【微流体芯片结构设计以及制作分析2700字】

微流体芯片结构设计以及制作分析目录TOC\o"1-3"\h\u32527微流体芯片结构设计以及制作分析 119971.1微流体芯片设计 1193011.1.1盖板、底板设计 1180731.1.2通道层设计 293981.1.3微流体芯片整体结构及预览 3302411.2微流体芯片加工 3281061.2.1常见微流体芯片材质和介绍 4300811.2.2微流体芯片选材 4150941.2.3基于PMMA材料的微流体芯片加工技术 568441.2.4微流体芯片各部分加工实物图 5228251.2.5微流体芯片整体实物图 7312531.3微流体芯片测试 7251881.4小结 8微流体芯片设计该小节是对本课题所用的微流体芯片进行整体结构设计，所用的结构图设计软件为solidworks2019，除此之外，还对微混合器进行了研究，在理论上设计出了俩种加快试样液体混合反应的微混合器。整个微流体芯片由三个部分组成，分别是盖板、底板和通道层。芯片采取三层结构的设计，通道层具有进样接口、连接通道、反应检测池和出样接口。作为主要化学反应的场所，通道层在设计上能够实现液体的快速混合，整个芯片结构简单、液体反应速度快、外形设计上符合人体日常使用习惯盖板、底板设计盖板和底板均为厚度是2mm的空白基片，盖板和底板在外形轮廓的设计上相同，边缘线条具有一定的弧度，符合普通人的审美，同时俩侧的凹陷方便操作人员的拿取。但是由于有进样接口的存在，盖板上还进行了三个进样口的钻孔。盖板模型图如图3.1所示，底板模型图如图3.2所示。图3.1盖板模型图图3.2底板模型图通道层设计通道层外形轮廓的设计和盖板、底板设计相同，内部通道层包括进样接口、连接通道、反应检测池和出样接口。接口通道是一个直径为1mm、高度为2mm的圆柱体。连接通道原先选择的是章节3.1中所设计的Y型的回旋弯道混合器，但是由于现有的仪器条件无法满足加工需要，所以改换成宽度为1mm、深度为2mm的折线通道。反应检测池作为光电检测单元的工作场所，需满足液体反应充分、显色明显等特点，所以设计的反应检测池是一个直径为10mm，厚度为3mm的圆柱体，能够容纳约为0.235ml的反应溶液，同时经过测试发现在反应检测池中被测溶液的变色也十分明显，可以满足设计需要。出样接口是一个长宽高分别为1mm、0.5mm、1mm的长方体。通道层模型图如图3.3所示。图3.3通道层模型图微流体芯片整体结构及预览图3.4微流体芯片分层模型图微流体芯片加工在使用solidworks设计完微流体芯片的模型图后，画出芯片各部分的图纸然后进行加工。芯片加工所选取的材料为PMMA高分子聚合物材料，加工技术为激光烧蚀技术。常见微流体芯片材质和介绍通常在制作微流体芯片时会选择的材料包括：玻璃、单晶硅片和高分子聚合材料。各种微流体芯片材料的优缺点如表3-1所示。表3-1各种微流体芯片材料优缺点芯片材质优点缺点单晶硅片良好的化学惰性、热稳定性易碎、透光性差玻璃良好的电渗性和光学特性价格较高高分子聚合物加工方便、种类多、价格便宜耐老化性能差微流体芯片选材在将设计好的微流体芯片送往加工之前，首先要选择确定好制作微流体芯片的材料。微流体芯片材料的选取原则为：1、所选取的芯片材料与实验时所注入的试剂之间要有比较好的相容性，俩者之间不能发生化学反应。2、所选取的芯片材料需要具有比较好的电绝缘性以及较好的散热性。3、所选取的芯片材料需要具有良好的光学性能，当光照射并通过时不会产生明显阻挡或者是吸收，影响朗伯-比尔定律的应用。4、所选取的芯片材料要易于加工，表面有良好的可修饰性。5、所选取的芯片材料成本低廉。本文微流体芯片的工作内容是检测水中的余氯含量，所接触的工作介质是生活用水和次氯酸钠溶液。根据对于试剂的选择以及制作成本的考量，在本课题中选择以PMMA材料来制作微流体芯片。本文中所设计的芯片需要在检测环节光穿过溶液的光强度值，所以对于材料的透光性有较高的要求，PMMA材料的光学性能较好，透光率能达到92%，满足测试的要求，而且该材料的造价低，用来制作芯片的性价比高。基于PMMA材料的微流体芯片加工技术在本课题的微流体芯片设计中，整个芯片采用分层设计，对于每一层芯片都是采用激光烧蚀方法进行加工，最终再将每层芯片粘合到一起形成完整的微流体芯片。激光烧蚀法属于非接触式加工，同时其也是一种细微加工技术，该方法根据计算机CAD设计图，用X-Y俩个方向来精密控制激光在加工材料上加工出设计图上的微通道。激光烧蚀法的优点：加工出的微流体芯片结构破坏小，整体加工灵活性高。激光烧蚀法的缺点：一次只能加工一片，生产效率低，而且市场上紫外激光仪器价格普遍较高，激光能量大在使用时有一定的危险性，需要在专门的激光实验室中进行操作。微流体芯片各部分加工实物图微流体芯片盖板加工实物图如图3.5所示，盖板的作用主要是将微流体芯片密封闭合以及提供测试液体、检测试剂的注入口。图中从上到下三个注入口所注入的液体分别是：被测溶液、低浓度余氯检测试剂、高浓度检测试剂。微流体芯片底板加工实物图如图3.6所示，底板的作用主要是将微流体芯片密封闭合，防止流体注入后溢出。微流体芯片通道层加工实物图如图3.7所示，通道层作为液体的混合以及反应场所，是整个芯片最为重要的一个结构层。图3.5芯片盖板加工实物图图3.6芯片底板加工实物图图3.7芯片通道层加工实物图微流体芯片整体实物图将微流体芯片各层通过粘合剂粘合后得到完整的微流体芯片，微流体芯片实物图如图3.8所示。图3.8芯片整体加工实物图微流体芯片测试在对整体微流体芯片进行设计以及制作之后，对芯片的实物进行液体快速混合效果的测试，来判断是否能够实现注入液体的快速混合功能。对此进行一组对照实验，一号组选择普通的20ml比色样管，二号组选择设计的芯片。实验试剂：浓度为10mg/L的次氯酸钠溶液、余氯快速检测试剂。实验步骤：往比色样管中分别注入20ml的次氯酸钠溶液和适量的余氯快速检测试剂，观察出现明显颜色变化的时间并记录下来。往二号组的芯片中也使用小型压力泵同时注入次氯酸钠溶液和余氯快速检测试剂，观察芯片的反应检测池中出现明显颜色变化的时间并记录下来。芯片注入检测试剂后的颜色变化如图所示，其中图片3.13左侧为刚注入检测溶液时的芯片，图片3.13右侧为注入一段时间后有明显变色的芯片。图3.9芯片注入检测试剂后的颜色变化实验结果：第一组和第二组在最开始时溶液都呈现透明，随着时间的推移两组的颜色逐步往黄色变化，再经过几分钟后，整体溶液的颜色呈现出橙色。而第二组出现初步的颜色变化所消耗的时间要比第一组初步出现颜色变化所消耗的时间要短15s，同时第二组最终呈现橙色的时间比第一组要快30s。由此可以得出本章所设计的微流体芯片能够实现对注入液体进行快速混合。小结基于微流体芯片技术以及微混合器理论研究，基于已有的设备条件设计了一种结构简单、反应速度快的微流