液滴控制的微流体处理器研究生姓名嵇庆磊学科、专业工程力学研究方向动力学与控制指导教师金栋平教授南京航空航天大学研究生院航空宇航学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAerospaceEngineeringAMicrofluidicProcessingUnit(MPU)BasedondropletcontrolATh

2、esisinEngineeringMechanicsbyQingleiJiAdvisedbyProf.DongpingJinSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2018承诺书本人声明所呈交的博/硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料

3、。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要芯片实验室是一种包含了许多微流体器件的集成系统。由于它将不同的微流体设备集成在一块仅有几平方厘米的芯片上，使得它在微化学合成和快速检测领域有着急切的需求。自2002年以来，芯片实验室的大规模集成和自动化成为一种主要趋势。在这篇论文中，我们利用3D多材料打印技术，并基于液滴动力学对液滴的运动进行控制，制作了一款微流体处理器

4、（MicrofluidicProcessingUnit,MPU)，在它的周围可以配备快速制作的USB型微流体芯片。这套系统由一块Arduino板驱动，并通过一幅预定义的二维码进行命令输入。Arduino控制板与一些电气设备共同工作，来控制微流体处理器的运行。微流体处理器中集成了微流体泵，液滴数量控制单元和液滴运动控制单元。微流体处理器也具有一定的可扩展性，它的扩展性来自于可以将具有不同功能的微流体芯片插入微流体处理器的四周预置的通用接口上。这套集成的系统可以自动运行，控制液滴的产生和运动，并进行液滴的存储。在正文中，我们会首先介绍微流体

5、处理器-USB型芯片的组成和相关技术细节。第二章对液滴在连续相流体中的运动给出详尽的动力学分析，为后面对液滴的控制给予指导。第三章介绍了微流体芯片的快速制备方法，该芯片拥有标准的输入/输出（input/output，I/O）接口，我们还设计制作了用于连接这种芯片的夹具结构。接下来的几个章节，我们会分别介绍微流体泵，液滴数量控制单元，液滴运动控制单元。所有这些子系统都在计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）和3D多材料打印的帮助下完成。论文的最后，我们将前面几章提到的各分系统进行了大规模集成，并利用第三章提到的芯

6、片快速打印技术作为微流体处理器的扩展元件，推出了类似电子信息领域“类中央处理器”的概念。整个系统成本低廉且可靠性高。通过这套微流体处理器系统，可以实现只需要输入简单的命令，系统便可以自动运行，并给出带有指定数量和颜色液滴的芯片。该芯片被取出后可以进行进一步的研究工作。关键词：液滴控制,3D多材料打印,大规模集成,快速制备芯片,自动化I一种基于液滴控制的微流体处理器ABSTRACTLab-On-a-Chip(LOC)system,whichisanintegrationofseveralfunctionalmicrofluidicdevi

7、ces,ishighlydesirableinmicro-synthesisandrapiddiagnosisresearchbecauseitcomprisesofdifferentmicrofluidicdevicespackagedonasinglechipofseveralsquare-centimetersinsize.Thelarge-scaleintegrationandautomationhasbecomeagrowingtrendinLOCsystemsince2002.Inthethesis,wereporta3Dp

8、rintedMicrofluidicProcessingUnit(MPU)basedondropletcontrol.ThesystemisdrivenbyanArduinoboardwithcommand