微流体脉冲驱动—控制基础实验研究

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微米乃至纳米尺度构件中的微流体驱动-控制是微系统发展需要解决的关键技术之一。液体微喷射和粉体微输送是微流体驱动-控制中重要的研究方向,目前实现液体微喷射和粉体微输送方法很多,但也存在着多种问题:在液体微喷射中,外接驱动设备过于庞大、对喷射液体的性质有限制、微喷嘴的加工工艺较复杂等;在粉体微输送中,输送分辨率不高、较难实现精确输送等。具有广泛适用性、高分辨率的微流体驱动-控制技术是值得研究的重要课题,同时需要解决好相应微喷嘴的设计与制作、以及微流体驱动-控制技术的应用等问题。微流体脉冲驱动-控制技术在基本概念和理论上有原创性。本论文将微流体脉冲驱动-控制技术应用于液体微喷射及粉体微输送,对其基本原理以及实现系统予以阐述,并依据理论分析的定性结论进行基础实验研究,再由获得的实验结果指导液滴微阵列、粉体微阵列以及组合材料阵列的制备。同时,基于玻璃热变形原理,研究适用于微流体脉冲驱动-控制技术的玻璃微喷嘴制备工艺。取得的成果如下:给出了微流体脉冲驱动-控制下的微流动特性的理论分析结论,由分析结论定性地得到了与液体和粉体微流动特性相关的系统参量。进行了微流体脉冲驱动-控制的基础实验,研究了各系统参量对液体和粉体微流动特性的影响。实验结果表明在微流体脉冲驱动-控制下,液体数字化微喷射和粉体数字化微输送都具有分辨率高、稳定性好的微特性。由实验数据得出了各系统参量对液体和粉体微流动特性的影响规律,为液体数字化微喷射和粉体数字化微输送的应用提供了确定和选择系统参量的依据。基于玻璃热变形原理,进行了适用于微流体脉冲驱动-控制技术的微喷嘴制备工艺研究;设计了玻璃微喷嘴锻制仪的原理样机及微喷嘴特征尺寸显微测量系统。基于玻璃热变形的锻制和拉制工艺制作微喷嘴,流程简单,易于操作,且成本低廉。对于微流体脉冲驱动-控制技术在生物芯片制备、激光熔覆送粉以及组合材料芯片合成中的应用进行了初步探讨,进行了液滴微阵列、粉体微阵列与发光材料阵列的制备实验研究。采用液体数字化微喷射的方法,制作了中等密度的液滴微阵列,样点平均直径为100μm,样点的变异系数为4.61%,样点均一、圆整;样点间距为160±10μm,密度为4000spot/cm2,微阵列规整度较好。利用粉体数字化微输送,制作了密度为350spot/cm2的粉体微阵列,每个粉斑直径在200μm左右,微阵列的规整度较好。同时,通过直接微输送原材料粉体,成功合成出Y2O3:Eu3+发光材料样品库,证明了粉体数字化微输送应用于组合材料芯片制备的可行性。
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