本文選題：PDMS氣壓驅動微閥　切入點：電磁微閥　出處：《哈爾濱工業(yè)大學》2017年博士論文

【摘要】：近年來,微流控芯片實現(xiàn)了由簡單的操作單元組成到超大規(guī)模集成的飛躍,在生物和化學分析中得到了越來越多的成功應用。但是,氣動微流控芯片外部氣壓控制系統(tǒng)中常規(guī)尺寸電磁閥組的體積遠大于微流控芯片本身,且所需的數(shù)量多,價格高,結構復雜,其所使用的硬質材料與氣動微流控芯片連接困難,使得微流控芯片沒有實現(xiàn)真正意義上的微型化和集成化。因此,設計體積小、便于攜帶且能作為微流控芯片外部控制模塊的電磁微閥是十分必要的。此外,由電磁微閥所控制的片上膜閥動態(tài)響應特性及流量特性等研究仍不完善。因此本文提出一種聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)氣壓驅動微閥,對于縮小芯片外部氣壓控制閥尺寸和提高膜閥閥控精度是十分必要的。本文提出一種采用高速電磁驅動方式和PDMS閥體材料的片外電磁微閥,與片上膜閥組成PDMS氣壓驅動微閥。通過建立PDMS氣壓驅動微閥閥芯驅動力、閥膜彈性變形力及微流道內氣、液流體動力之間的多物理場耦合數(shù)學模型,研究了單個電磁微閥的閥芯位移動態(tài)響應特性、動態(tài)流量特性、流量-占空比特性和流量-壓差特性以及三通微閥PWM占空比-負載壓力特性,得出了電磁微閥流量與激勵脈寬占空比、閥芯位移、閥口壓差之間的關系。對氣動微驅動器驅動腔充、排氣過程中體積、壓力變化過程進行了仿真分析,研究了PDMS驅動薄膜變形特性、氣動微驅動器動態(tài)響應特性,得出電磁微閥脈寬調制占空比、驅動腔壓力與膜閥流量之間的關系。在微結構模具制備技術和PDMS表面特性研究基礎上,提出了負性感光干膜光刻膠模具制備方法、PDMS軟刻蝕復膜技術、不同PDMS配比與表面空氣等離子體處理相結合的閥體封裝方法。對電磁微閥進行了性能試驗研究,包括閥體封接強度、閥膜疲勞、閥芯驅動力、閥芯動態(tài)響應時間以及靜、動態(tài)流量特性,驗證了電磁微閥滿足體積、工作壓力、流量和響應速度等多個性能指標。對PDMS驅動薄膜變形特性、驅動腔壓力動態(tài)響應特性、流量特性進行試驗研究和分析,并根據(jù)試驗結果對膜閥流量模型進行修正,利用體式顯微鏡對膜閥的液流流量特性進行了觀測并驗證其工作可靠性。針對驅動腔體積可變特性和電磁微閥響應特性,提出了采用BangBang+k+PWM復合控制方法對驅動腔壓力進行控制。對驅動腔壓力采用Bang-Bang、k+PWM控制方法進行試驗研究,分析了不同上、下閾設定值和PWM載波頻率、載波幅值對階躍響應時間、壓力穩(wěn)態(tài)精度和壓力脈動的影響。在對兩種控制方法的優(yōu)缺點進行試驗研究和分析的基礎上,研究采用復合控制方法對驅動腔壓力進行控制。通過試驗結果比較,驗證了復合控制方法的有效性。提出了一種結構簡單的片上氣動微混合芯片和其弧形橫截面液體流道模具高溫回流制備方法。對三層氣動微混合芯片的封裝進行了研究,利用表面輪廓儀對弧形橫截面液體流道陽模的表面型貌進行了檢測,研究了回流溫度、烘烤時間和微結構寬度對正性光刻膠AZ50-XT陽模的弧化程度。給出了利用RGB(Red,green,blue)色彩模型、灰度轉換模型和方差方程對微混合腔內不同試劑的混合程度分析方法,利用氣動微閥對驅動腔壓力大小和振動頻率進行控制,使微混合腔內兩種試劑充分混合,并與自然對流混合效率進行對比,研究了PDMS氣壓驅動微閥驅動氣壓和不同振動頻率對混合效率的影響。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TH138.52

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本文編號：1701205